稀土基催化劑的強力去“污”之路

來源：中國科學報

工序人員正在查看催化劑端面

　　見習記者 高雅麗 通訊員 李寶樂

　　近年來，隨著我國工業的快速發展，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注，而燃煤煙氣的脫硝工藝也成為節能減排的重要措施之一。

　　內蒙古希捷環?？萍加邢挢熑喂荆ㄒ韵潞喎Q希捷環保）依托南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室技術，在國家自然科學基金、國家“863計劃”專項、國家科技支撐計劃及中央專項投資資金的支持下，成功研制生產具有我國自主知識產權、符合國家標準的稀土型選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑，填補了我國大氣防治領域煙氣脫硝催化劑技術的空白。

　　“我們的SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間。每臺鍋爐設2臺SCR反應器，關于鍋爐中心線對稱布置。經過測試，脫硝效率與氨逃逸、SO2/SO3轉化率、反應器整體煙氣阻力、氨耗量等指標都合格?！毕＝莪h?？偨浝硗踔久癖硎?。

　　一場新的技術變革到來

　　據預測，到2030年，中國NOx排放量將達到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?！斑@正是減排的關鍵所在。而對火電廠等企業排出的污染物進行脫硝的關鍵在于催化劑，催化性能的高低直接影響到脫硝系統的整體脫硝效率?！蓖踔久裾f。

　　傳統的脫硝催化劑以釩基脫硝催化劑為主，其投放市場較早且技術成熟、應用較廣。釩鈦系脫硝催化劑核心技術掌握在少數發達國家手中，我國在該技術領域還有很多性能待優化。

　　經過多年的努力，國內釩鈦系催化劑技術日趨成熟，國產化率較高。但是據南京工業大學教授祝社民介紹，“我們沒有自主的知識產權，且釩鈦系脫硝催化劑具有毒性對環境造成污染，研發自主知識產權、高效低成本的SCR脫硝催化劑具有非常重要的現實意義?！?/span>

　　由于廢煙氣脫硝催化劑（釩鈦系）具有浸出毒性等危險特性，它被歸類為《國家危險廢物名錄》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，按照職業性接觸毒物危害程度分級屬于高度危害，對人體的呼吸系統和皮膚會產生嚴重損害?！?/span>

　　2016年，《國家鼓勵的有毒有害原料（產品）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。一場新的技術變革悄然到來。

　　優化脫硝催化劑的性能

　　“現有技術條件下催化劑的使用壽命一般為3年，自2015年起，我國每年產生替換下來的釩鈦系有毒脫硝催化劑高達30萬～40萬立方米，大量廢棄有毒催化劑如保管或處理不當，極易污染土壤及地下水，給我國環境造成巨大隱患?！蓖踔久窦痹谛纳?。

　　如何在催化劑中充分利用好稀土材料獨特的4f軌道結構和優異的氧化還原性質，成為近年來研究的重點。

　　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渡金屬氧化物組成，以鈦基陶瓷為第一載體、鈦鋯復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，它使用時表現出電子“存儲器”的性質，有效地解決了氧化鈰作為活性物質時酸性較弱的問題。

　　希捷環保的產品不僅徹底擺脫了五氧化二釩成分，還針對釩基脫硝催化劑的各項性能進行了優化。

　　王志民表示，發電廠在排煙的過程中，煙氣在催化劑內從湍流轉變為層流，灰分顆粒傾向于翻轉并在整個通道長度內沖擊催化劑內壁，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時間的。

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

　　“目前釩鈦系催化劑有一個致命的問題，即當煙氣溫度在300℃以下時，催化性能下降、活性降低?！毕＝莪h?？偣こ處熤軓V賀解釋道，“為此，我們突破了兩項核心技術，將稀土基SCR煙氣脫硝催化劑的性能進一步優化?！?/span>

　　促進稀土產業健康發展

　　環境保護稅法規定，對廢釩鈦系脫硝催化劑等類似危險廢物每噸征收1000元的環境保護稅，是稀土脫硝催化劑等普通固體廢物的40倍。王志民說：“以目前技術水平，釩鈦系脫硝催化劑的危廢處理費用達每立方米6000～7000元，額外增加了使用企業的負擔?！?/span>

　　近年來，希捷環保已經實現年產5萬立方米稀土基SCR煙氣脫硝催化劑，產品可以用于燃煤電廠、工業燃煤鍋（窯）爐、水泥廠、焦化廠、生物電廠、石油焦燃燒企業、玻璃廠等排放的氮氧化物污染物治理。

　　王志民介紹：“項目一期于2018年正式建成投產，生產過程采用先進的蜂窩體擠出工藝和燒成方案，自動化程度高、運行可靠?！?/span>

　　“公司產品自2012年投放市場以來，已成功應用于100余項脫硝工程，涵蓋了燃煤發電、玻璃、焦化、冶煉、陶瓷和化工等行業。各項工程均達到了國家環保排放標準，取得了良好的使用效果。有一些脫硝催化劑已經運行超過24000小時，但依然運行良好，目前仍在使用中?！蓖踔久駥ξ磥硇判陌俦?。

　　數據顯示，“十三五”期間國內約有85萬立方米左右的催化劑在運行，預計從2018年開始每年替換下來的廢釩鈦系脫硝催化劑將高達30萬立方米。

　　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，每年將減少危險廢物30萬立方米。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，促進稀土產業健康發展?！?/span>

　　《中國科學報》 (2019-07-18 第6版 轉移轉化)