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稀土基催化劑的強力去“污”之路

時間:2019-07-18     來源: 中國科學報

工序人員正在查看催化劑端面

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。

內蒙古希捷環保科技有限責任公司(以下簡稱希捷環保)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。”希捷環保總經理王志民表示。

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。“這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。”王志民說。

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。”

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。”

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。”王志民急在心上。

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。”希捷環保總工程師周廣賀解釋道,“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。”

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。”

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。”

“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。”王志民對未來信心百倍。

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。”

《中國科學報》 (2019-07-18 第6版 轉移轉化)

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