稀土基催化劑的強(qiáng)力去“污”之路

工序人員正在查看催化劑端面

　　見(jiàn)習(xí)記者 高雅麗 通訊員 李寶樂(lè)

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，SO2（二氧化硫）和NOx（氮氧化物）作為大氣的主要污染物，引起了公眾的廣泛關(guān)注，而燃煤煙氣的脫硝工藝也成為節(jié)能減排的重要措施之一。

　　內(nèi)蒙古希捷環(huán)保科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱希捷環(huán)保）依托南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863計(jì)劃”專項(xiàng)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃及中央專項(xiàng)投資資金的支持下，成功研制生產(chǎn)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的稀土型選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑，填補(bǔ)了我國(guó)大氣防治領(lǐng)域煙氣脫硝催化劑技術(shù)的空白。

　　“我們的SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間。每臺(tái)鍋爐設(shè)2臺(tái)SCR反應(yīng)器，關(guān)于鍋爐中心線對(duì)稱布置。經(jīng)過(guò)測(cè)試，脫硝效率與氨逃逸、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器整體煙氣阻力、氨耗量等指標(biāo)都合格。”希捷環(huán)保總經(jīng)理王志民表示。

　　一場(chǎng)新的技術(shù)變革到來(lái)

　　據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，中國(guó)NOx排放量將達(dá)到35.4Mt（兆噸），其中固定源（火電廠、水泥廠、鍋爐等）排放量占50%左右。“這正是減排的關(guān)鍵所在。而對(duì)火電廠等企業(yè)排出的污染物進(jìn)行脫硝的關(guān)鍵在于催化劑，催化性能的高低直接影響到脫硝系統(tǒng)的整體脫硝效率。”王志民說(shuō)。

　　傳統(tǒng)的脫硝催化劑以釩基脫硝催化劑為主，其投放市場(chǎng)較早且技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣。釩鈦系脫硝催化劑核心技術(shù)掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域還有很多性能待優(yōu)化。

　　經(jīng)過(guò)多年的努力，國(guó)內(nèi)釩鈦系催化劑技術(shù)日趨成熟，國(guó)產(chǎn)化率較高。但是據(jù)南京工業(yè)大學(xué)教授祝社民介紹，“我們沒(méi)有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且釩鈦系脫硝催化劑具有毒性對(duì)環(huán)境造成污染，研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、高效低成本的SCR脫硝催化劑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。”

　　由于廢煙氣脫硝催化劑（釩鈦系）具有浸出毒性等危險(xiǎn)特性，它被歸類為《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中“HW50其他廢物”。

　　祝社民解釋道：“釩鈦系脫硝催化劑使用的主要活性成分是五氧化二釩（V2O5），它是一種高毒物質(zhì)，按照職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)屬于高度危害，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)和皮膚會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害。”

　　2016年，《國(guó)家鼓勵(lì)的有毒有害原料（產(chǎn)品）替代品目錄（2016年版）》明確將稀土基脫硝催化劑列為釩基脫硝催化劑的替代品。一場(chǎng)新的技術(shù)變革悄然到來(lái)。

　　優(yōu)化脫硝催化劑的性能

　　“現(xiàn)有技術(shù)條件下催化劑的使用壽命一般為3年，自2015年起，我國(guó)每年產(chǎn)生替換下來(lái)的釩鈦系有毒脫硝催化劑高達(dá)30萬(wàn)～40萬(wàn)立方米，大量廢棄有毒催化劑如保管或處理不當(dāng)，極易污染土壤及地下水，給我國(guó)環(huán)境造成巨大隱患。”王志民急在心上。

　　如何在催化劑中充分利用好稀土材料獨(dú)特的4f軌道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的氧化還原性質(zhì)，成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)。

