烟气选择性催化脱硝有望完全国产化
2015年度国家科学技术奖励大会日前在北京举行。环境保护部推荐的“燃煤烟气选择性催化脱硝关键技术研发及应用”获国家技术发明奖二等奖。
这一项目由清华大学教授李俊华团队，与北京国电龙源环保工程有限公司、重庆远达催化剂制造有限公司以及四川华铁钒钛科技股份有限公司等，组成产学研创新团队。团队发明了大比表面钛硅钨复合载体、高强度脱硝催化剂、高精度流场均匀分布系统及中性络合定向再生技术，已在国电及华能等256家电站锅炉应用，实现了高尘烟气下高效脱硝。
记者日前专访了项目负责人李俊华。
记者：脱硝是继烟气脱硫之后国家控制大气污染物排放的又一个重点。我国的氮氧化物排放和控制技术现状如何？
李俊华：近年来，我国大气环境保护工作取得了积极进展，随着我国电厂等脱硫装置的广泛应用，大气中SO2浓度及硫沉降均有所下降。
然而我国NOx排放总量却居高难下。2011年排放的NOx达到2400多万吨，其中燃煤排放NOx约占67%，成为最大来源。
国家“十二五”规划中明确提出未来五年内完成NOx总量减排10%的约束性指标，其中火电厂是控制关键。相关排放标准要求火电厂NOx排放浓度为100mg/Nm3，超低排放为50mg/Nm3，成为全球最严格的排
放限值。
目前，最有效的控制氮氧化物技术途径是氨气选择性催化还原（SCR）氮氧化物。不过这种技术在国内应用面临着很多问题。
首先是我国脱硝催化剂主要载体材料依赖进口，成本居高不下。载体材料占催化剂总重量的80%～90%，占催化剂总成本的60%以上。
其次，脱硝催化剂对煤种具有很大的敏感性，同样的催化剂在不同烟气条件下性能会有较大差异。国外的催化剂主要是针对国外的煤种进行设计开发的，对中国煤种的适应性比较差。我国煤种复杂，烟尘浓度远远高于国外，照搬国外技术极易造成催化剂塌陷中毒，出现“水土不服”问题。
同时，我国缺乏自主知识产权的脱硝工艺核心技术参数和软件包。对脱硝催化剂产品来说，产品的工程示范研究和验证是必不可少的。只有通过自主设计脱硝反应器和还原剂添加控制系统及流场模拟等，才能实现我国脱硝工程的广泛应用。
此外，废旧脱硝催化剂使用寿命约2.4万小时，如何实现老化中毒后的催化剂再生资源化利用，也是当前面临的棘手问题。
记者：是什么限制了国产脱硝技术的发展？
李俊华：早期载体原材料被国际上两大公司垄断，价格十分昂贵，导致燃煤电厂整体脱硝成本非常高，很大程度上制约了脱硝催化剂的规模化应用。
我国煤质地区差异较大，烟气排放特征复杂多变，普遍存在高硫高钙高灰的“三高”特征，国外催化剂对我国煤种的适应性比较差。流场分布不均易造成偏流堵灰和催化剂磨损加重等实际问题，也是影响高效脱硝的主要因素之一。此外，脱硝催化剂再生技术被国外少数厂家垄断，迫切需要研发自主产权的废旧催化剂再生技术。
记者：在项目研发过程中，团队的技术攻关主要在哪方面？
李俊华：选择性催化脱硝技术（SCR）是通过添加氨气将氮氧化物还原为氮气，脱硝催化剂是核心，流场均匀分布是催化剂高效脱硝的重要保障。
由于我国煤种复杂，烟尘浓度远远高于国外，照搬国外技术极易造成催化剂塌陷中毒。如果将SCR系统放在除尘甚至脱硫之后，则可以有效防止催化剂磨损和中毒，难题是如何实现中低温下高活性。此外，从催化剂到脱硝工程，研发自主知识产权的烟气脱硝工艺和关键装备，打破国外技术垄断，同样十分重要。
为了解决高强度抗磨损和高活性之间的矛盾，项目组发明了钛硅钛钨及钛硅钨等一系列复合氧化物载体和催化剂端口硬化技术，通过复合载体组分间的固溶和端口硬化实现了强度提高；此外引入负电中心，研发过渡金属耦合稀土改性的低钒脱硝催化体系，增强酸性位来提高活性。
经过大量深入研究，在关键载体、催化剂配方和脱硝工艺等方面取得突破，复合氧化物载体的B酸量提高2.9倍，保证了脱硝活性，同时抗压强度和耐磨性能也得到显著提高。
为了解决废旧催化剂中毒物高效去除和强度活性保持之间的矛盾，项目组发明了中性络合定向清除有毒元素技术，形成一系列中性络合清洗液。基于本发明再生液，团队发明了技术和经济性良好的再生工艺，再生后K、Ca、As等主要中毒元素去除率90%以上。再生效果的两个重要指标，通孔率和活性恢复值分别达到98%和96%以上。
为了解决流场均匀分布和保持压降阻力小之间的矛盾，团队发明了烟气与还原剂涡流混合背部喷氨装置，保证了烟气与还原剂氨气充分混合；发明了独特的等压力整流技术，保证流场分布均匀。
记者：与国外脱硝技术相比，这一技术在技术和经济上有哪些优势？
李俊华：首先在关键载体方面，相比国外单一钛白粉载体，这一技术具有一系列钛基复合氧化物载体，满足了国内外市场不同用户需求。
在脱硝催化剂方面，自主产权的高强度高活性双高脱硝催化剂在保证脱硝活性的同时，抗压强度和抗磨损性能显著提高，同时一定程度上抑制了二氧化硫氧化率和氨气逃逸率。
在废旧催化剂再生技术方面，拥有自主知识产权的中性络合再生技术比传统强酸清洗方法，更加环保。很大程度上避免了设备腐蚀、强度下降和活性组分流失。
在还原剂添加和脱硝流场方面，国外主流的噴氨格栅技术，在国内复杂烟气条件下可能会出现喷头灰堵。团队发明的涡流混合背部噴氨和整流技术，有效解决这一问题，使NH3/NOx摩尔比最大偏差约±5%。
团队还打造了从“载体-催化剂-再生-脱硝工艺”完整的脱硝技术创新产业链，实现了整个脱硝产业链的100%国产化，比引进国外技术初期，脱硝成本整体下降一半以上。
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