电厂SCR脱硝系统上的催化剂.docx
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电厂SCR脱硝系统上的催化剂
电厂SCR兑硝系统上的催化剂
一、背景
我国目前氮氧化物的排放来自汽车、锅炉燃烧、工业生产等多方面。
其中2010年的统计数据表明，火电厂已
成为NOX排放的最大污染源，约占排放总量的39.6%。
不同的燃料对NOX排放量的贡献不同，在各种燃料中，燃煤是NOX产生的最大来源，占各种燃料对NOX排放总量的66.9%.
《国家环境保护“十一五”科技发展规划》中，电力行业脱硝被列入新型工业化过程中重点解决的环境科技问
题，氮氧化物（NOX）的控制技术和对策则被列入区域大气污染物控制重点解决的环境科技问题。
催化剂的生产属于环保产业，在对环保产业的发展上，国家给予了积极鼓励的扶持政策。
在《国家环境保护“十一五”科技发展规划》中，“鼓励企业自主开展和国际科技合作的科技发展计划项目”，《国务院关于落实科学发展
观加强环境保护的决定》中指示“积极发展环保产业”，“重点发展具有自主知识产权的重要环保技术装备和基础装备，在立足自主研发的基础上，通过引进消化吸收，努力掌握环保核心技术和关键技术”。
“推动环境科技进步”，“组织对污水深度处理、燃煤电厂脱硫脱硝、洁净煤、汽车尾气净化等重点难点技术的攻关，加强高新技术在环保领域
的应用”。
这些政策给环保产业创造了宽松的发展环境并指明了环保产业的发展方向，同时对如何建立催化剂生产线具有一定的指导作用。
对催化剂的需求源自氮氧化物的控制需求。
我国火电厂氮氧化物的排放控制刚刚处于起步阶段，随着国家标准的逐渐变严，越来越多的火电厂将面临着必须脱硝的严峻任务。
氮氧化物对人体健康和环境都有很大的危害。
对人体的直接危害最大的是N02,它能破坏呼吸系统，引起支气管炎和肺气肿。
对环境的危害主要是能够形成“光化学烟雾”，从而对生态系统造成损害并对人体健康造成间接损害，此外氮氧化物也是造成酸雨污染的主要物质之一，因此必须对氮氧化物的排放进行控制。
氮氧化物（NOx）是在燃烧工艺过程中由于氮的氧化而产生的气体，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，
破坏臭氧层，而且也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。
世界各地对NOx的排放限制要求都趋于严格，而火电厂、垃圾焚烧厂和水泥厂等作为NOx气体排放的最主要来源，其减排更是受到格外的重视。
目前全世界降低电厂锅炉NOX排放行之有效的主要方法大致可分为以下四种：
（1）低氮燃烧技术，即在燃烧过程中控制氮氧化物的生成，主要适用于大型燃煤锅炉等；低NOX燃烧技术只能降
低NOX排放值的30〜50%,要进一步降低NOX的排放,必须采用烟气脱硝技术。
（2）选择性催化还原技术（SelectiveCatalyticReduction,SCR,主要用于大型燃煤锅炉，是目前我国烟气脱硝技术中应用最多的；
（3）选择性非催化还原技术（SNCRSelectiveNon-CatalyticReduction，主要用于垃圾焚烧厂等中、小型锅炉，技术成熟，但其效率低于SCR法;投资小，建设周期短。
（4）选择性催化还原技术（SCR+选择性非催化还原技术（SNCR，主要用于大型燃煤锅炉低NOx排放和场地受限情况,也比较适合于旧锅炉改造项目
二、SCR简介
1、SCRX作原理
选择性催化剂还原法（SelectiveCatalyticReduction简称SCR指在一定的温度和催化剂的作用下，以液氨或尿素作为还原剂,有选择性地与烟气中的氮氧化物反应并生成无毒无污染的氮气和水。
