尿素热解制氨关键技术和产业化-东南大学.doc

2018年国家技术发明奖提名项目公示内容一、项目名称：尿素热解制氨关键技术及其产业化二、提名单位意见：大气污染物治理一直是环境保护领域的重点，其中氮氧化物的安全高效脱除是一个难点。该项目通过系统研究，掌握了尿素热解制氨核心参数，开发了独立的工艺计算软件包，发明了尿素热解制氨装置，形成了尿素热解制氨关键技术，实现了产业化。该项目打破了国外技术垄断，作为自主知识产权技术，有效降低了国内应用烟气脱硝工程的成本，促进了国内环保产业的发展。项目获得了多项原创性成果，技术经济指标先进；获授权发明专利10项，实用新型专利8项。项目成果作为一种先进的在线制氨技术，可以在多个领域进行液氨脱硝替代，应用前景广阔。成果已实现产业化并应用于烟气脱硝、除尘等工程。项目获得了媒体、同行和用户的高度评价，取得了较大的经济和社会效益。该项目于2015年获北京市科学技术奖二等奖，对照国家技术发明奖授奖条件，提名该项目申报2018年国家技术发明奖二等奖。提名单位：北京市科委。三、项目简介：大气污染物治理一直是环境保护领域的重点，其中氮氧化物的安全高效脱除是一个难点。传统方法采用液氨为原料，产生氨气作为减排氮氧化物的还原剂。但是液氨属于危险化学品，超过10t即为重大危险源，其在运输、储存和使用时都有可能发生危险，国内曾经发生过多起液氨事故，造成重大人身伤亡。采用尿素为制氨原料可以达到与液氨相同的脱硝性能，无毒且使用安全。尿素脱硝技术可作为一项普遍适用的氮氧化物治理技术应用于大气环保领域。但长期以来，尿素热解制氨技术被国外所垄断。因无有效竞争，致使国内采购尿素热解制氨装置的费用一直居高不下，还要交纳高昂的技术使用费，其价格很大程度上决定着烟气脱硝工程造价，制约着国内烟气脱硝工程的实施。在此背景下，中国大唐集团公司统筹规划，大唐环境产业集团股份有限公司具体牵头，联合东南大学、大唐洛阳热电有限责任公司组成产学研合作团队，对尿素热解制氨关键技术进行了自主攻关。项目从“基础理论”、“小型试验”、“中试试验”、“计算机CFD模拟”、“示范工程”和“商业化应用”六个方面进行研究，掌握了尿素热解制氨核心参数，开发了独立的工艺计算软件包，发明了尿素热解制氨装置，形成了尿素热解制氨关键技术，实现了产业化。项目获授权发明专利10项，实用新型专利8项。主要技术发明点如下：（1）提出了一种尿素热解反应中引导气流形成二维流场的方法，发明了一种尿素热解反应器装置。通过特殊的流场结构，可以防止尿素溶液粘避结晶，雾化分解效率高。（2）揭示了尿素溶液热解传热传质过程，定性定量得出了能量条件，开发了物料及能量平衡计算软件，通过了多套工程的验证，完全可以指导实际工程应用。（3）发明了逆流式尿素热解制氨装置及方法；发明了蜗壳进气旋流式尿素热解制氨装置及方法；发明了切圆进气式尿素热解制氨装置。实现了多种尿素热解制氨技术方案的联合应用，提高了适用性。（4）揭示了尿素溶液液滴在热解炉内部的时程关系和运动规律，发现了热解炉内循环回流区的存在，提出了避开内循环回流区的方法，解决了尿素溶液回流的问题。得出了尿素热解转化率数据：尿素溶液从喷入热解炉开始，在1s内有90%以上转化为氨气，在2s内有96%以上转化为氨气，在4s内可以达到接近100%的转化率。项目打破了国外技术垄断，成果已经获得了9套应用，有效降低了国内采购成本，取得了较大的经济和社会效益。成果先后获得科技日报和IEEE SPECTRUM科技纵览的报道。四、客观评价： 1.成果鉴定：2014年9月2日，中国电机工程学会在北京组织召开了项目成果鉴定会：“项目研究取得诸多创新成果，形成具有自主知识产权的尿素热解制氨成套技术，通过了工程验证，技术达到国际先进水平”。（中电机鉴【2014】第111号，附件2.8-1、附件2.8-2、附件2.8-3）2.检测报告：根据“大唐洛阳热电有限责任公司5号机组烟气脱硝装置性能试验报告”，报告显示：在入口Nox浓度达到设计值时，出口Nox浓度小于设计值，并且尿素耗量小于设计值，符合设计要求。（附件2.9-1、附件2.9-2）3.同行评价IEEE SPECTRUM科技纵览杂志于2016年5月刊登了项目成果，并给予了评价：积极实现关键技术产业化，提升自主知识产权技术的市场占有率，提高重大科技成果的转化能力。