scr脱硝催化剂检测与再生技术-20141231

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 1 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 (Selective Catalytic Reduction，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、WO 3 和 TiO2，其中，V 2O5 是活性组份，TiO 2 是催化剂载 体，WO 3 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￥30,00035,000 元/m 3。一台 600MW 机组 的脱硝工程约需 500600m 3 催化剂，总价在 1,5002,000 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 4050%，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。 3 2.2 脱硝催化剂性能检测与再生技术的内容 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、SO 2/SO3 转化率、NOx/NH 3 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； 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。 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（24,000 h） 。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： 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； 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； 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； 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/m 3 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 5 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 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； 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）： 欧盟 VGB 技术协会标准：VGB R 302 He 2nd edition(VGB PowerTech Guideline for the “Testing of DENOX Catalyst”) by VGB Technical Association of Large Power Plant Operators, EU 美国电力科学研究院规范：Protocol for Laboratory Testing SCR Catalyst samples by Electric Power Research Institute, USA； 脱硝催化剂再生工艺的技术指标如下： 催化剂活性恢复到新催化剂的 90%以上； 再生催化剂使用时 SO2/SO3 氧化率1% ，NH 3 逃逸3 ppm ； 再生过程催化剂破损率1%； 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。 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 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 150mm150mm，长度达 1400mm 的样品，烟气流量达到 280Nm3/h； 生产能力为 10000m3/年的催化剂再生装置； 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 1800 m3，仓库 500 m3，办公 用房 400 m3） ，流动资金 900 万，总投资 5000 万（不含土地购置费用） 。 7 4.2 成本与收益分析 4.2.1 成本分析 以 1 台容量为 600 MW 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 3.03.5 万/m 3，实际按 3.0 万/m 3计算，失活脱硝 催化剂的一次更换费用约为 500 m33.0 万元/m 3=1500 万元。 一般情况下，失活脱硝催化剂的再生费用为 1.5 万/m 3，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/m 3） ，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/m 3， 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（8,000m 3） 12,000 1.5 万元/m 3 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 11.5 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 30,00035,000 元/m 3，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 5,00020,000 元 /m3 之间，即催化剂更换价格范围为 35,00055,000 元/m 3 之间；而失活催化剂 再生价格在 15,000 元/m 3 左右，至少节约成本 20,000 元/m 3。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/m 38,000m3= 16,000 万元。 9 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