SCR脱硝催化剂检测与再生技术1231.docx
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SCR脱硝催化剂检测与再生技术1231
火电厂SCR脱硝催化剂检测与再生项目
可行性分析
武汉大学节能环保工业研究院
2014年12月31日
火电厂SCR脱硝催化剂检测与再生项目
可行性分析
1、项目背景
我国是世界上煤炭消耗量最大的国家。
煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）是产生二次气溶胶，导致空气污染（雾霾）的主要因素之一。
我国火力发电厂用煤占总用煤量的50%，脱除火力发电厂排出烟气中的氮氧化物对控制大气污染有重要意义。
因此，自2010年开始，我国火电厂开始大规模建设烟气脱硝工程。
到目前为止，全国已有70%火电厂建设了烟气脱硝装置；到2015年，根据环保部的要求，全国所有火电机组均须建设烟气脱硝装置。
我国火电行业的烟气脱硝工程大部分采用选择性催化还原工艺（SelectiveCatalyticReduction，SCR），其技术核心是SCR脱硝催化剂。
SCR脱硝催化剂的主要成份有V2O5、WO3和TiO2，其中，V2O5是活性组份，TiO2是催化剂载体，WO3则为催化助剂。
由于上述稀有金属氧化物价格昂贵，所以脱硝催化剂的市场售价经过几次降价后仍高达￥30,000～35,000元/m3。
一台600MW机组的脱硝工程约需500～600m3催化剂，总价在1,500～2,000万元之间，占整个脱硝工程总投资的1/3左右。
因此，脱硝催化剂的使用寿命是决定烟气脱硝系统运行成本的主要因素。
脱硝催化剂的使用寿命取决于其机械寿命和化学寿命。
机械寿命是指催化剂的结构和强度能够保证催化剂活性的运行时间，与催化剂的结构和脱硝装置的运行条件密切相关；催化剂的化学寿命是指在保证脱硝装置的脱销效率、氨的逃逸和SO2/SO3转化率的性能指标的前提下，催化剂的连续使用时间，与烟气成分和脱硝性能指标要求有关。
目前使用中的催化剂的机械寿命均在9年以上，而其化学寿命只有24000小时，相当于3年之内失活。
所以在催化剂的寿命管理环节中，再生工艺是延长催化剂使用寿命，降低脱硝系统运行费用有效途径。
一般情况下，脱硝催化剂的再生费用是更换费用的40～50%，可使烟气脱硝系统的运行费用降低30%以上。
脱硝催化剂的化学寿命24000小时，大约可以运行3年。
2012年之后投运的脱硝装置，其中的脱硝催化剂将在2015年之后逐渐失活，为延长脱销催化剂的使用寿命，这些催化剂需要再生。
所以脱硝催化剂再生市场将迅速形成。
但是，目前国内的脱销催化剂的再生技术尚不成熟，尽管做了一些尝试，但是成功率不高。
因此，失活脱硝催化剂的再生技术、催化剂性能检测技术的工业化应用对于脱硝系统的稳定运行，降低成本有重要意义。
2、SCR脱硝催化剂性能检测与再生技术
2.1技术发展现状
国内的大部分脱硝工程是在2010年之后建设的，且以2012年以后建设的居多。
截至2013年底，全国火电装机容量约8.8亿千瓦，其中已建设烟气脱硝工程的机组约6亿千瓦，运行SCR催化剂将达到50万立方米。
到2015年底，全国火电机组装机将达到近10亿千瓦。
运行SCR催化剂将达到80万立方米。
短短4年时间，全国的火电机组几乎都装上了烟气脱硝装置，其中使用的脱销催化剂的价值就达到300亿人民币。
脱销催化剂不但价格昂贵，且其运行和管理过程的技术要求高，需要大量专业技术管理人才。
但是在这么短的时间内，电力生产专业人员对于脱硝催化剂的性能以及运行管理技术了解不多，只能依靠供货商的技术服务维持运行。
在火电厂烟气脱硝工程大量上马的几年间，脱硝催化剂生产厂家大部分是引进国外技术和设备生产脱硝催化剂，缺少技术积淀，研发能力较差，没有成熟的技术支撑。
尤其是脱硝催化剂全周期寿命管理中的催化剂性能检测与再生技术尚处于发展阶段。
目前国内的催化剂性能检测在各省电科院、催化剂生产厂家均有开展，其机械性能和物理化学性能的测定较为成熟，但是对于工艺性能的检测大多数仅是在微型试验装置上进行，检测结果的代表性和准确性均较差，而检测结果的代表性和准确性均较好的中式试验装置在国内尚未普遍使用。
