国产钒催化剂面临的重大问题(1).pdf

郑冲．国产钒催化剂面临的重大问题 ·1 1 7 · 国产钒催化剂面临的重大问题 国产钒催化剂诞生于2 0 世纪5 0 年代初，南 化公司老一辈催化剂科学家余祖熙等研制生产出 了S 1 0 1 钒催化剂，打破了国际的封锁，解决了当 时生产硫酸催化剂的有无问题，使我国的硫酸产 量从1 9 4 9 年的4 9k t 迅速上升到l3 3 0k t ( 1 9 6 0 年) 、29 1 4k t ( 1 9 7 0 年) 、69 9 0k t ( 1 9 7 9 年) 硫酸 是各行各业都不可或缺的重要化工原料，国产钒 催化剂为我国硫酸工业在建国后头3 0 年的发展 做出了重大贡献，也是对这一时期国民经济各部 门的发展做出了重要贡献国产钒催化剂一旦被 公认为是我国化学工业的骄傲，国家的骄傲 2 0 世纪8 0 年代后，随着大型硫酸生产装置 的引进，国外钒催化剂也同时进入了中国市场 我国的硫酸产量随着改革开放后各行业的蓬勃发 展迅猛增长，2 0 0 4 年产量达到4 4 3 5M t ，跃居世 界之首2 0 0 7 年我国硫酸产量达到了5 7 ．0 0M t ， 但是其中约一半是在进口催化剂上生产出来的。

国产催化剂在改革开放前，占领着全部国内市场， 国门一开，不到3 0 年失掉了国内一半市场，而且 主要是大型硫酸厂的市场国产钒催化剂目前被 挤在中、小规模的硫酸生产厂中使用虽然国内 各催化剂生产厂对产品的产量与质量提高不断努 力，并加强服务、降低价格以求巩固市场，然而进 口钒催化剂的售价比国产钒催化剂贵一倍，市场 却不断扩大国产钒催化剂价格竞相降低，只能 是国内各生产厂之间的互相残杀市场不断缩小 的趋势仍然在发展在商品经济体制下，质量和 服务是产品的生命，国产钒催化剂正是在这个根 本问题上远远落后于进口钒催化剂，才会在不到 3 0 年的时间里，从独占的市场上节节败退，到今 天的残存半壁江山仍难坚守的地步国产钒催化 剂前景堪忧，这已是严酷的现实 郑冲 ( 北京) 近2 0 年来，从事硫酸和钒催化剂及相关工作 的多位专家曾对国产钒催化剂的性能、存在的问 题、和国外催化剂的对比做了大量调研工作 2 0 0 4 年陈学梅的论文《我国二氧化硫氧化制硫酸 的钒催化剂现状和展望》中所指出的国内外钒催 化剂的差距和原因分析，比较全面而有代表性 文章指出，在差距方面：1 ．国产催化剂装填量高； 2 ．总转化率低；3 ．使用活性衰退快；4 ．对产品质 量的评判水平低。

原因的分析：1 ．研发力度不 够；2 ．载体硅藻土质量下降；3 ．活性评价结果与 工业效果不一致本人对该文的调研结论和原因 分析是赞同的，特别是所提差距的第4 点和原因 的第3 点，我认为是问题的根本所在但可惜该 文在所提的对策和展望中恰恰忽略了这两点 进口催化剂在出售时厂商能作出以下承诺： 根据用户原料气的条件、转化系统装置选型和二 氧化硫排放量要求，提出转化器各段催化剂的型 号、装填量、操作条件、最终转化率和使用寿命的 保证而这些是国内厂商目前尚做不到的做不 到是因为国内厂商没有掌握自己所生产的催化剂 的工业活性，没有掌握能确切反映自己生产的各 型钒催化剂工业活性的宏观动力学模型一工业过 程动力学模型，因而无法对操作条件和装填量进 行科学的优化计算，无法回答这些问题用户只 好凭长期以来的行业习惯和各自经验办事，并且 加大装填量以保最终化率指标 形成钒催化剂生产厂生产、销售“活性符合 国家化工行业标准”的钒催化剂，却不对要求作 出保证的尴尬局面原因并不在生产厂，而是在行 业中长期以来存在着一个完全脱离应用实际的 “标准”这个“标准”和相应的钒催化荆活性检 测与评价方法——单管等温积分反应器转化率测 ·1 1 8 · 第2 9 届全国硫酸工业技术交流会论文集 定法，系建立于2 0 世纪国产钒催化剂诞生之初， 当时是根据苏联2 0 世纪5 0 年代以前的资料制定 的( 见1 9 5 4 年商务印书编出版的，K ．M ．马林等 著，李敦化、李伟强译的《硫酸工学》下册第4 4 6 。

