企业研究开发项目设计书
项目名称：废旧脱硝催化剂再生及资源化利用技术的研究
项目负责人： 电话
项目起止时间：2019年01月至2019年12月
填报日期2019年1月5日
一、立项依据
1．国内外现状、水平和发展趋势；
在我国，燃煤电厂是产生NOx的主要固定源。目前我国雾霾仍普遍存在，环境污染矛盾突出，必须加强生态环境保护，下决心硬措施完成硬任务。选择性催化还原（SCR）脱硝技术运行费用低、脱硝性能好、占地面积小，是目前应用最为广泛的燃煤电厂氮氧化物（NOx）排放控制手段。
SCR脱硝技术的核心在于脱硝催化剂，脱硝催化剂的性能好坏直接影响整体脱硝效果，催化剂初装费用占脱硝系统总投资的40~50%。钒钛系催化剂是现有燃煤机组的主流商用催化剂，其化学寿命一般为24000h，机械寿命为8-10年。催化剂化学组分主要为TiO2、V2O5和WO3，其中TiO2为载体，V2O5为主要活性组分，而WO3为助活剂，一定量的WO3不仅会提高催化剂活性，拓宽催化剂的反应温度窗口，而且会提高催化剂的抗中毒能力。另外，实际运行过程中催化剂的活性成分V2O5还会使烟气中SO2转化化成SO3，从而和还原剂NH3发生反应生成具有粘性的硫胺氢盐，进而造成催化剂及脱硝系统下游设施的堵塞。催化剂长期运行时，由于暴露于高粉尘、碱金属及重金属的烟气中，催化剂会随着运行时间的增加而逐步失活。催化剂失活是一个复杂的化学和物理过程，失活主要包括沾污、堵塞、中毒和烧结等，而催化剂中毒又是造成催化剂失活的主要原因，中毒主要是由于烟气成分、颗粒物或飞灰成分吸附在催化剂活性位，或与催化剂组分发生化学反应，导致活性位的活化能力下降。在使用过程中，失效SCR催化剂将烟气中粉煤灰吸附在表面，而粉煤灰中含有一定量的危险重金属如铬、汞等，并且作为催化剂的活性组分和助剂，V2O5、WO3也是有毒金属氧化物。我国废旧SCR催化剂每年产量巨大，鉴于钒钛系废烟气脱硝催化剂中V2O5所具有的毒性及烟气中所含重金属等物质对环境造成的二次污染，因此被确定为危险废物（HW50）。
废催化剂的主要成分V2O5、WO3、TiO2等作为金属氧化物，具有巨大的资源回收价值，同时物理及化学状态良好的废催化剂通过再生，能够再次进行使用。因此针对收集的废烟气脱硝催化剂（钒钛系），应以再生为优先原则。而因破碎、再生效果不好等原因而不能再生的废烟气脱硝催化剂（钒钛系），应尽可能资源化回收再利用。
2．项目研发的目的、意义；
燃煤电厂煤炭燃烧的过程中会释放出大量的氮氧化物（NOx），从而导致雾霾、酸雨等现象的产生,严重危害生态环境和人类健康。选择性催化还原（SCR）烟气脱硝催化剂是目前应用最为广泛的脱硝催化剂，但由于实际运行过程复杂，其实际使用寿命仅为3年左右。我国废催化剂产量巨大，加之我国对于保护环境、节约资源理念的贯彻，同时其自身属于危害固体废弃物，不能对废弃物随意丢弃或填埋，因此必须对其进行妥善处置。
江苏峰业科技环保集团股份有限公司作为国内首家掌握脱硝催化剂的民营企业，在脱硝催化剂领域拥有得天独厚的技术以及市场优势。通过本项目的研发，能够进一步完善我司脱硝催化剂产品线，组成了以蜂窝脱硝催化剂、板式催化剂以及催化剂再生及资源化利用为主的脱硝催化剂产品线。通过对废旧脱硝催化剂再生及资源化利用技术的研究，完美诠释了公司“致力绿色科技，缔造碧水蓝天。”的发展理念。
本研发项目的特征是以资源化、无害化为目的，全面解决废脱硝催化剂带来的浪费资源、污染环境的问题。项目的实施为废弃SCR催化剂再生及资源化回收利用提供了一条新途径，即可避免资源的无端浪费，又可避免生态环境的破坏，必将产生十分重要的环境效益、经济效益和社会效益。