该技术可使用液氨或尿素为脱硝还原剂。
SCR脱硝工艺采用催化剂使氮氧化物发生还原反应，反应温度较低（300〜450C）。
其方法是，将还原剂喷入
装有催化剂的反应器内，烟气通过催化剂与之产生化学反应进行脱硝。
此工艺的脱硝效率可达90%以上，是国内外
电厂应用最多，技术最成熟的一种烟气脱硝技术
2、SCF系统组成
SCR兑硝系统主要由烟气系统、脱硝反应器、还原剂制备系统、电气控制系统等几部分组成。
3、SCRX艺流程
1、燃煤锅炉烟气脱硝：
锅炉一＞省煤器一＞脱硝反应器一＞空预器一＞除尘脱硫装置一＞引风机一＞烟囱
2、工业窑炉烟气脱硝：
窑炉一＞余热锅炉前段一＞脱硝反应器一＞余热锅炉后段一＞除尘脱硫装置一＞引风机一＞烟囱
脱硝反应器通常设置在锅炉省煤器和空气预热器之间。
脱硝反应器入口与锅炉省煤器出口通过烟道连接，出口与空气预热器通过烟道连接，烟气由上至下垂直通过脱硝反应器催化剂层。
4、SCR反应过程
①主反应
NO+NO2+2NH3--＞2N2+3H2O
4NO+4NH3+O2—>4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2—>3N2+6H2O
②副反应
2SO2+O2—>2SO3
5、SCR勺技术特点：
SCF技术具有脱硝率高、氨逃逸低等显著特点，因此目前锅炉烟气脱硝措施中，由于SCR是最为成熟的商业性
NOx控制处理技术，国内更多是采用SCR脱硝技术。
但该技术也有着明显的缺点，就是投资巨大、运行费用高昂。
此外，SCF技术需要的反应温度为300C〜450C，在反应温度较高时，催化剂会产生烧结及（或）结晶现象；在反应温度较低时，催化剂的活性会因为硫酸铵在催化剂表面凝结堵塞催化剂的微孔而降低。
三、催化剂介绍
1组成介绍：
目前最常用的催化剂为V2O5-WQ（MoO3）/TiO2系列（TiQ作为主要载体、V2O5为主要活性成分）
目前SCR商用催化剂基本都是以TQ为基材，以V2O5为主要活性成份，以WO3、MOO3为抗氧化、抗毒化辅助成份。
化剂型式可分为三种：
板式、蜂窝式和波纹板式。
板式催化剂以不锈钢金属板压成的金属网为基材，将TiQ、V2O5等的混合物黏附在不锈钢网上，经过压制、锻
烧后，将催化剂板组装成催化剂模块。
蜂窝式催化剂一般为均质催化剂。
将TiO2、V2O5、WO3等混合物通过一种陶瓷挤出设备，制成截面为150mmX150mm,长度不等的催化剂元件，然后组装成为截面约为2macute;1m的标准模块。
波纹板式催化剂的制造工艺一般以用玻璃纤维加强的TiO2为基材，将WO3、V2O5等活性成份浸渍到催化剂的表
面，以达到提高催化剂活性、降低SO氧化率的目的。
2、发展简史
催化剂是SCF技术的核心部分，决定了SCR系统的脱硝效率和经济性，其建设成本占烟气脱硝工程成本的20%
以上，运行成本占30%以上。
近年来，美、日、德等发达国家不断投入大量人力、物力和资金，研究开发高效率、低成本的烟气脱硝催化剂，重视在催化剂专利技术、技术转让、生产许可过程中的知识产权保护工作。
最初的催化剂是Pt-Rh和Pt等金属类催化剂，以氧化铝等整体式陶瓷做载体，具有活性较高和反应温度较低的特点，但是昂贵的价格限制了其在发电厂中的应用
因此，从20世纪60年代末期开始，日本日立、三菱、武田化工三家公司通过不断的研发，研制了TiQ基材的催化剂，并逐渐取代了Pt-Rh和Pt系列催化剂。
该类催化剂的成分主要由V2O5（WO3）、FG2O3、CuO、CrOx、MnOx、MgO、M0O3、NiO等金属氧化物或起联合作用的混和物构成，通常以TiQ、AI2O3、ZrQ、SiQ、活性炭（AC）等作为载体，与SCR系统中的液氨或尿素等还原剂发生还原反应，目前成为了电厂SCR兑硝工程应用的主流催化剂产品。
