江蘇龍源催化劑有限公司肖 雨亭

北京國電龍源環(huán)保工程有限公司 路光杰

2010年之前，我國沒有自主知識產權的火電廠NOX排放控制技術，針對這一問題，北京國電龍源環(huán)保工程有限公司進行技術攻關，突破了煙氣脫硝核心技術“催化劑配方及生產工藝設備國產化+脫硝流場模擬及反應器設計”這兩大關鍵技術難題，打造了具有自主知識產權的“催化劑產品-脫硝工藝”技術產業(yè)鏈，實現了整個脫硝產業(yè)鏈的100%國產化，打破了國外企業(yè)技術壟斷，引領了國內脫硝產業(yè)的發(fā)展。

國內脫硝技術面臨的主要問題

我國以煤為主的能源結構導致大氣污染物排放總量居高不下，大氣中SO2、NOX排放量在快速增加，2011年排放的NOX達到2400多萬噸，其中燃煤煙氣中NOX占67%，成為最大來源，排放控制十分緊迫。為此，國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出未來五年內完成NOX總量減排10%的約束性指標，新的排放標準

要求火電廠NOX排放限值為100mg/Nm3(全球最嚴格)。單純依靠低氮燃燒技術不能滿足這一標準，最有效的技術途徑是NH3選擇性催化還原(SCR)脫除NOX。而2010年之前國內應用面臨的主要問題有：我國脫硝催化劑依賴進口，成本居高不下，進口脫硝催化劑難以適應我國復雜的煙氣特征;缺乏脫硝工藝的核心技術參數和軟件包;我國尚未開發(fā)出原材料及催化劑生產的關鍵設備和評價系統(tǒng)。

脫硝技術關鍵問題攻關過程

1.脫硝催化劑配方研究和成型工藝研究

這一部分的主要課題是研發(fā)高效低成本脫硝催化劑核心配方及其成型工藝，揭示高性能脫硝催化劑的反應機制。針對催化劑生產過程中的關鍵問題，對催化劑的成型技術進行深入研究，確定催化劑混煉、擠出、干燥和燒成工藝，提高產品成品率、降低能耗。研究了釩、鎢的量以及不同鈦硅比對催化劑活性及脫硝選擇性的影響，獲得了最佳的催化劑配方。通過比較不同煅燒溫度下催化劑的比表面積與釩負載量的對應關系及釩的晶化程度，確定了最佳的煅燒溫度。解析了催化劑的化學組成和價態(tài)、晶相結構和表面酸性位與脫硝性能之間的對應關系，揭示了脫硝吸附催化協(xié)同反應機制，發(fā)現了吸附的亞硝酸鹽為反應的關鍵物種。在研發(fā)的復合氧化物原材料中加入活性成分AMV，并添加粘結劑、助擠劑、潤滑劑、造孔劑等各種添加劑，通過混煉、過濾、擠壓成型、干燥、煅燒、切割等過程最終確立了最佳的成型配方和工藝參數。

釩含量直接影響脫硝催化劑活性，釩含量增加促進低溫活性，但降低高溫脫硝選擇性，增加SO2氧化率。鎢是傳統(tǒng)脫硝催化劑中的重要助劑，添加后可以提高催化劑的低溫活性，但在釩負載量較高時，鎢負載量的增加導致高溫段活性略有下降。

通過原位紅外光譜、原位拉曼光譜結合程序升溫實驗及表面元素分析，研究脫硝催化劑在反應過程中的具體反應路徑、反應的關鍵物種和反應的活性位，確定不同催化劑在不同溫度下的反應機理。解析了催化劑的化學組成和價態(tài)、晶相結構和表面酸性位與脫硝性能之間的對應關系，揭示了脫硝吸附催化協(xié)同反應機制，發(fā)現了吸附的亞硝酸鹽為反應的關鍵物種。