3．本项目达到的技术水平及市场前景
科学水平：
本项目研发“燃煤电厂高效湿法烟气硫氧化物脱除技术”，本技术将达到世界领先水平。本项目将废旧催化剂再生、资源化利用与生产新SCR脱硝催化剂有效的进行统一，对可再生的SCR废旧催化剂,通过活性成分植入、焙烧活化等工序获得再生催化剂;对不可再生的SCR废旧催化剂，先对其进行清洗和粉碎，再通过负载练泥、蜂窝成型、切割烘干、焙烧活化等一系列工序生产新鲜催化剂。再生后催化剂活性恢复到新催化剂的90%，再生催化剂及新鲜催化剂的各项指标均远高于催化剂国标的要求。
项目的实施为废旧SCR催化剂资源化回收利用提供一条新途径，既可避免高价值金属资源的无端浪费，又可避免如钒等重金属元素对生态环境产生破坏，具有重要的科研价值和社会效益。
市场前景：
我国电力行业脱硝市场启动，SCR技术由于效率高、选择性好以及稳定可靠，一直被用作燃煤电站尾气脱硝处理的首选。随着脱硝系统的广泛应用，我国固定源NOx减排取得明显成效，氮氧化物排放总量也得到一定控制。但催化剂的大面积投入也不可避免带来一系列问题。据统计，据统计，截止2015年底，我国火电机组的装机容量将为9.6亿千瓦，且燃煤电厂的脱硝催化剂用量也将高达60-80万立方。按照脱硝催化剂24000小时的运营寿命计算，两三年后催化剂将面临失活需要更换，因此每年都会产生大量的废催化剂。而废脱硝催化剂(钒钛系)属于HW50类危险废物，如何有效处理废脱硝催化剂一直是行业的痛点。因而开展废旧脱硝催化剂再生及资源化利用技术的研究，拥有强大的市场需求与广阔的市场前景。
一般在电厂运行费用中，脱硝催化剂和氨消耗一直是主要成本，如果开发出低成本、高效、环境有益的再生及资源化回收利用技术，有利于节约原材料，实现金属资源的循环再利用，同时又大大降低国内SCR脱硝运行成本，市场应用前景广阔。
二、研发内容和目标
1．项目主要内容、目标及关键技术；
（1）主要研究内容
公司通过市场调研、催化剂失活原因分析及催化剂再生模拟实验等探索工作，针对可逆失活、整体结构基本完整的脱硝催化剂，采用直接再生技术进行处理，经再生处理后得到再生脱硝催化剂；针对不可逆失活、结构不完整的脱硝催化剂块体或碎片，采用粉碎后重新成型的间接再生方式处理，从而实现废催化剂的回炉重造。最终，形成一条集再生利用、资源化回收利用技术。
（2）项目目标
本项目的最终目标是成功研发废旧脱硝催化剂再生及资源化利用技术，最终完成工程化应用并推广到市场上。
(针对可逆失活、整体结构基本完整的脱硝催化剂，系统研究不同失活类型的催化剂再生方法及再生液配方，实现催化剂表面有害成分的定向清除，通过活性物种负载量、形态、分布的精确控制，极大程度恢复废旧脱硝催化剂性能、延长使用寿命。
(针对不可逆失活或结构不完整的脱硝催化剂块体，通过破碎、清洗、研磨，并与二氧化钛、三氧化钨、玻璃纤维、五氧化二钒混合，使无法继续使用的废旧SCR催化剂变成新鲜催化剂生产中的一种材料，得以实现循环再利用。
(建立起一套完整而又科学的废旧脱硝催化剂评价机制。通过对废催化剂的结构、成分、活性及物化性能参数的测量与评价，确定废催化剂的处理方式。
(形成完整的废旧催化剂再生工艺及设备、资源化利用工艺及设备，并对应取得发明专利2-3项，实用新型专利3-6项。
（3）关键技术