3、催化剂材料的选型
催化剂型式可分为三种：
板式、蜂窝式和波纹板式。
三种催化剂在燃煤SCR上都拥有业绩，其中板式和蜂窝式较多，波纹板式较少。
催化剂的设计就是要选取一定反应面积的催化剂，以满足在省煤器出口烟气流量、温度、压力、成份条件下达
到脱硝效率、氨逃逸率等SCF基本性能的设计要求；在灰分条件多变的环境下，其防堵和防磨损性能是保证SCR设
备长期安全和稳定运行的关键。
85%以
在防堵灰方面，对于一定的反应器截面，在相同的催化剂节距下，板式催化剂的通流面积最大，一般在上，蜂窝式催化剂次之，流通面积一般在80%左右，波纹板式催化剂的流通面积与蜂窝式催化剂相近。
在相同的设计条件下，适当的选取大节距的蜂窝式催化剂，其防堵效果可接近板式催化剂。
三种催化剂以结构来看，板式的壁面夹角数量最少，且流通面积最大，最不容易堵灰；蜂窝式的催化剂流通面积一般，但每个催化剂壁面夹角都是90°直角，在恶劣的烟气条件中，容易产生灰分搭桥而引起催化剂的堵塞；波纹板式催化剂流通截面积一般，但其壁面夹角很小而且其数量又相对较多，为三种结构中最容易积灰的版型。
四、脱硝催化剂在电厂的应用的行业分析。
随着我国电力建设的迅速发展，大气和酸雨污染日益严重。
特别是近年来，大城市NOx污染严重，区域性NOx污染逐渐加剧；同时，酸雨污染呈现出新的特征：
NO-3的相对贡献在增加，由以硫型为主向硫酸和硝酸复合型转变。
其主要原因在于我国在控制SO2排放的同时并没有有效地控制NOx的排放。
2000年,我国对《环境空气质量标准》进行了修改，这次修改淡化了NOx的污染状况，导致放松和忽视了对NOx排放的控制。
目前催化剂在国内市场上供不应求，市场上供应的基本都是国外产品，国产催化剂的研究与应用刚刚开始。
SCR
系统资金投资大,一般都在数千万元的投入,其中催化剂的成本占脱硝工程总成本的40%左右。
基于脱硝催化剂在SCR
系统中的重要性及高回报率，催化剂生产成为烟气脱硝的一个重点，SCR催化剂具有很大的市场空间和良好的社会效
2000年4月29日第九届全国人民代表大会常务委员会第十五次会议修订通过的《中华人民共和国大气污染防治法》于2000年9月1日起施行。
其中第三十条明确规定“企业应当对燃料燃烧过程中产生的氮氧化物采取控制措施”。
第十三条规定“向大气排放污染物的，其污染物排放浓度不得超过国家和地方规定的排放标准”。
由于法律规定发电厂必须进行烟气脱硝，从法律上保证了烟气脱硝催化剂的市场。
火电厂多、市场较大资金、市场壁垒不以打破国家法律、政策支持市场竞争者较多火电目前是电力主要组成新兴能源日新月异。
2009年我国燃煤电厂的总装机容量已约为6.57亿千瓦，国家环保总局统计数据显示，2004年我国燃煤锅炉
NOX排放量为665.7万吨，预计到2010年，该值将达到850万吨左右，在这样巨大的排放量下，已投入脱硝运行和正在实施脱硝项目的电厂微乎其微，随着国家对环境保护和可持续发展的重视，脱硝方面的环境法规、标准将越来越严，因此脱硝行业面临着一个巨大发展潜力的市场，相应地催化剂生产也面临着一个良好的前景。
根据对国内已建成项目、实施中项目、拟建项目的调查统计结果，可以推算出国内催化剂市场的需求情况
中国火力发电厂脱硝催化剂需求总量及市场分析一览表
序
列
号
投资人
09年底装机容量及催
化剂总需求量
现有脱硝装置
未安装脱硝装置
投资人是否有催化剂
生产厂及其产能
装机容量
催化剂
装机容量
催化剂
装机容量
催化剂
（kw）
（m3）
（kw）
（m3）
（kw）
（m3）
1
国电集团
9000万
90000
1200万
12000
7800万
78000
江苏龙源催化剂有限
公司6000m3/年
2
华电集团
8500万
8500
