煙氣選擇性催化脫硝有望完全國(guó)產(chǎn)化
2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)日前在北京舉行。環(huán)境保護(hù)部推薦的“燃煤煙氣選擇性催化脫硝關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
這一項(xiàng)目由清華大學(xué)教授李俊華團(tuán)隊(duì)，與北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司、重慶遠(yuǎn)達(dá)催化劑制造有限公司以及四川華鐵釩鈦科技股份有限公司等，組成產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)發(fā)明了大比表面鈦硅鎢復(fù)合載體、高強(qiáng)度脫硝催化劑、高精度流場(chǎng)均勻分布系統(tǒng)及中性絡(luò)合定向再生技術(shù)，已在國(guó)電及華能等256家電站鍋爐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高塵煙氣下高效脫硝。
記者日前專訪了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李俊華。
記者：脫硝是繼煙氣脫硫之后國(guó)家控制大氣污染物排放的又一個(gè)重點(diǎn)。我國(guó)的氮氧化物排放和控制技術(shù)現(xiàn)狀如何？
李俊華：近年來(lái)，我國(guó)大氣環(huán)境保護(hù)工作取得了積極進(jìn)展，隨著我國(guó)電廠等脫硫裝置的廣泛應(yīng)用，大氣中SO2濃度及硫沉降均有所下降。
然而我國(guó)NOx排放總量卻居高難下。2011年排放的NOx達(dá)到2400多萬(wàn)噸，其中燃煤排放NOx約占67%，成為最大來(lái)源。
國(guó)家“十二五”規(guī)劃中明確提出未來(lái)五年內(nèi)完成NOx總量減排10%的約束性指標(biāo)，其中火電廠是控制關(guān)鍵。相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求火電廠NOx排放濃度為100mg/Nm3，超低排放為50mg/Nm3，成為全球最嚴(yán)格的排
放限值。
目前，最有效的控制氮氧化物技術(shù)途徑是氨氣選擇性催化還原（SCR）氮氧化物。不過(guò)這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用面臨著很多問(wèn)題。
首先是我國(guó)脫硝催化劑主要載體材料依賴進(jìn)口，成本居高不下。載體材料占催化劑總重量的80%～90%，占催化劑總成本的60%以上。
其次，脫硝催化劑對(duì)煤種具有很大的敏感性，同樣的催化劑在不同煙氣條件下性能會(huì)有較大差異。國(guó)外的催化劑主要是針對(duì)國(guó)外的煤種進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，對(duì)中國(guó)煤種的適應(yīng)性比較差。我國(guó)煤種復(fù)雜，煙塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外，照搬國(guó)外技術(shù)極易造成催化劑塌陷中毒，出現(xiàn)“水土不服”問(wèn)題。
同時(shí)，我國(guó)缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的脫硝工藝核心技術(shù)參數(shù)和軟件包。對(duì)脫硝催化劑產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的工程示范研究和驗(yàn)證是必不可少的。只有通過(guò)自主設(shè)計(jì)脫硝反應(yīng)器和還原劑添加控制系統(tǒng)及流場(chǎng)模擬等，才能實(shí)現(xiàn)我國(guó)脫硝工程的廣泛應(yīng)用。
此外，廢舊脫硝催化劑使用壽命約2.4萬(wàn)小時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)老化中毒后的催化劑再生資源化利用，也是當(dāng)前面臨的棘手問(wèn)題。
記者：是什么限制了國(guó)產(chǎn)脫硝技術(shù)的發(fā)展？
李俊華：早期載體原材料被國(guó)際上兩大公司壟斷，價(jià)格十分昂貴，導(dǎo)致燃煤電廠整體脫硝成本非常高，很大程度上制約了脫硝催化劑的規(guī)模化應(yīng)用。
我國(guó)煤質(zhì)地區(qū)差異較大，煙氣排放特征復(fù)雜多變，普遍存在高硫高鈣高灰的“三高”特征，國(guó)外催化劑對(duì)我國(guó)煤種的適應(yīng)性比較差。流場(chǎng)分布不均易造成偏流堵灰和催化劑磨損加重等實(shí)際問(wèn)題，也是影響高效脫硝的主要因素之一。此外，脫硝催化劑再生技術(shù)被國(guó)外少數(shù)廠家壟斷，迫切需要研發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的廢舊催化劑再生技術(shù)。