①通过物理、化学表征手段探究造成V2O5-WO3/TiO2催化剂失活原因，系统研究总结脱硝催化剂的中毒机制与类别，确定废旧脱硝催化剂再生的可行性，针对催化剂失活的原因，选择相应的处理方案；
②对可再生的废旧SCR催化剂，系统研究了不同失活类型的催化剂再生方法及再生液配方，研发中毒物种的定向再生清洗技术，对催化剂表面有害成分的定向清除，提升催化剂的脱硝性能，开发废旧SCR催化剂再生工艺和成套装备，从而实现脱硝催化剂在清洗过程中清洗效果的提升，能够有助于后续催化剂的再生，保证催化剂再生的效果。
③对不可再生的废旧SCR催化剂，经预处理后，尽可能恢复载体（TiO2）的微观孔隙结构，分离去除废旧催化剂中的有害或无效杂质，促使回用载体达到或接近新鲜粉体，通过负载练泥、蜂窝成型、切割烘干、焙烧活化等一系列工序生产新催化剂。
通过上述关键技术实施，实现废旧脱硝催化剂“生产-再生-回收”绿色循环，将是经济和环境效益最高的技术路线。
2．技术创新之处
（1）以运行后失活的蜂窝状SCR脱硝催化剂和新鲜催化剂为研究对象，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、氮气吸附脱附、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线荧光光谱（XRF）等手段对2种催化剂的表面形貌、晶体结构、孔隙分布、物质组成进行表征，分析其失活原因。基于催化剂失活机理和精准诊断技术，建立面向燃煤电厂的催化剂全寿命精细化管理模式；
（2）对可再生的SCR废旧催化剂，系统研究不同失活类型的催化剂再生方法及再生液配方，实现活性物种负载量、形态、分布的精确控制，采用非选择性和选择性活性植入技术，向催化剂表面补充活性成分，得到强度和脱硝活性等性能满足要求的再生脱硝催化剂。与此同时，设计开发与再生技术相适应的自动化水平高、节能水平好的高效再生装备；通过对废弃的SCR脱硝催化剂进行清洗、干燥、粉碎、溶解和过滤制备获得含钨酸钠和钒酸钠的高活性再生液，采用再生液对失活催化剂进行再生，具有再生效果好、SO2/SO3转化率低、再生成本低等特点。
①通过对废弃的SCR脱硝催化剂进行清洗、活化、干燥，使用该再生液再生后的催化剂活性可恢复到原活性的97%以上，并且SO2/SO3转化率小于1%；
②采用特定组成和配比的清洗液，可以充分清除黏结在催化剂上的使催化剂中毒的碱金属和碱土金属，有效避免其对后续过程的不利影响，有助于失活催化剂活性的恢复；
③再生后的催化剂具有较好的抗毒性能，从而提高再生后催化剂的使用寿命。通过选取活性恢复液、抗毒抑制液及清洗液进行混合，可对失活催化剂进行再生，并且具有再生效果好、SO2/SO3转化率低等优点，并且该再生后的催化剂具有较好的抗毒性能，从而提高再生后催化剂的使用寿命。
（3）针对不可逆失活、结构不完整的脱硝催化剂块体或碎片，研发脱硝催化剂间接再生技术，将废旧催化剂预处理技术和催化剂生产技术有机的结合，开发出相应的资源化利用的工艺和成套装备，实现资源化回收再利用。SCR脱硝催化剂制备工艺简单，所制备的催化剂具有良好的活性和抗磨蚀性能，使用寿命长，降低了催化剂的生产成本；催化剂在混炼过程中，采用分段搅拌的方式，控制混炼料的熟化温度、含水量、PH值，从而保证混炼料的塑性。
3、主要技术指标
（1）再生后脱硝催化剂活性可恢复到原始活性的97%以上，SO2/SO3<1%，氨逃逸率在3ppm以内，使用寿命不低于20000小时。再生催化剂各项指标完全达到烟气脱硝的工艺要求，市场应用前景广阔；
