電力脫硝：國內(nèi)企業(yè)怎么攻下核心技術(shù)?
“藍藍的天上白云飄”，這是很多人對于空氣質(zhì)量優(yōu)良最直觀的感受。而現(xiàn)在的情況是，雖然空氣質(zhì)量優(yōu)良，卻看不到藍天白云，這與大氣中氮氧化物的污染有很大的關(guān)系。在環(huán)境保護部科技標準司組織的研討會上，與會專家一致認為，應該在不放松對二氧化硫控制的基礎(chǔ)上，加強對氮氧化物的控制，否則將大大削弱我國“十一五”期間二氧化硫削減10％的成果。
然而，一個更為現(xiàn)實的問題是，實施氮氧化物污染控制，國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)準備和技術(shù)儲備是否能夠跟上？對于低氮燃燒和煙氣脫硝技術(shù)，哪些已經(jīng)在國內(nèi)開始轉(zhuǎn)化為實用，哪些還處于引進吸收階段，哪些需要進行科技攻關(guān)，這些都需要進行梳理，為今后的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做好準備。
作為氮氧化物排放大戶，電力企業(yè)在煙氣脫硝方面進行了很多實踐。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會副秘書長王志軒提供的數(shù)據(jù)，截至2008年年底，超過2000 萬千瓦的煙氣脫硝機組已投運，絕大部分采用的是選擇性催化還原法(SCR法)。但是，國內(nèi)除個別環(huán)保公司自行開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脫硝技術(shù)外，絕大多數(shù)公司對煙氣脫硝技術(shù)尚處于引進、消化吸收和初步應用階段，對于SCR工藝系統(tǒng)設(shè)計等技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)尚未完全掌握。電力行業(yè)煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)化過程中，還有諸多問題需要解決。
裝在黑匣子里的催化劑設(shè)計技術(shù)
原料必須進口造成催化劑制造成本居高不下，催化劑生產(chǎn)是燒制高級陶瓷工藝品，但國內(nèi)很多企業(yè)在用燒磚的工藝生產(chǎn)
在煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)存在的眾多問題中，催化劑是最受關(guān)注的問題之一。目前，國際上電力行業(yè)煙氣脫硝主要有兩種方法:選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原。前者具有脫硝效率高(脫硝效率可以達到50％~90％，而后者脫硝效率為30％~50％)、系統(tǒng)簡單、運行維護方便、可靠性高、故障率低等優(yōu)點，這也是這項技術(shù)能夠得到普及的原因。
但是，SCR煙氣脫硝反應必須在催化劑的作用下才能進行。因為一般氨與氮氧化物的反應溫度在800~1100℃，加入催化劑后反應溫度可以降低到 300~420℃之間，與國內(nèi)一般電廠省煤器和空預器之間的煙氣溫度相符。催化劑也就成為SCR裝置中最為重要的部分，其初投資占SCR系統(tǒng)總投資的 40％~60％，而且屬于消耗品，需要定期更換，對電廠的運行成本有較大影響。在選擇方面，需要根據(jù)煙氣條件對催化劑進行選型。如果選型不當，容易引起磨損過快、堵塞、中毒等事故，給用戶造成經(jīng)濟損失。SCR裝置用的催化劑分為蜂窩式、板式和波紋板式3種，其中蜂窩式催化劑的應用最為廣泛，占全球SCR催化劑供貨總量的80％左右。
目前，我國的催化劑還主要依賴進口。王志軒說:“國內(nèi)雖已建立催化劑生產(chǎn)線，但僅指利用催化劑原料壓縮制作蜂窩狀、板式等形式的催化劑模塊。生產(chǎn)催化劑用的鈦白粉制作技術(shù)僅掌握在國外少數(shù)廠家手中，因此，原料必須進口，這也就造成了脫硝催化劑的制造成本居高不下。”
國內(nèi)已有多家企業(yè)的催化劑生產(chǎn)線已經(jīng)投產(chǎn)或者正在籌建過程中。據(jù)江蘇龍源催化劑有限公司的趙禹介紹，其公司的已投產(chǎn)產(chǎn)量為3000立方米/年，擴建后的產(chǎn)量可達到1.2萬立方米/年。根據(jù)他的預測，到2010年年底，全國催化劑總產(chǎn)能將達到5萬~8萬立方米/年，基本能夠滿足國內(nèi)市場要求。