研究獲得了催化劑的干燥曲線、焙燒曲線、模塊邊緣硬化液配方，掌握了催化劑生產的關鍵控制參數，形成適用于國產原材料的生產工藝，產品合格率達到98%以上。自主開發(fā)混煉工藝并實現程序化控制，保證每批泥料質量的穩(wěn)定性;優(yōu)化多級分步干燥工藝，減少催化劑的干裂現象，提高催化劑的成品率和質量;自主改進催化劑焙燒時間和溫度區(qū)間，改善催化劑的微觀結構，提高催化劑抗機械強度和中毒能力;高活性的催化劑模塊邊緣硬化液，提高催化劑有效體積。

2.煙氣流場模擬及脫硝工藝參數設計

建立了國內第一家煙氣脫硝流場試驗裝置，各項試驗指標全面超過了國際先進水平，如模型比例大(最大1頤8)，測試精度高(萬分之一)、測試點密集(1000點/平方米)、可靠性高等，利用流場模擬反應裝置和還原劑噴射系統(tǒng)，確定煙氣系統(tǒng)的氣動特性，對脫硝煙道、反應器結構以及氨氣噴射渦流混合系統(tǒng)進行模擬并優(yōu)化，自主研發(fā)了反應器導流管，獲得最優(yōu)的煙道和反應器結構設計，開發(fā)自主知識產權的軟件包。設計開發(fā)了煙氣脫硝系統(tǒng)的反應器、還原劑添加噴射系統(tǒng)及流場模擬軟件，集成了自主產權的渦流混合器及流場技術的脫硝成套工藝和軟件包，使脫硝工程建設成本顯著下降。

3.脫硝催化劑生產的關鍵設備設計開發(fā)及應用

在國內率先實現催化劑生產線的國產化，主要生產設備均屬國內首創(chuàng)，包括國產SCR催化劑用連續(xù)式隧道燒結窯，國產催化劑擠出成型機，大孔徑蜂窩催化劑成型模具，國產連續(xù)干燥DCS控制系統(tǒng)以及國產混煉機等，其中大孔徑成型模具為適應高飛灰工況的催化劑生產奠定基礎，整條脫硝催化劑生產線的國產化率達到100%，極大地提升了國內脫硝催化劑行業(yè)的裝備水平。

其中，混煉機是催化劑生產的關鍵設備，也是國產化難度最高的設備，通過大量的調研分析，項目組與國內生產設備制造廠家合作完成了混煉機的設計研制工作，重點解決了加工精度低、混合均勻性差等問題，目前實現了連續(xù)穩(wěn)定運行。下圖為自主開發(fā)的混煉機，主要包括主轉子攪拌系統(tǒng)、星耙攪拌系統(tǒng)、鍋體大盤攪拌系統(tǒng)、卸料門系統(tǒng)、主動潤滑和自動控制等。

所屬頻道: 火力發(fā)電 關鍵詞: 龍源環(huán)保煙氣催化脫硝燃煤電廠

擠出機：針對擠出機加工精度低、擠出壓力小、擠出速度慢、真空性能差、成型率低等問題，項目組設計了由上下兩級結構組成的新型擠出機。上級為雙軸攪拌裝置，由電機通過變速箱和聯軸器驅動兩根攪拌軸轉動，攪拌軸的前端安裝攪刀，后端安裝螺旋葉并與真空室聯接，在攪拌軸的最末端安裝有阻泥刀;下級電機通過變速箱和聯軸器驅動主軸及壓泥板，下級的螺旋葉采用優(yōu)質鋼材精工制作，外表鑲嵌有可以方便更換的高級耐磨合金片，從而極大地延長螺旋葉的使用壽命;在真空室的正前方設有圓形高強度有機玻璃門，方便觀察真空室內的情況和清機操作。下圖為自主設計開發(fā)的擠出機及結構示意圖。

隧道窯：隧道窯的設計決定了成品率和生產能耗，設計開發(fā)的隧道窯采用型鋼(方鋼管)作骨架，全框架單元組裝結構，以2m為單元模數，全窯設置22個單元組裝模塊，另加冷卻帶1個單元，各單元間通過螺栓緊固連接，有效消除鋼架結構的自身受熱膨脹應力，并方便拆卸。改進后的煅燒窯使催化劑的成品率提高到95%以上，每臺窯爐功耗降低了110kW(僅為國外同類產品60%左右)。該關鍵設備填補了國內空白，達到國際先進水平。