（2）对不可再生的SCR废弃催化剂，将其制成可用于新脱硝催化剂生产的钛钨钒粉，作为SCR催化剂原材料满足制备新脱硝催化剂技术指标，制备新脱硝催化剂符合《烟气脱硝催化剂检测技术规范(GB/T38219—2019)》的要求。
三、现有研发条件和工作基础[承担单位开展本项目的优势（人才、设施等条件）
1、承担单位开展本项目的优势（人才、设施条件）
国内最早从事于脱硝催化剂研发、生产的民营企业，是全球产能位列前列、品类齐全的SCR脱硝催化剂研发、生产和再生基地。目前脱硝催化剂远销海外，广泛应用于钢铁行业、焦化行业、垃圾焚烧、水泥窑炉等非电行业。
公司拥有研发人员100余人，其中2位博士专职从事于脱硝催化剂的研发、再生及资源化利用技术的开发。公司建有省级企业院士工作站，省级企业技术中心、省级企业研究生工作站等平台，与浙江大学、东南大学、华北电力大学、韩国NANO株式会社等科院院所建立了长期合作关系，研发及检试验设备约1500万元。
公司建有通过CNAS认证的专业脱硝催化剂研发与检测实验室，能够开展如催化剂成分检测、催化剂抗压性能检测、催化剂表面积测定、原材料测定以及催化剂活性中试测试。拥有SCR脱硝催化剂活性评价装置SO2氧化率实验装置、离子色谱仪、激光粒度仪、X-荧光光谱仪
目前公司已经对多个不同的项目的废催化剂进行了取样，并对现场运行情况及工况条件进行了调研。同时对部分废催化剂样品进行了检测分析，已经初步掌握了废催化剂的结构特点、物理化学性能、中毒及失活原因等。
四、计划进度（包括总的研究期限、年度计划进度以及已经取得的阶段成果）
2019.1-2019.2
通过市场调研、文献资料查阅及对外技术交流，编写可行性研究报告、立项、制订完成开发任务的实施计划。
2019.3-2019.4
全面、系统地掌握我国复杂燃煤条件和全负荷脱硝下催化剂中毒诱因和失活机理，创建脱硝催化剂信息管理大数据平台和智能诊断技术。
2019.5-2019.8
针对可逆失活、整体结构基本完整的脱硝催化剂，系统研究催化剂再生的工艺和配方，并相应设计开发自动化水平高、节能水平好的高效再生装备，使再生催化剂各项指标符合国家相关要求。
2019.9-2019.12
针对不可逆失活、结构不完整的脱硝催化剂块体或碎片，研发脱硝催化剂间接再生技术，将废催化剂预处理技术和催化剂生产技术有机的结合，保证回用载体达到或接近新鲜粉体的指标，并开发与之相适应的配方设计与生产工艺，保证所制备新鲜脱硝催化剂的品质。
五、经费预算
项目预计总经费295万元。
项目经费支出预算表
单位：万元
科目 预算额 1、直接从事研发活动的本企业在职人员人工费 130 2、研发活动直接投入的费用 155 3、折旧费用与长期待摊费用 5 4、设计费 0 5、装备调试费 0 6、专门用于研发活动的无形资产摊销费 0 7、勘探、开发技术的现场试验费 0 8、研发成果论证、鉴定、评审、验收费 0 与研发活动直接相关的其他费用 5 合计 295
六、研究开发项目组人员名单
姓名 性别 学历 专业 职务(职称) 本项目中承担工作 机械制造工艺及设备 高级工程师 项目负责人 生产过程自动化技术 工程师 研究人员 土木工程 工程师 研发人员 道路桥梁工程技术 工程师 研发人员 机械制造工艺及设备 工程师 研发人员 过程装备与控制工程 工程师 研发人员
七、立项审批意见
审批组：
审批日期：
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