4 4 7 页，原著出版于1 9 5 0 年) 这一方法反映了 当时对钒催化剂活性的片面认识，测试的结果并 不是催化剂工业活性的表达，不可能作为钒催化 剂工业应用性能评价的科学依据它最多只能作 为催化剂生产厂对自己所生产的，同一型号不同 批量产品之间，化学活性在试验条件下是否相近 的简单对照，不能用作产品质量评价的标准也不 可能用作二氧化硫转化器优化设计( 包括各段操 作条件和装填量) 的依据，因而对催化剂的性能 改进不能起到正确导向作用由于历史的原因， 这7 钒催化剂活性检测方法被一直沿用下来， 1 9 7 9 年上升为部颁标准，1 9 9 1 年进一步制订为化 工行业标准，用于国家催化剂活性检测中心，和各 钒催化剂生产厂由于这一方法简单易行，又具 权威性，因此长期误导和阻碍了国产钒催化剂的 性能改进和发展，这是国产钒催化剂落后于进口 催化剂的极为重要的、带根本性的原因 钒催化剂性能落后的状态在我国长期存在， 一则是由于不科学的活性检测方法被确立为国家 标准，在国门封闭的计划经济体制下的3 0 年里， 它没有遇到严峻的挑战再则是由于社会的折 腾，特别是文化大革命的破坏，使我国的化学反应 工程学科( 研究化学反应器内过程行为规律的科 学) 的建立，比国际晚了2 0 多年。

反应工程学科 诞生于1 9 5 7 年，我国直到7 0 年代末8 0 年代初才 在大学里设立这门课程，因此缺少化学反应工程 学理论的指导，应是国内催化剂性能研究与应用 长期脱节状态得不到纠正的另一客观原因 1 9 8 2 年1 0 月，作者在美国从事反应工程的 研究工作回国后，立即指导研究生进行有关钒催 化剂工业活性评价方法的理论研究和实验装置的 开发，从理论和实际的结合上否定了传统的方法， 建立了用于评价钒催化剂工业活性模型绝热反应 器及系统硬件，和工业过程动力学模型等应用软 件这项成果《S 1 0 1 催化剂绝热固定床内二氧化 硫氧化工业过程动力学模型开发研究》于1 9 8 6 年 3 月1 4 —1 5 日通过化工部鉴定，《( 8 6 ) 化肥鉴字 第3 号》可惜的是这项成果及所发表的有关论 文，并没有真正引起部门领导及业内人士的重视， 使之成为我国钒催化剂工业迅速赶上并力争超过 国际同行的有力武器，这也许与当时化学反应工 程学的基本知识尚不普及有关催化剂的工业活 性检测和评价方法，涉及到产品竞争和应用的一 系列方面，包括售前的承诺及售后的服务内容，它 具有高度的商业价值，因而也是国外各公司决不 透露的商业机密，故迄今在各种公开文献中均未 见到。

国外也不存在催化剂活性检测的行业标准 或国家标准 二氧化硫在钒催化剂上催化氧化，是一7 极 为复杂的载液相催化过程( 见1 9 “年P ．M a r s 和 J ．H ．G ．M a e s s e n 提出的反应机理和1 9 6 0 年中国 南京化学工业公司的研究报告) 随着反应的进 行，温度不断变化，气相、液相的组成和物理状态 也在不断变化，这些都使反应速度不断变化，因此 不论是从微分反应器、无梯度反应器所获得的点 速率数据，或是从等温积分反应器所获得的转化 率数据，都不能表达催化剂在工业反应器( 绝热 反应器) 内所经历的实际过程的动力学行为，也 不能用以建立能模拟催化剂在工业反应器内行为 的数学模型解决这个问题的唯一办法是建立专 用于获取钒催化剂工业活性的绝热固定床模型反 应器，取得完全接近于工业转化器中，二氧化硫在 催化剂床层内反应全程的动力学信息，亦即钒催 化剂在工业反应器中沿着实际反应过程所表现出 来的工业活性信息它的表现是一条连续的曲 线，而不是孤立的一个点在不同的转化段里，由 于反应的温度和气相成分条件不同，同一种催化 剂的活性曲线也是不同的因此从专用的模型反 应器中所得到的，催化剂在各转化段中的一组曲 线，是该催化剂工业活性的完整表达。

它既可对 两种催化剂的工业活性作直观的对比又可以在 数学模型化后，用于工业反应器的设计优化和产 品的售后服务，也可以用于指导产品的改进毫 无疑问，这一方法( 包括指导思想、特制的设备、 郑冲．国产钒催化剂面临的重大问题·1 1 9 · 检测系统和相应的软件) 应该取代早已严重脱离 实际的，现行的钒催化剂活性检测国家标准，从而 推进我国钒催化剂的研发和生产走上健康、快速、 高质量发展的道路，达到扩大国内市场份额并进 军国际市场的目标 2 0 0 4 年以来，我多次接待了多家钒催化剂生 产厂，商谈进行钒催化剂工业活性检测和工业过 程动力学建模的合作，我为这个问题已引起了广 泛的重视深感高兴去年底今年初，南京云高新 型材料有限公司的老总、副总和总经理再次来到 北京化工大学进一步商谈这项合作，他们所谈的 内容，所表达的诚意和决心，反映出对这亍问题深 刻的认识和远见，他们具备建立和运用这套装置 所需要的条件和人才，我们签订了合作协议这 项工作随即受到硫酸工业协会、硫酸工业信息站 和南化公司催化剂研究中心的重视，相信在大家 的关心和支持下，一定能取得良好的结果 催化剂性能的改进必将推动转化系统的技术 改进，对整个硫酸生产技术水平的提高乃至革新， 产生积极的影响，这也是可以预期的。