（附件2.10-1、附件2.10-2、附件2.10-3）4.媒体报道2015年11月12日，科技日报对项目成果进行了报道，指出“通过不断的科技开发和应用，项目研制的尿素热解制氨技术已经转化为成熟可靠的商业化技术，为我国的脱硝环保行业注入自主创新技术，为祖国的节能减排作出贡献，形成良好的社会效益。”（附件2.11）5.获奖情况：项目部分成果获得2015年度北京市科学技术奖二等奖；2014年度（首届）中国电力创新奖二等奖。（附件2.12、附件2.13）6.典型用户评价项目示范工程应用单位“大唐洛阳热电有限责任公司”对项目成果应用作出完整评价如下：大唐洛阳热电有限责任公司（2x320MW）5号亚临界机组，脱硝装置使用选择性催化还原法（SCR），采用尿素热解法制备脱硝还原剂。在设计煤种、锅炉BMCR工况、处理100%烟气量条件下，性能试验期间，在入口Nox含量在500mg/Nm3时，脱硝总效率大于86%（性能试验考核时）。催化剂层数按“2+1”层方案进行设计，脱硝工程由大唐环境产业集团股份有限公司承建，尿素热解制氨装置由大唐环境产业集团股份有限公司自主研发、设计、供货、安装和调试。5号机组脱硝工程于2014年6月7日顺利通过168试运行，在试运行期间，尿素热解制氨装置能满足机组脱硝对氨气的需求，系统响应速率完全满足机组变工况的要求，并且尿素分解率和尿素耗量都达到了设计要求。尿素热解制氨装置自投运以后，一直运行稳定，热解炉内未出现结晶的情况，各项运行指标都达到了设计要求。经过长时间连续运行表明，大唐环境产业集团股份有限公司自主研发的尿素热解制氨装置性能优良，不容易出现结晶的情况，完全能满足火电厂脱硝工程对氨气的需求。（附件2.14）五、推广应用情况：大唐环境产业集团股份有限公司牵头研发的尿素热解制氨技术，通过了理论研究、实验室研究和工程示范验证，已经实现了产业化，共有9套装置投运，现场运行稳定，负荷跟踪性好，完全可以满足脱硝需求。作为一种广泛适用的在线制氨技术，该技术亦可由电力行业推广至其他行业，在保障清洁电力生产、石化、冶金、建材环保综合治理等多个方面发挥重要作用。主要应用单位情况（不超过15个）序号应用单位名称应用技术应用起止时间应用单位联系人及电话经济/社会效益1大唐洛阳热电有限责任公司尿素热解制氨关键技术2013.9.1至今高峰/良好2大唐长春第二热电有限责任公司尿素热解制氨关键技术2014.5.5至今刁志忠/良好3洛阳双源热电有限责任公司尿素热解制氨关键技术2014.6.2至今李伟超/良好4大唐淮北发电有限责任公司尿素热解制氨关键技术2014.11.1至今刘黎南/良好56六、主要知识产权证明目录：（不超过10项，前3项为核心知识产权）序号知识产权类别知识产权具体名称国家授权号授权日期证书编号权利人发明人专利有效状态1发明专利一种尿素热解反应中引导气流的方法中国ZL2.42014.12.24中国大唐集团环境技术有限公司，中国大唐集团科技工程有限公司彭代军有效2发明专利一种尿素热解反应器中国ZL2.X2015.3.4中国大唐集团环境技术有限公司，中国大唐集团科技工程有限公司彭代军有效3发明专利一种应用于SCR脱硝的尿素热解反应器中国ZL2.42015.9.9中国大唐集团环境技术有限公司彭代军有效4发明专利一种尿素热解制氨装置及方法中国ZL2.52016.11.2大唐环境产业集团股份有限公司彭代军有效5发明专利一种蜗壳进气旋流式尿素热解制氨装置及方法中国ZL2.42015.9.30中国大唐集团环境技术有限公司，中国大唐集团科技工程有限公司宋红兵有效6发明专利一种SCR尿素脱硝设备的热解室清理结晶装置中国ZL2.12015.2.11中国大唐集团环境技术有限公司陆生宽有效7发明专利一种烟气SCR尿素脱硝设备的清灰渣装置中国ZL2.X2015.5.13中国大唐集团环境技术有限公司陆生宽有效8发明专利一种逆流式尿素热解制氨装置及方法中国ZL2.62016.3.30大唐环境产业集团股份有限公司，中国大唐集团科技工程有限公司宋红兵有效9发明专利一种尿素热解制氨装置中国ZL2.72016.2.10大唐环境产业集团股份有限公司，中国大唐集团科技工程有限公司周烨有效10发明专利一种烟气脱硝的尿素热解炉中国ZL2.12016.9.21大唐环境产业集团股份有限公司陆生宽有效七、主要完成人情况（不超过6人）：排序姓名主要贡献工作单位完成单位职称职务1彭代军第1完成人。