尿素熱解制氨關鍵技術及產(chǎn)業(yè)化東南大學

.2018年國家技術發(fā)明獎提名項目公示內(nèi)容一、項目名稱：尿素熱解制氨關鍵技術及其產(chǎn)業(yè)化二、提名單位意見：大氣污染物治理一直是環(huán)境保護領域的重點,其中氮氧化物的安全高效脫除是一個難點。該項目通過系統(tǒng)研究,掌握了尿素熱解制氨核心參數(shù),開發(fā)了獨立的工藝計算軟件包,發(fā)明了尿素熱解制氨裝置,形成了尿素熱解制氨關鍵技術,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。該項目打破了國外技術壟斷,作為自主知識產(chǎn)權技術,有效降低了國內(nèi)應用煙氣脫硝工程的成本,促進了國內(nèi)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。項目獲得了多項原創(chuàng)性成果,技術經(jīng)濟指標先進；獲授權發(fā)明專利10項,實用新型專利8項。項目成果作為一種先進的在線制氨技術,可以在多個領域進行液氨脫硝替代,應用前景廣闊。成果已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并應用于煙氣脫硝、除塵等工程。項目獲得了媒體、同行和用戶的高度評價,取得了較大的經(jīng)濟和社會效益。該項目于2015年獲北京市科學技術獎二等獎,對照國家技術發(fā)明獎授獎條件,提名該項目申報2018年國家技術發(fā)明獎二等獎。提名單位：北京市科委。三、項目簡介：大氣污染物治理一直是環(huán)境保護領域的重點,其中氮氧化物的安全高效脫除是一個難點。傳統(tǒng)方法采用液氨為原料,產(chǎn)生氨氣作為減排氮氧化物的還原劑。但是液氨屬于危險化學品,超過10t即為重大危險源,其在運輸、儲存和使用時都有可能發(fā)生危險,國內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生過多起液氨事故,造成重大人身傷亡。采用尿素為制氨原料可以達到與液氨相同的脫硝性能,無毒且使用安全。尿素脫硝技術可作為一項普遍適用的氮氧化物治理技術應用于大氣環(huán)保領域。但長期以來,尿素熱解制氨技術被國外所壟斷。因無有效競爭,致使國內(nèi)采購尿素熱解制氨裝置的費用一直居高不下,還要交納高昂的技術使用費,其價格很大程度上決定著煙氣脫硝工程造價,制約著國內(nèi)煙氣脫硝工程的實施。在此背景下,中國大唐集團公司統(tǒng)籌規(guī)劃,大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司具體牽頭,聯(lián)合東南大學、大唐XX熱電有限責任公司組成產(chǎn)學研合作團隊,對尿素熱解制氨關鍵技術進行了自主攻關。項目從"基礎理論"、"小型試驗"、"中試試驗"、"計算機CFD模擬"、"示范工程"和"商業(yè)化應用"六個方面進行研究,掌握了尿素熱解制氨核心參數(shù),開發(fā)了獨立的工藝計算軟件包,發(fā)明了尿素熱解制氨裝置,形成了尿素熱解制氨關鍵技術,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。項目獲授權發(fā)明專利10項,實用新型專利8項。主要技術發(fā)明點如下：1提出了一種尿素熱解反應中引導氣流形成二維流場的方法,發(fā)明了一種尿素熱解反應器裝置。通過特殊的流場結構,可以防止尿素溶液粘避結晶,霧化分解效率高。2揭示了尿素溶液熱解傳熱傳質過程,定性定量得出了能量條件,開發(fā)了物料及能量平衡計算軟件,通過了多套工程的驗證,完全可以指導實際工程應用。3發(fā)明了逆流式尿素熱解制氨裝置及方法；發(fā)明了蝸殼進氣旋流式尿素熱解制氨裝置及方法；發(fā)明了切圓進氣式尿素熱解制氨裝置。實現(xiàn)了多種尿素熱解制氨技術方案的聯(lián)合應用,提高了適用性。