　　稀土基脫硝催化劑的活性成分是由鑭、鈰、釔等稀土元素氧化物和其他過(guò)渡金屬氧化物組成，以鈦基陶瓷為第一載體、鈦鋯復(fù)合金屬氧化物為第二載體，利用稀土元素具有未充滿電子的4f軌道作為催化劑活性成分，它使用時(shí)表現(xiàn)出電子“存儲(chǔ)器”的性質(zhì)，有效地解決了氧化鈰作為活性物質(zhì)時(shí)酸性較弱的問(wèn)題。

　　希捷環(huán)保的產(chǎn)品不僅徹底擺脫了五氧化二釩成分，還針對(duì)釩基脫硝催化劑的各項(xiàng)性能進(jìn)行了優(yōu)化。

　　王志民表示，發(fā)電廠在排煙的過(guò)程中，煙氣在催化劑內(nèi)從湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎�灰分顆粒傾向于翻轉(zhuǎn)并在整個(gè)通道長(zhǎng)度內(nèi)沖擊催化劑內(nèi)壁，所以磨損從上至下是均勻的，體積密度小的薄壁催化劑是使用不了多長(zhǎng)時(shí)間的。

　　希捷環(huán)保在脫硝催化劑的高強(qiáng)度、高比表面、可控孔制備技術(shù)方面，增加了比表面和催化活性，解決了高活性與高強(qiáng)度、高耐磨性能間的矛盾，從而有效地延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。

　　“目前釩鈦系催化劑有一個(gè)致命的問(wèn)題，即當(dāng)煙氣溫度在300℃以下時(shí)，催化性能下降、活性降低。”希捷環(huán)保總工程師周廣賀解釋道，“為此，我們突破了兩項(xiàng)核心技術(shù)，將稀土基SCR煙氣脫硝催化劑的性能進(jìn)一步優(yōu)化。”

　　促進(jìn)稀土產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

　　環(huán)境保護(hù)稅法規(guī)定，對(duì)廢釩鈦系脫硝催化劑等類似危險(xiǎn)廢物每噸征收1000元的環(huán)境保護(hù)稅，是稀土脫硝催化劑等普通固體廢物的40倍。王志民說(shuō)：“以目前技術(shù)水平，釩鈦系脫硝催化劑的危廢處理費(fèi)用達(dá)每立方米6000～7000元，額外增加了使用企業(yè)的負(fù)擔(dān)。”

　　近年來(lái)，希捷環(huán)保已經(jīng)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5萬(wàn)立方米稀土基SCR煙氣脫硝催化劑，產(chǎn)品可以用于燃煤電廠、工業(yè)燃煤鍋（窯）爐、水泥廠、焦化廠、生物電廠、石油焦燃燒企業(yè)、玻璃廠等排放的氮氧化物污染物治理。

　　王志民介紹：“項(xiàng)目一期于2018年正式建成投產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程采用先進(jìn)的蜂窩體擠出工藝和燒成方案，自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠。”

　　“公司產(chǎn)品自2012年投放市場(chǎng)以來(lái)，已成功應(yīng)用于100余項(xiàng)脫硝工程，涵蓋了燃煤發(fā)電、玻璃、焦化、冶煉、陶瓷和化工等行業(yè)。各項(xiàng)工程均達(dá)到了國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，取得了良好的使用效果。有一些脫硝催化劑已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)24000小時(shí)，但依然運(yùn)行良好，目前仍在使用中。”王志民對(duì)未來(lái)信心百倍。

　　數(shù)據(jù)顯示，“十三五”期間國(guó)內(nèi)約有85萬(wàn)立方米左右的催化劑在運(yùn)行，預(yù)計(jì)從2018年開(kāi)始每年替換下來(lái)的廢釩鈦系脫硝催化劑將高達(dá)30萬(wàn)立方米。

　　王志民表示：“若將釩鈦系脫硝催化劑全部替換為稀土脫硝催化劑，每年將減少危險(xiǎn)廢物30萬(wàn)立方米。稀土脫硝催化劑還能平衡利用北方稀土豐富的鑭鈰輕稀土資源，促進(jìn)稀土產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。”

　　《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-07-18 第6版 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化)