趙禹說:“江蘇龍源引進的是日本觸媒化成的生產(chǎn)線，但是催化劑設(shè)計技術(shù)是裝在一個黑匣子里面的。”他也認為，原料國產(chǎn)化問題是當前的主要問題。催化劑所需要的主要原料是超細晶型鈦白粉，并在生產(chǎn)工藝中加入鎢、鋇、硅等成分，來提高產(chǎn)品熱穩(wěn)定性和成型性能，而這項技術(shù)目前國內(nèi)鈦白粉廠商并沒有完全掌握。
對于催化劑的生產(chǎn)，中國工程院院士郝吉明介紹說，美國75％以上的催化劑都是由康明泰克公司提供的，生產(chǎn)過程實施全程監(jiān)測，對操作工的精準化要求非常高，公司甚至對每個操作工存在的問題都有詳細記載，而且公司的科研人員要比操作人員還要多。
做出合格的催化劑產(chǎn)品對每一個廠都是挑戰(zhàn)，國內(nèi)企業(yè)紛紛上馬這一項目也讓很多專家擔憂。東南大學教授孫克勤說:“催化劑的生產(chǎn)是燒制青花瓷，不是燒磚，但很多企業(yè)都當作燒磚來做，產(chǎn)品質(zhì)量是否能夠保證？如果使用了質(zhì)量不好的產(chǎn)品，必將會造成很大的損失。”
很多企業(yè)都看到了國內(nèi)催化劑市場的潛力，但是遍地開花很難實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展。專家提出，鼓勵有實力、有市場、有技術(shù)的企業(yè)加快發(fā)展，有2~3家企業(yè)就可以滿足國內(nèi)市場的需求了。
對于如何實現(xiàn)國內(nèi)催化劑行業(yè)的健康發(fā)展，美國康寧公司商務(wù)總監(jiān)王劍波說:“目前國內(nèi)的采購形式不鼓勵企業(yè)進行研發(fā)。在目前的國內(nèi)采購中，一個原則是低價中標，另一個原則是指標性采購，也就是關(guān)注產(chǎn)品的脫硝效率、使用時間等，而業(yè)主不能判斷企業(yè)是否能夠兌現(xiàn)承諾。這樣，在競爭激烈的時候，就可能使得廠家競相壓價，甚至可能說謊。因為市場不能健康發(fā)展，催化劑企業(yè)的研發(fā)成本無法回收，企業(yè)也就無法開展研發(fā)工作。”對此，他建議，增強業(yè)主方的知識儲備，同時借鑒歐美電力企業(yè)在催化劑采購中的經(jīng)驗，關(guān)注催化劑本身的性能指標，鼓勵企業(yè)不斷去研發(fā)和進步。
煤種多變對低氮燃燒、煙氣脫硝造成了困難
應對典型煤種對氮氧化物排放和相關(guān)燃燒特性影響開展研究，催化劑生產(chǎn)的配方要個性化
我國的一次能源結(jié)構(gòu)決定了現(xiàn)在及未來相當長時期內(nèi)，燃煤火電(煤電)仍是我國發(fā)電裝機容量的主要組成部分。煤質(zhì)問題成為我國電站鍋爐運行中要面對的現(xiàn)實問題。
哈爾濱工業(yè)大學教授吳少華告訴記者，我國劣質(zhì)煤占據(jù)了電廠燃煤的重要份額。根據(jù)他最近對50個電廠91個煤種的統(tǒng)計結(jié)果，無煙煤占24.2％，貧煤占 15.4％，高灰分煤占16.7％。他說:“劣質(zhì)煤不僅燃燒的穩(wěn)定性不好，燃燒效率低，容易發(fā)生高溫腐蝕和結(jié)渣的問題，而且氮氧化物的排放很難控制。但是，煤炭供應緊張、煤質(zhì)變化頻繁又是很多電廠面臨的問題。”華能集團的代表在發(fā)言中提到，煤的問題是中國的國情，對低氮燃燒、煙氣脫硝等都造成了困難，也因為煤種的問題，很多技術(shù)在實際應用中不能得到充分發(fā)揮。
對此，吳少華建議，對典型煤種的煤質(zhì)特性和燃燒參數(shù)對氮氧化物排放和相關(guān)燃燒特性影響開展研究，并建立我國的數(shù)據(jù)庫。東南大學教授孫克勤認為:“煤種多變對于我國的催化劑生產(chǎn)也是一個挑戰(zhàn)。從國外引進的催化劑生產(chǎn)技術(shù)的軟件包中不一定有中國的煤種，或者煤種的數(shù)據(jù)不全。而催化劑生產(chǎn)的配方是要個性化的，以適應煤質(zhì)的變化。因此，盡可能多地搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，是非常重要的。”
由于產(chǎn)生機理與二氧化硫不同，氮氧化物的排放與煤質(zhì)特征、燃燒方式甚至司爐工的操作方式等因素都有重要關(guān)系。因此，控制氮氧化物的排放，不僅要關(guān)注煤質(zhì)問題，還要注重燃燒方式的選擇與改進，以及對于司爐工的培訓和考核。