最近提出的《火电厂烟气脱硝催化剂检测技术规范（DL/T1286-2013）》，对推进催化剂性能检测技术的规范起重要作用。
2.2脱硝催化剂性能检测与再生技术的内容
⑴脱硝催化剂的检测与评估技术：
该项技术包括通过对运行中的脱硝催化剂的压降、脱硝效率、SO2/SO3转化率、NOx/NH3摩尔比和氨逃逸浓度等指标的定期检测和评估，分析催化剂失活的主要成因、确定催化剂再生的可行性、预测催化剂的潜能或寿命，制定脱硝系统运行和维护管理方案，提高脱硝系统的运行和催化剂的使用效率，延长脱硝催化剂的使用寿命；
⑵脱硝催化剂的再生技术：
该项技术通过化学和物理手段使已失活的脱硝催化剂恢复活性，并可以重新使用，从而达到延长脱硝催化剂使用寿命，降低脱硝系统运行成本的目的。
主要过程包括：
失活催化剂从脱硝装置中移出，去除脱硝催化剂表面的积灰，采用复合化学配方和外加物理作用协同清洗催化剂；采用稀有金属氧化物和稀土元素为主的酸性溶液修复催化剂活性；采用化学药剂清除再生过程残留的杂质；采用物理方式对催化剂进行干燥。
⑶废弃脱硝催化剂的回收利用技术：
该技术是把通过多次再生并重复使用之后，其机械寿命已达到极限的废弃催化剂的组分分离并回收利用，或者开辟废弃催化剂的新用途，避免废弃催化剂进入环境而导致环境污染。
3、SCR脱硝催化剂性能检测与再生项目的可行性分析
3.1开展脱硝催化剂性能检测与再生项目的意义
表1列出了近几年电力系统的总装机容量。
截至2013年底，全国火电装机容量约8.8亿千瓦，其中已建设烟气脱硝工程的机组约6亿千瓦，运行SCR催化剂将达到50万立方米。
到2015年底，全国火电机组装机将达到近10亿千瓦。
根据国家环保部要求，到2015年国内已运行和新建的所有火电机组必须全部安装烟气脱硝设施，运行SCR催化剂将达到80万立方米。
表1.中国电力系统总装机容量
年度
2012年
2013年
2014年
2015年
2016年
总装机容量（亿千瓦）
11.45
12.47
13.45
14.4
15.3
火电装机容量（亿千瓦）
8.3
8.8
9.21
9.56
9.92
前已叙及，目前市场销售的SCR脱硝催化剂的的机械寿命约为9年，化学寿命约为3年（24,000h）。
因此，2015年以后每年将有25万立方米以上脱硝催化剂失活。
最新颁布的《火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）》（2014年7月1日开始执行）实施了全世界最严厉的排放标准，要求所有火电机组排放烟气中氮氧化物（NOx）排放标准为：
二类地区低于100mg/Nm3，一类地区低于50mg/Nm3，特殊地区低于20mg/Nm3，则脱硝催化剂的化学寿命将缩短，每年失活催化剂将大于30万立方米（价值大于100亿元人民币），若作为危险废弃物处置不仅浪费稀有金属资源，而且将造成严重环境问题。
因此，脱硝催化剂性能检测与再生技术的应用，以及不能再生催化剂的处置技术的研究均具有重要意义：
⑴利用催化剂再生技术平衡脱硝催化剂机械寿命（9年）和化学寿命（3年）的差异，使脱硝催化剂的使用寿命与机械寿命持平，做到物尽其用；
⑵通过脱硝催化剂的物理化学性能和工艺性能检测评估脱硝催化剂的潜能和使用寿命，合理制定催化剂使用策略，为催化剂更换和机组检修的周期平衡提供依据，避免因脱硝催化剂失活导致的机组异常停机，或NOx超标排放；
⑶在定期检测催化剂技术指标的基础上，根据机组负荷和烟气条件制定合理的催化剂运行和维护方案，提高脱硝装置的脱硝效率，同时延长催化剂使用寿命，降低脱硝装置的运行成本；
⑷催化剂的成分均为稀有金属氧化物，价格昂贵，资源有限，且国家环保部已将失活催化剂归类为危险固体废弃物。
因此，失活脱硝催化剂的回收利用，可以避免环境污染和稀有金属资源的浪费。
3.2脱硝催化剂性能检测与再生项目的市场容量
除了火电厂每年失活催化剂30万立方米，环保部针对其它行业（化工、钢铁、水泥、玻璃和汽车等）也出台了较以前更加严格的氮氧化物（NOx）排放量标准。
这部分企业的脱硝催化剂需求量将逐步增加。
所以，SCR脱硝催化剂需要再生或资源化回收的催化剂数量将逐渐增加到每年50万立方米。
按目前催化剂再生的市场价格15000元/m3计算，仅SCR脱硝催化剂再生市场容量就达到75亿元/年，相关的催化剂性能检测和评价、催化剂生命周期管理技术咨询、废弃脱硝催化剂回收稀有金属等的市场将与催化剂再生市场的同步形成，其市场价值将大于催化剂再生的市场价值。