4揭示了尿素溶液液滴在熱解爐內(nèi)部的時程關系和運動規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了熱解爐內(nèi)循環(huán)回流區(qū)的存在,提出了避開內(nèi)循環(huán)回流區(qū)的方法,解決了尿素溶液回流的問題。得出了尿素熱解轉化率數(shù)據(jù)：尿素溶液從噴入熱解爐開始,在1s內(nèi)有90%以上轉化為氨氣,在2s內(nèi)有96%以上轉化為氨氣,在4s內(nèi)可以達到接近100%的轉化率。項目打破了國外技術壟斷,成果已經(jīng)獲得了9套應用,有效降低了國內(nèi)采購成本,取得了較大的經(jīng)濟和社會效益。成果先后獲得科技日報和IEEE SPECTRUM科技縱覽的報道。四、客觀評價：1.成果鑒定：20XX9月2日,中國電機工程學會在北京組織召開了項目成果鑒定會："項目研究取得諸多創(chuàng)新成果,形成具有自主知識產(chǎn)權的尿素熱解制氨成套技術,通過了工程驗證,技術達到國際先進水平"。中電機鑒2014第111號,附件2.8-1、附件2.8-2、附件2.8-32.檢測報告：根據(jù)"大唐XX熱電有限責任公司5號機組煙氣脫硝裝置性能試驗報告",報告顯示：在入口Nox濃度達到設計值時,出口Nox濃度小于設計值,并且尿素耗量小于設計值,符合設計要求。附件2.9-1、附件2.9-23.同行評價IEEE SPECTRUM科技縱覽雜志于2016年5月刊登了項目成果,并給予了評價：積極實現(xiàn)關鍵技術產(chǎn)業(yè)化,提升自主知識產(chǎn)權技術的市場占有率,提高重大科技成果的轉化能力。附件2.10-1、附件2.10-2、附件2.10-34.媒體報道2015年11月12日,科技日報對項目成果進行了報道,指出"通過不斷的科技開發(fā)和應用,項目研制的尿素熱解制氨技術已經(jīng)轉化為成熟可靠的商業(yè)化技術,為我國的脫硝環(huán)保行業(yè)注入自主創(chuàng)新技術,為祖國的節(jié)能減排作出貢獻,形成良好的社會效益。"附件2.115.獲獎情況：項目部分成果獲得2015年度北京市科學技術獎二等獎；20XX度首屆中國電力創(chuàng)新獎二等獎。附件2.12、附件2.136.典型用戶評價項目示范工程應用單位"大唐XX熱電有限責任公司"對項目成果應用作出完整評價如下：大唐XX熱電有限責任公司2x320MW5號亞臨界機組,脫硝裝置使用選擇性催化還原法SCR,采用尿素熱解法制備脫硝還原劑。在設計煤種、鍋爐BMCR工況、處理100%煙氣量條件下,性能試驗期間,在入口Nox含量在500mg/Nm3時,脫硝總效率大于86%性能試驗考核時。催化劑層數(shù)按"2+1"層方案進行設計,脫硝工程由大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司承建,尿素熱解制氨裝置由大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司自主研發(fā)、設計、供貨、安裝和調試。5號機組脫硝工程于20XX6月7日順利通過168試運行,在試運行期間,尿素熱解制氨裝置能滿足機組脫硝對氨氣的需求,系統(tǒng)響應速率完全滿足機組變工況的要求,并且尿素分解率和尿素耗量都達到了設計要求。尿素熱解制氨裝置自投運以后,一直運行穩(wěn)定,熱解爐內(nèi)未出現(xiàn)結晶的情況,各項運行指標都達到了設計要求。經(jīng)過長時間連續(xù)運行表明,大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司自主研發(fā)的尿素熱解制氨裝置性能優(yōu)良,不容易出現(xiàn)結晶的情況,完全能滿足火電廠脫硝工程對氨氣的需求。附件2.14五、推廣應用情況：大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司牽頭研發(fā)的尿素熱解制氨技術,通過了理論研究、實驗室研究和工程示范驗證,已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,共有9套裝置投運,現(xiàn)場運行穩(wěn)定,負荷跟蹤性好,完全可以滿足脫硝需求。