800万
88000
7700万
7700
无
3
中电投集
团
7000万
7000
600万
600
6400万
6400
江苏龙源催化剂有限
公司6000m3/年
4
大唐集团
13000万
130000
1000万
10000
12000万
120000
无
5
华能集团
13000万
130000
1000万
10000
12000万
120000
无
6
国华集团
3000万
30000
500万
5000
2500万
25000
无
7
华润电力
1200万
12000
300万
3000
900万
9000
无
8
地方投资
电厂
7000万
70000
400万
4000
6600万
66000
无
9
大型企业
自备电厂
4500万
4500
300万
3000
4200万
42000
无
6.57亿
65.7万
6100万
6.1万
6.01亿
60.1万
无
目前火电脱硝工程造价在90元/KW左右，具体价格视机组容量大小、脱硝效率要求高低、钢材价格等因素有
异。
在此，我们假设脱硝工程造价与现有价格一致。
火电新增装机容量假设：
2008年我国火电装机容量为6.01亿
千瓦，我们采用行业专家的预期，假设到2010、2015年我国火电装机容量分别增加至7.2、10.7亿千瓦。
也就是说，未来5年新增装机容量3.5亿KW左右，平均每年7000万KW。
根据目前重点地区火电装机容量48%的占比，假设重点地区未来5年新增装机容量为1.68亿KW,平均每年3360万KW。
各地区火电建设脱硝装置的比例假设：
根据新标准征求意见稿，2015年1月1日前，重点地区建设脱硝装置的机组比例要达到100%。
虽然征求意见稿对其他
地区建设脱硝装置没有强制性要求，但是考虑到其他地区某些省份或者城市，为了形象或者环评顺利或者环保意识增强，会有主动建设脱硝装置的情况，假设这种情况出现的比例为20%。
截止2008年底，全国只有近2000万KW的脱硝机组投运，仅相当于2008年末火电机组装机容量的3.33%。
由于2009年最新数据还没有出来，这里我们估算，目前我国火电脱硝机组为4000万KW,其中重点地区火电脱硝机组为2000万KW,分别占现有机组的6.34%6.59%。
根据基本假设，未来5年，重点地区现役未建设脱硝装置的火电机组，将带来255亿元的脱硝市场容量，平均每年51亿元；其他地区将带来55亿元的市场容量，平均每年11亿元；全国来看，将带来311亿元的市场容量，平均每年62亿元。
综合现役机组和新增火电机组脱硝市场容量分析，未来5年，火电脱硝市场容量为494亿元，平均每年99亿元。
根据基本假设，未来5年，重点地区现役未建设脱硝装置的火电机组将带来92亿元、23万立方米的SCR兑硝
催化剂市场，平均每年18亿元、4.6万立方米；其他地区，将带来20亿元、5万立方米，平均每年4亿元、1万立方米；全国来看，将带来112亿元、28万立方米，平均每年22亿元、5.6万立方米。
未来5年，重点地区新增火电机组将带来54亿元、13.6万立方米的SCF脱硝催化剂市场，平均每年11亿元、2.7万立方米；其他地区，将带来12亿元、2.9万立方米，平均每年2亿元、0.6万立方米；全国来看，将带来66亿元、16.6万立方米，平均每年13亿元、3.3万立方米。
综合考虑现役机组和新增火电机组脱硝催化剂市场容量的分析，未来5年，火电机组有望带来178亿元、44.5万
立方米的SCR兑硝催化剂市场，平均每年36亿元、8.9万立方米。
比较脱硝和SCR兑硝催化剂市场容量数据，我们可以发现，未来5年脱硝市场容量中，36%左右是SCR兑硝催化剂市场
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