脫硝工藝的選擇要根據(jù)當?shù)嘏欧乓蟠_定
脫硝效率和經(jīng)濟成本應二者兼顧
低氮燃燒技術(shù)具有投資與運行費用低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，且已在發(fā)達國家和我國新出廠發(fā)電機組上得到廣泛應用。因此，專家認為，低氮燃燒技術(shù)應作為我國火電廠氮氧化物減排的基本技術(shù)。在采用低氮燃燒技術(shù)后，機組的氮氧化物排放濃度仍達不到排放標準限值或光化學煙霧頻繁出現(xiàn)的環(huán)境敏感地區(qū)，應增設(shè)煙氣脫硝裝置。在煙氣脫硝技術(shù)的選擇上，有專家認為，廠家應綜合考慮減排要求、成本等多方面因素。
美國燃料技術(shù)公司的劉明輝說:“在國內(nèi)近幾年的脫硝工程實踐中，存在不管現(xiàn)場條件和減排要求，都選擇SCR的傾向。”選擇性催化還原具有脫硝效率高等優(yōu)點，但相應投資也會加大。
劉明輝以4×350MW機組的脫硝工程改造為例，來說明不同工藝選擇的成本問題。這一機組的初始氮氧化物濃度為800mg/Nm3，目標氮氧化物排放濃度為200mg/Nm3。如果采用低氮燃燒和SNCR，改造的初期投資為1.5億元左右；如果采用低氮燃燒和SCR(液氨作為還原劑)，改造的初期投資將超過3億元；如果采用低氮燃燒和SNCR/SCR混合工藝進行改造，初期投資在2.08億元左右。所謂SNCR/SCR混合工藝，就是把SNCR工藝的低成本特點同SCR工藝的高脫硝率進行有效結(jié)合的一種聯(lián)體的混合工藝，可以降低催化劑的使用量，與電除塵/布袋除塵相結(jié)合的電袋除塵技術(shù)類似。美國從上世紀90年代開始對這一工藝進行研發(fā)，其脫硝效率在50％~95％之間，一次投資介于SNCR和SCR之間。
由此可見，不同的工藝選擇，成本有很大的差異。劉明輝認為，脫硝工藝的選擇應該根據(jù)當?shù)氐呐欧乓髞泶_定，而不是一味地追求高脫硝率，經(jīng)濟性也是需考慮的。他認為，應該將各個工藝的利弊向業(yè)主說明，將選擇權(quán)交給業(yè)主。
確保建成工程真正運行，而不是上項目的敲門磚
加強監(jiān)管，對項目實行后評估，并制訂相應配套政策
“脫硝產(chǎn)業(yè)化要避免脫硫產(chǎn)業(yè)化過程中出現(xiàn)的教訓，比如低價中標、工程質(zhì)量問題等。”這是被專家多次提及的一個問題。據(jù)王志軒介紹，國內(nèi)煙氣脫硝工程建設(shè)也存在很多問題，“部分煙氣脫硝工程的建設(shè)具有盲目性，為了實現(xiàn)產(chǎn)能擴張，環(huán)保在很多地方是項目的敲門磚。缺乏系統(tǒng)性的脫硝工程設(shè)計、制造、施工、安裝、調(diào)試、驗收標準和規(guī)范。對于已建成脫硝工程的電廠，缺少必要的調(diào)研和評價，而對于煙氣脫硝裝置較高的運行費用，目前尚無電價政策的支持。”
郝吉明認為，應該保證已建成的煙氣脫硝工程正常運行，并建立相應的數(shù)據(jù)庫，因為這是我國電力企業(yè)煙氣脫硝工程現(xiàn)成的生產(chǎn)力，是提高技術(shù)水平的第一批試驗臺，也是將來實現(xiàn)技術(shù)升級的基礎(chǔ)。他說:“環(huán)保部門要對電廠煙氣脫硝設(shè)施的運行情況進行整體評估，環(huán)保公司也應該對自己的工程進行跟蹤和后評估，將這些工程真正變成自己的財富。同時，電力企業(yè)與環(huán)保公司應該聯(lián)合建立煙氣脫硝的示范廠，用樣本來帶動工作的開展。”
劉明輝提到，現(xiàn)在普遍存在工程建成試運行后不投運的情況，并沒有真正取得環(huán)境效益。這就使得相關(guān)部門在制定下一階段的法規(guī)、技術(shù)政策時缺乏參考和借鑒的經(jīng)驗，工程質(zhì)量的問題沒能得到充分的暴露和改進。另一方面，選擇液氨作為還原劑的諸多弊端無法呈現(xiàn)，這一重大危險源的潛在風險也就越埋越深。
專家認為，只有強有力的監(jiān)管，才能保證環(huán)保設(shè)施的正常運行，而建立有效的脫硝運行管理辦法也是非常必要的。同時，王志軒建議，國家應出臺鼓勵火電廠煙氣脫硝的經(jīng)濟政策，如排污權(quán)交易、脫硝電價等，保障技術(shù)與經(jīng)濟的平衡，以最小的成本換取最大的環(huán)境效益。
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