所以失活SCR脱硝催化剂检测、再生和资源化回收的市场价值将大于150亿元。
3.3技术可行性分析
⑴研究院与深圳市水苑水工业技术设备有限公司紧密合作，共同开发脱硝催化剂检测、再生和回收利用技术；
⑵深圳市水苑水工业技术设备有限公司拥有3项脱硝催化剂再生专利技术（2项实用专利，一项发明专利），韩国纳禄公司拥有1项脱硝催化剂再生专利技术和一项脱硝催化剂再生检测专利技术。
深圳市水苑水工业技术设备有限公司与韩国纳禄公司于2014年合资成立“水苑（深圳）环保科技有限公司”。
该公司拥有的技术是经德国、韩国十年实际生产应用验证有效、居于国际先进水平和国内领先水平的脱硝催化剂性能检测与再生技术及相应的成套生产设备，其中脱硝催化剂性能检测技术和设备符合如下标准很规范（是国内第一台按VGB标准设计制造的脱硝催化剂中式性能检测，目前国内西安热工院苏州分院有一台自行设计制造的同类装置）：
①欧盟VGB技术协会标准：
VGBR302He2ndedition（VGBPowerTechGuidelineforthe“TestingofDENOXCatalyst”）byVGBTechnicalAssociationofLargePowerPlantOperators,EU
②美国电力科学研究院规范：
ProtocolforLaboratoryTestingSCRCatalystsamplesbyElectricPowerResearchInstitute,USA；
脱硝催化剂再生工艺的技术指标如下：
①催化剂活性恢复到新催化剂的90%以上；
②再生催化剂使用时SO2/SO3氧化率<1%，NH3逃逸<3ppm；
③再生过程催化剂破损率<1%；
④催化剂再生后使用年限延长2.5年以上，催化剂重复再生次数≥2次。
⑶在技术研发方面，研究院、公司均与武汉大学密切合作，充分利用武汉大学学科齐全、技术力量雄厚的优势，融合化学分析、热能动力、材料、环保等多学科的专业理论和实践经验，使我公司拥有的脱硝催化剂检测与性能评估、脱硝催化剂运行和维护策略的制定、失活脱硝催化剂再生等技术具有坚实的专业理论和试验技术支持。
另外，研究院与合资公司共同研发的废弃脱硝催化剂回收利用技术采用的物理方法不产生二次污染，回收成本低于目前国内外普遍采用的的化学法回收利用技术，居于国际先进水平，为在几年后将大量产生的废弃脱硝催化剂的处理和处置提供了一条有效的途径，具有良好的应用前景。
3.4“脱硝催化剂性能检测与再生”项目建设规模
⑴按VGB标准建设的脱硝催化剂性能检测系统，其中中式反应器能检测截面为150mm×150mm，长度达1400mm的样品，烟气流量达到280Nm3/h；
⑵生产能力为10000m3/年的催化剂再生装置；
⑶全部工程将在2015年8月份之前完成。
4、脱硝催化剂再生设备和厂房投资估算
目前的设备按年再生能力10000m3设计，可以在固定工厂使用，也可以通过拖车移动到现场使用。
催化剂再生和检测设备投资见表2。
表2再生和检测设备投资
序号
项目
投资（万元）
备注
1
1座完整检测与再生实验室
1800
检测实验室按VGA标准建设。
2
1套定点再生装置
930
再生能力5,000m3/年。
3
1套移动再生装置
870
再生能力5,000m3/年。
另外，厂房建设投资约需500万（厂房面积1800m3，仓库500m3，办公用房400m3），流动资金900万，总投资5000万（不含土地购置费用）。
4.2成本与收益分析
4.2.1成本分析
以1台容量为600MW机组为例,使用脱硝催化剂数量约为500m3，全部再生一次的生产成本列于表4（实际上可能是分几次再生）。
表4成本与收益分析
序号
项目
费用（万元）
1
人工费
35
2
药品药剂消耗
65
3
运输费
18
4
催化剂再生前后检测评价费
22
5
水、电、气及催化剂装卸费
42
6
管理及营销费
80
7
税费
97
合计
349
4.2.2发电厂收益分析
目前脱硝催化剂价格为3.0～3.5万/m3，实际按3.0万/m3计算，失活脱硝催化剂的一次更换费用约为500m3×3.0万元/m3=1500万元。
一般情况下，失活脱硝催化剂的再生费用为1.5万/m3，即750万元。