项目负责人。制定了项目研究的技术路线和整体计划，主持了项目的总体实施和全部研究工作。是第1、2、3、4项发明专利的第一发明人，是第5、6、7、8、9、10项发明专利的发明人；对发明点1-4都作出了贡献。作为第一作者发表论文碳酸氢铵和尿素制氨技术经济分析、锅炉烟气脱硝尿素热解与水解制氨技术对比、尿素热解制氨关键技术开发及其产业化应用。大唐环境产业集团股份有限公司大唐环境产业集团股份有限公司研究员无2仲兆平作为实验室研究委托负责人，牵头实施实验室研究。完成了尿素热解理论、小型试验、计算机CFD模拟、中试试验等研究内容，是第5、8项发明专利的发明人，对发明点1-4作出了贡献。作为通讯作者发表论文尿素溶液热解制取氨气特性研究。东南大学东南大学教授系主任3宋红兵制定了项目前期调研、立项的技术路线，参与了项目的核心参数和关键技术的研究，是第5、8项发明专利的第一发明人，第1、2、3、4项发明专利的发明人，对发明点1、3作出了贡献。大唐环境产业集团股份有限公司大唐环境产业集团股份有限公司高级工程师分公司副总经理4陆生宽参与示范工程阶段的研究，在工艺研究、系统拟定、设备选型、总体设计以及现场问题处理等方面作出了贡献，作为主要人员参与了示范工程设计，是第6、7、10项发明专利的第一发明人。对发明点4作出了贡献。大唐环境产业集团股份有限公司大唐环境产业集团股份有限公司高级工程师无5高峰作为示范工程建设现场负责人，参与了示范工程阶段的研究，协助示范工程测试，进行数据采集和分析等工作，同时负责工程总体进度、设备安装、现场调试等技术管理工作。对发明点4作出了贡献。大唐洛阳热电有限责任公司大唐洛阳热电有限责任公司工程师设备部副主任6张波参与了计算机CFD模拟研究和中试试验研究，发现热解炉内循环回流区的存在，并对其形成原理作出阐述。对发明点2、4作出了贡献。东南大学东南大学讲师无八、完成人合作关系说明：本项目的六位完成人之间存在非常密切的合作关系。项目为产学研合作项目，完成单位包括科技产业单位、高校和生产单位，为了共同完成项目任务，完成人之间通力协作，在不同阶段以多种方式进行了多项合作，取得了较好效果。彭代军研究员为项目负责人，制定了项目研究的技术路线和整体计划，主持了项目的总体实施和全部研究工作。彭代军、宋红兵、陆生宽三人来自项目第一完成单位，在项目立项、执行、评审、鉴定、验收等多个环节都有合作，共同授权了多项发明专利。仲兆平和张波来自东南大学，仲兆平教授是实验室阶段委托研究负责人，牵头实施实验室研究，张波作为实验室研究期间的博士生，参与项目研究，师从仲兆平教授。高飞来自大唐洛阳热电有限责任公司，参与了示范工程阶段的研究，为项目成果转化落地应用作出了贡献。项目完成人以发明专利的共同发明人、共同论文作者、共同参加验收鉴定、共同获得奖励等形式进行了合作。完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者（项目排名）合作时间合作成果证明材料备注1共同知识产权彭代军、宋红兵2012年、2013年、2014年一种尿素热解反应中引导气流的方法；一种尿素热解反应器；一种应用于SCR脱硝的尿素热解反应器发明专利2共同知识产权宋红兵、彭代军、仲兆平2012年、2013年、2014年一种蜗壳进气旋流式尿素热解制氨装置及方法；一种逆流式尿素热解制氨装置及方法发明专利3共同知识产权陆生宽、彭代军2013年、2014年、2015年一种SCR尿素脱硝设备的热解室清理结晶装置；一种烟气SCR尿素脱硝设备的清灰渣装置；一种烟气脱硝的尿素热解炉发明专利4共同论文仲兆平、张波、彭代军、宋红兵2013年尿素溶液热解制取氨气特性研究论文5共同获奖彭代军、仲兆平、宋红兵、陆生宽2015年、2016年北京市科学技术奖二等奖获奖证书6共同立项彭代军、仲兆平、宋红兵、陆生宽2014年大型燃煤电厂SCR脱硝尿素热解制氨关键技术研究与应用鉴定证书