作為一種廣泛適用的在線制氨技術,該技術亦可由電力行業(yè)推廣至其他行業(yè),在保障清潔電力生產(chǎn)、石化、冶金、建材環(huán)保綜合治理等多個方面發(fā)揮重要作用。.主要應用單位情況不超過15個序號應用單位名稱應用技術應用起止時間應用單位聯(lián)系人及電話經(jīng)濟/社會效益1大唐XX熱電有限責任公司尿素熱解制氨關鍵技術至今高峰良好2大唐XX第二熱電有限責任公司尿素熱解制氨關鍵技術2014.5.5至今良好3XX雙源熱電有限責任公司尿素熱解制氨關鍵技術至今李偉超/13525490669良好4大唐XX發(fā)電有限責任公司尿素熱解制氨關鍵技術至今劉黎南良好56.六、主要知識產(chǎn)權證明目錄：不超過10項,前3項為核心知識產(chǎn)權序號知識產(chǎn)權類別知識產(chǎn)權具體名稱國家授權號授權日期證書編號權利人發(fā)明人專利有效狀態(tài)1發(fā)明專利一種尿素熱解反應中引導氣流的方法中國ZL201310046726.4201553785中國大唐集團環(huán)境技術有限公司,中國大唐集團科技工程有限公司彭代軍有效2發(fā)明專利一種尿素熱解反應器中國ZL201310047260.X1598594中國大唐集團環(huán)境技術有限公司,中國大唐集團科技工程有限公司彭代軍有效3發(fā)明專利一種應用于SCR脫硝的尿素熱解反應器中國ZL201210359319.41780560中國大唐集團環(huán)境技術有限公司彭代軍有效4發(fā)明專利一種尿素熱解制氨裝置及方法中國ZL201510338332.52286258大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司彭代軍有效5發(fā)明專利一種蝸殼進氣旋流式尿素熱解制氨裝置及方法中國ZL201310139362.41804086中國大唐集團環(huán)境技術有限公司,中國大唐集團科技工程有限公司宋紅兵有效6發(fā)明專利一種SCR尿素脫硝設備的熱解室清理結晶裝置中國ZL201310399767.11586185中國大唐集團環(huán)境技術有限公司陸生寬有效7發(fā)明專利一種煙氣SCR尿素脫硝設備的清灰渣裝置中國ZL201310398125.X1659067中國大唐集團環(huán)境技術有限公司陸生寬有效8發(fā)明專利一種逆流式尿素熱解制氨裝置及方法中國ZL201310139418.62006989大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司,中國大唐集團科技工程有限公司宋紅兵有效9發(fā)明專利一種尿素熱解制氨裝置中國ZL201310047259.71951231大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司,中國大唐集團科技工程有限公司周燁有效10發(fā)明專利一種煙氣脫硝的尿素熱解爐中國ZL201410177816.12245975大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司陸生寬有效.七、主要完成人情況不超過6人：排序姓名主要貢獻工作單位完成單位職稱職務1彭代軍第1完成人。項目負責人。制定了項目研究的技術路線和整體計劃,主持了項目的總體實施和全部研究工作。是第1、2、3、4項發(fā)明專利的第一發(fā)明人,是第5、6、7、8、9、10項發(fā)明專利的發(fā)明人；對發(fā)明點1-4都作出了貢獻。作為第一作者發(fā)表論文碳酸氫銨和尿素制氨技術經(jīng)濟分析、鍋爐煙氣脫硝尿素熱解與水解制氨技術對比、尿素熱解制氨關鍵技術開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應用。