公司自主設計完成的關鍵生產設備極大地推進了國內脫硝催化劑產業(yè)鏈的形成，目前基于項目組設計研發(fā)的主要設備的市場占有率高達60%。利用該技術裝備制造的耐高含塵煙氣蜂窩式脫硝催化劑已經過中國電力企業(yè)聯合會的新產品鑒定，鑒定意見認為該產品主要性能指標達到國際先進水平。

4.建立了催化劑性能檢測方法和標準

科學可靠的檢測方法和評價系統(tǒng)直接影響著能否生產出高質量脫硝催化劑產品。針對催化劑研究過程中的粉末樣品、蜂窩小樣以及整體式蜂窩模塊，自主設計開發(fā)了不同階段的催化劑評價裝置，系統(tǒng)研究分析了催化劑的脫硝效率，二氧化硫氧化率及氨逃逸率等。目前，項目合作單位清華大學建立的粉末樣品和蜂窩小樣實驗裝置成為教學和科研的主要平臺，國內外專家學者先后到此合作交流，同類裝置在國內目前建立了50多套。江蘇龍源催化劑公司在國電諫壁電廠一期3伊330MW機組脫硝裝置的側壁設置了脫硝催化劑在線活性評價裝置，為在線評價催化劑性能提供良好的分析平臺。

制定催化劑的檢測標準和產品標準是脫硝行業(yè)良性發(fā)展的關鍵，項目組主持和參加制定《燃煤煙氣脫硝催化劑性能測試方法》(20130424-T-303)、《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術規(guī)范》(DL/T1286-2013)等國家和行業(yè)標準，以及火電廠煙氣脫硝(SCR)裝置檢修規(guī)程》(DL/T322-2010)等相關國家和行業(yè)標準。

檢測系統(tǒng)和標準的建立，確定適合我國國情的催化劑物理性能和化學性能科學可靠的測試方法和技術評價指標體系，對規(guī)范整個脫硝行業(yè)具有重要的指導意義。

與當前國內外同類研究、同類技術的綜合比較

龍源環(huán)保公司等開發(fā)的適用于高含塵煙氣條件下應用的高強度催化劑產品，與日本JGCC&C的同類產品對比如下：

國產脫硝催化劑與進口產品主要性能指標的對比

從以上測試報告可以看出，該公司產品不僅在脫硝效率、SO2氧化率和NH3逃逸率等指標上達到或超過日本進口產品，而且更重要的是在耐磨性能和機械強度上較進口產品有了大幅提高，因此，公司產品更適用于國內高含塵煙氣條件，較國內同類產品或進口產品有更強的市場競爭力。

應用情況

本項目開發(fā)的燃煤煙氣催化脫硝關鍵技術已經在燃煤電廠及工業(yè)鍋爐等多種行業(yè)實現了煙氣脫硝實際應用。運行結果表明：該技術穩(wěn)定可靠，脫硝效率、氨逃逸和SO2氧化率等指標能夠達到設計要求。該技術的推廣應用為我國燃煤煙氣脫硝提供了重要技術支持，為實現“十二五”規(guī)劃減排目標提供了有力保障。

本項目成果形成了具有自主知識產權的燃煤煙氣脫硝關鍵技術創(chuàng)新體系，所研究開發(fā)的“催化劑制造-脫硝工藝”產業(yè)鏈技術已經在相應企業(yè)產業(yè)化應用，建成并投產了32000m3的脫硝催化劑生產線，自主開發(fā)的蜂窩脫硝催化劑先后應用于國電、華能等集團100多個火電廠機組，以流場試驗為核心的輔助設計手段，北京國電龍源環(huán)保工程有限公司負責承建了120多個火電廠脫硝工程，市場份額國內最大。