記者：在項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)的技術(shù)攻關(guān)主要在哪方面？
李俊華：選擇性催化脫硝技術(shù)（SCR）是通過(guò)添加氨氣將氮氧化物還原為氮?dú)猓撓醮呋瘎┦呛诵，流?chǎng)均勻分布是催化劑高效脫硝的重要保障。
由于我國(guó)煤種復(fù)雜，煙塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外，照搬國(guó)外技術(shù)極易造成催化劑塌陷中毒。如果將SCR系統(tǒng)放在除塵甚至脫硫之后，則可以有效防止催化劑磨損和中毒，難題是如何實(shí)現(xiàn)中低溫下高活性。此外，從催化劑到脫硝工程，研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硝工藝和關(guān)鍵裝備，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，同樣十分重要。
為了解決高強(qiáng)度抗磨損和高活性之間的矛盾，項(xiàng)目組發(fā)明了鈦硅鈦鎢及鈦硅鎢等一系列復(fù)合氧化物載體和催化劑端口硬化技術(shù)，通過(guò)復(fù)合載體組分間的固溶和端口硬化實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度提高；此外引入負(fù)電中心，研發(fā)過(guò)渡金屬耦合稀土改性的低釩脫硝催化體系，增強(qiáng)酸性位來(lái)提高活性。
經(jīng)過(guò)大量深入研究，在關(guān)鍵載體、催化劑配方和脫硝工藝等方面取得突破，復(fù)合氧化物載體的B酸量提高2.9倍，保證了脫硝活性，同時(shí)抗壓強(qiáng)度和耐磨性能也得到顯著提高。
為了解決廢舊催化劑中毒物高效去除和強(qiáng)度活性保持之間的矛盾，項(xiàng)目組發(fā)明了中性絡(luò)合定向清除有毒元素技術(shù)，形成一系列中性絡(luò)合清洗液。基于本發(fā)明再生液，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性良好的再生工藝，再生后K、Ca、As等主要中毒元素去除率90%以上。再生效果的兩個(gè)重要指標(biāo)，通孔率和活性恢復(fù)值分別達(dá)到98%和96%以上。
為了解決流場(chǎng)均勻分布和保持壓降阻力小之間的矛盾，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了煙氣與還原劑渦流混合背部噴氨裝置，保證了煙氣與還原劑氨氣充分混合；發(fā)明了獨(dú)特的等壓力整流技術(shù)，保證流場(chǎng)分布均勻。
記者：與國(guó)外脫硝技術(shù)相比，這一技術(shù)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有哪些優(yōu)勢(shì)？
李俊華：首先在關(guān)鍵載體方面，相比國(guó)外單一鈦白粉載體，這一技術(shù)具有一系列鈦基復(fù)合氧化物載體，滿足了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)不同用戶需求。
在脫硝催化劑方面，自主產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)度高活性雙高脫硝催化劑在保證脫硝活性的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗磨損性能顯著提高，同時(shí)一定程度上抑制了二氧化硫氧化率和氨氣逃逸率。
在廢舊催化劑再生技術(shù)方面，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中性絡(luò)合再生技術(shù)比傳統(tǒng)強(qiáng)酸清洗方法，更加環(huán)保。很大程度上避免了設(shè)備腐蝕、強(qiáng)度下降和活性組分流失。
在還原劑添加和脫硝流場(chǎng)方面，國(guó)外主流的噴氨格柵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)復(fù)雜煙氣條件下可能會(huì)出現(xiàn)噴頭灰堵。團(tuán)隊(duì)發(fā)明的渦流混合背部噴氨和整流技術(shù)，有效解決這一問(wèn)題，使NH3/NOx摩爾比最大偏差約±5%。
團(tuán)隊(duì)還打造了從“載體-催化劑-再生-脫硝工藝”完整的脫硝技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)脫硝產(chǎn)業(yè)鏈的100%國(guó)產(chǎn)化，比引進(jìn)國(guó)外技術(shù)初期，脫硝成本整體下降一半以上。
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