大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司研究員無2仲兆平作為實驗室研究委托負責人,牽頭實施實驗室研究。完成了尿素熱解理論、小型試驗、計算機CFD模擬、中試試驗等研究內(nèi)容,是第5、8項發(fā)明專利的發(fā)明人,對發(fā)明點1-4作出了貢獻。作為通訊作者發(fā)表論文尿素溶液熱解制取氨氣特性研究。東南大學東南大學教授系主任3宋紅兵制定了項目前期調研、立項的技術路線,參與了項目的核心參數(shù)和關鍵技術的研究,是第5、8項發(fā)明專利的第一發(fā)明人,第1、2、3、4項發(fā)明專利的發(fā)明人,對發(fā)明點1、3作出了貢獻。大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司高級工程師分公司副總經(jīng)理4陸生寬參與示范工程階段的研究,在工藝研究、系統(tǒng)擬定、設備選型、總體設計以及現(xiàn)場問題處理等方面作出了貢獻,作為主要人員參與了示范工程設計,是第6、7、10項發(fā)明專利的第一發(fā)明人。對發(fā)明點4作出了貢獻。大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司高級工程師無5高峰作為示范工程建設現(xiàn)場負責人,參與了示范工程階段的研究,協(xié)助示范工程測試,進行數(shù)據(jù)采集和分析等工作,同時負責工程總體進度、設備安裝、現(xiàn)場調試等技術管理工作。對發(fā)明點4作出了貢獻。大唐XX熱電有限責任公司大唐XX熱電有限責任公司工程師設備部副主任6張波參與了計算機CFD模擬研究和中試試驗研究,發(fā)現(xiàn)熱解爐內(nèi)循環(huán)回流區(qū)的存在,并對其形成原理作出闡述。對發(fā)明點2、4作出了貢獻。東南大學東南大學講師無.八、完成人合作關系說明：本項目的六位完成人之間存在非常密切的合作關系。項目為產(chǎn)學研合作項目,完成單位包括科技產(chǎn)業(yè)單位、高校和生產(chǎn)單位,為了共同完成項目任務,完成人之間通力協(xié)作,在不同階段以多種方式進行了多項合作,取得了較好效果。彭代軍研究員為項目負責人,制定了項目研究的技術路線和整體計劃,主持了項目的總體實施和全部研究工作。彭代軍、宋紅兵、陸生寬三人來自項目第一完成單位,在項目立項、執(zhí)行、評審、鑒定、驗收等多個環(huán)節(jié)都有合作,共同授權了多項發(fā)明專利。仲兆平和張波來自東南大學,仲兆平教授是實驗室階段委托研究負責人,牽頭實施實驗室研究,張波作為實驗室研究期間的博士生,參與項目研究,師從仲兆平教授。高飛來自大唐XX熱電有限責任公司,參與了示范工程階段的研究,為項目成果轉化落地應用作出了貢獻。項目完成人以發(fā)明專利的共同發(fā)明人、共同論文作者、共同參加驗收鑒定、共同獲得獎勵等形式進行了合作。完成人合作關系情況匯總表序號合作方式合作者項目排名合作時間合作成果證明材料備注1共同知識產(chǎn)權彭代軍、宋紅兵20XX、20XX、20XX一種尿素熱解反應中引導氣流的方法；一種尿素熱解反應器；一種應用于SCR脫硝的尿素熱解反應器發(fā)明專利2共同知識產(chǎn)權宋紅兵、彭代軍、仲兆平20XX、20XX、20XX一種蝸殼進氣旋流式尿素熱解制氨裝置及方法；一種逆流式尿素熱解制氨裝置及方法發(fā)明專利3共同知識產(chǎn)權陸生寬、彭代軍20XX、20XX、2015年一種SCR尿素脫硝設備的熱解室清理結晶裝置；一種煙氣SCR尿素脫硝設備的清灰渣裝置；一種煙氣脫硝的尿素熱解爐發(fā)明專利4共同論文仲兆平、張波、彭代軍、宋紅兵20XX尿素溶液熱解制取氨氣特性研究論文5共同獲獎彭代軍、仲兆平、宋紅兵、陸生寬2015年、2016年北京市科學技術獎二等獎獲獎證書6共同立項彭代軍、仲兆平、宋紅兵、陸生寬20XX大型燃煤電廠SCR脫硝尿素熱解制氨關鍵技術研究與應用鑒定證書.