根据上述情况，再生一次失活脱硝催化剂，在脱硝催化剂的使用寿命、脱硝效率基本相同的情况下，发电厂可节约费用750万元，催化剂再生实施单位的毛利润为401万元。
如果采用更换催化剂的方式，失活催化剂属于危险废弃物，其处置费用是很昂贵的（至少是5000元/m3），电厂的收益实际上是大于上述估算的。
运行成本的降低反过来促进脱硝工程的持续、稳定运行，对控制氮氧化物对大气环境的污染是有利的。
4.3企业效益分析
按投资规模10,000m3/a，实际再生量8,000m3/a，再生价格15,000元/m3，收益分析见表3。
表3.100000m3/a脱硝催化剂再生企业收益分析
序号
项目
金额（万元）
备注
1
销售收入（8,000m3）
12,000
1.5万元/m3
2
再生成本
5480
2.1
材料费
600
2.2
人工费
400
2.3
施工费
3000
2.4
检测费
500
2.5
其他费用
480
2.6
管理费
500
3
毛利润
6520
4
折旧费
400
按使用寿命10年计算。
5
实际利润
6120
另外，实验室是国内第一个完全按VGB标准建造的实验室，可以测定脱硝催化剂绝对活性。
目前国内类似装置检测样品的收费标准是10万/个。
若中式脱硝催化剂检测装置每年测定300个催化剂样品，即使按同样的标准收费，每年服务费用3000万，毛利润2000万，实际利润利润1500万。
根据上述分析，开展该项目的投资可在1～1.5年内回收。
4.4企业风险
该项目适用于燃煤电厂、钢铁、水泥、玻璃等行业的脱硝系统，目前国内正处于行业发展的起步阶段，其风险主要来自于市场占有率。
规避风险的途径除了我公司提供国内领先的技术外，实施企业在相关应用领域（燃煤电厂、钢铁、水泥、玻璃等）应有一定市场资源。
6、社会与环境效益分析
6.1社会效益
目前，SCR脱硝催化剂的市场价格为30,000～35,000元/m3，废弃催化剂处置价格尚没有形成，类比其他金属类废弃物，处置价格应在5,000～20,000元/m3之间，即催化剂更换价格范围为35,000～55,000元/m3之间；而失活催化剂再生价格在15,000元/m3左右，至少节约成本20,000元//m3。
所以，该项目的开展，每年为企业降低烟气脱硝处理工程的运行费用为2万元//m3×8,000m3=16,000万元。
运行成本的降低反过来促进脱硝工程的持续、稳定运行，对控制氮氧化物对大气环境的污染是有利的。
6.2环境效益
SCR脱硝催化剂的主要成分为稀有金属氧化物，是国家重要战略资源，采用再生工艺有利于减少稀有金属资源的消耗，符合清洁生产和保护环境的发展要求。
若这些失活催化剂不再生和资源化利用，每年30～50万立方米的稀土金属氧化物进入环境，这是环境无法承受的。
另外，目前尚没有成熟的废弃脱硝催化剂的资源化利用工艺，已有部分脱硝催化剂因失活而废弃。
这部分催化剂只能暂时储存在仓库等待再生和资源化利用技术成熟之后再处理，但是随着时间的推移，废弃催化剂的数量增长到无法使用仓库储存时，环境问题就产生了。
而脱硝催化剂的再生工艺的应用，可以把脱硝催化剂的使用寿命由目前的3年延长到8～10年，为废弃脱硝催化剂的资源化利用工艺的研发和成熟赢得5年时间，减轻了因脱硝项目的开展给环境造成的另一种污染压力。
7、合作模式
7.1研究院提供资源：
⑴脱硝催化剂检测与再生全套技术
⑵制造脱硝催化剂检测与再生成套设备；
⑶脱硝催化剂检测与再生从业人员的技术培训；
⑷脱硝催化剂检测与再生项目商业化运行过程的长期技术支持；
⑸脱硝催化剂检测与再生技术升级时，无偿提供最新技术；
⑹河北省和全国部分范围的市场资源；
⑹合作公司的少量管理人员。
7.2合作方提供资源：
⑴创办脱硝催化剂检测与再生技术合作公司的资金；
⑵具有局部区域或全国范围的市场资源；
⑶合作公司的主要管理人员。
7.3合作方式：
研究院和公司技术入股形式组建合作公司，股份比例根据具体情况确定。
8、建设周期
合作协议签订之后180天完成全部装置的制造与安装，调试需要30天，留出30天机动时间（厂房建设可以同步进行），即在各项工作顺利的情况下，建设周期240天。
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