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稀土基催化剂的强力去“污”之路

来 源:中国科学报
发布时间:2019-07-18

工序人员正在查看催化剂端面

 

■本报见习记者 高雅丽 通讯员 李宝乐

近年来,随着我国工业的快速发展,SO2(二氧化硫)和NOx(氮氧化物)作为大气的主要污染物,引起了公众的广泛关注,而燃煤烟气的脱硝工艺也成为节能减排的重要措施之一。

内蒙古希捷环保科技有限责任公司(以下简称希捷环保)依托南京工业大学材料化学工程国家重点实验室技术,在国家自然科学基金、国家“863计划”专项、国家科技支撑计划及中央专项投资资金的支持下,成功研制生产具有我国自主知识产权、符合国家标准的稀土型选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂,填补了我国大气防治领域烟气脱硝催化剂技术的空白。

“我们的SCR烟气脱硝装置采用高尘型工艺,反应器布置在省煤器与空气预热器之间。每台锅炉设2台SCR反应器,关于锅炉中心线对称布置。经过测试,脱硝效率与氨逃逸、SO2/SO3转化率、反应器整体烟气阻力、氨耗量等指标都合格。”希捷环保总经理王志民表示。

一场新的技术变革到来

据预测,到2030年,中国NOx排放量将达到35.4Mt(兆吨),其中固定源(火电厂、水泥厂、锅炉等)排放量占50%左右。“这正是减排的关键所在。而对火电厂等企业排出的污染物进行脱硝的关键在于催化剂,催化性能的高低直接影响到脱硝系统的整体脱硝效率。”王志民说。

传统的脱硝催化剂以钒基脱硝催化剂为主,其投放市场较早且技术成熟、应用较广。钒钛系脱硝催化剂核心技术掌握在少数发达国家手中,我国在该技术领域还有很多性能待优化。

经过多年的努力,国内钒钛系催化剂技术日趋成熟,国产化率较高。但是据南京工业大学教授祝社民介绍,“我们没有自主的知识产权,且钒钛系脱硝催化剂具有毒性对环境造成污染,研发自主知识产权、高效低成本的SCR脱硝催化剂具有非常重要的现实意义。”

由于废烟气脱硝催化剂(钒钛系)具有浸出毒性等危险特性,它被归类为《国家危险废物名录》中“HW50其他废物”。

祝社民解释道:“钒钛系脱硝催化剂使用的主要活性成分是五氧化二钒(V2O5),它是一种高毒物质,按照职业性接触毒物危害程度分级属于高度危害,对人体的呼吸系统和皮肤会产生严重损害。”

2016年,《国家鼓励的有毒有害原料(产品)替代品目录(2016年版)》明确将稀土基脱硝催化剂列为钒基脱硝催化剂的替代品。一场新的技术变革悄然到来。

优化脱硝催化剂的性能

“现有技术条件下催化剂的使用寿命一般为3年,自2015年起,我国每年产生替换下来的钒钛系有毒脱硝催化剂高达30万~40万立方米,大量废弃有毒催化剂如保管或处理不当,极易污染土壤及地下水,给我国环境造成巨大隐患。”王志民急在心上。

如何在催化剂中充分利用好稀土材料独特的4f轨道结构和优异的氧化还原性质,成为近年来研究的重点。

稀土基脱硝催化剂的活性成分是由镧、铈、钇等稀土元素氧化物和其他过渡金属氧化物组成,以钛基陶瓷为第一载体、钛锆复合金属氧化物为第二载体,利用稀土元素具有未充满电子的4f轨道作为催化剂活性成分,它使用时表现出电子“存储器”的性质,有效地解决了氧化铈作为活性物质时酸性较弱的问题。

希捷环保的产品不仅彻底摆脱了五氧化二钒成分,还针对钒基脱硝催化剂的各项性能进行了优化。

王志民表示,发电厂在排烟的过程中,烟气在催化剂内从湍流转变为层流,灰分颗粒倾向于翻转并在整个通道长度内冲击催化剂内壁,所以磨损从上至下是均匀的,体积密度小的薄壁催化剂是使用不了多长时间的。

希捷环保在脱硝催化剂的高强度、高比表面、可控孔制备技术方面,增加了比表面和催化活性,解决了高活性与高强度、高耐磨性能间的矛盾,从而有效地延长了催化剂的使用寿命。

“目前钒钛系催化剂有一个致命的问题,即当烟气温度在300℃以下时,催化性能下降、活性降低。”希捷环保总工程师周广贺解释道,“为此,我们突破了两项核心技术,将稀土基SCR烟气脱硝催化剂的性能进一步优化。”

促进稀土产业健康发展

环境保护税法规定,对废钒钛系脱硝催化剂等类似危险废物每吨征收1000元的环境保护税,是稀土脱硝催化剂等普通固体废物的40倍。王志民说:“以目前技术水平,钒钛系脱硝催化剂的危废处理费用达每立方米6000~7000元,额外增加了使用企业的负担。”

近年来,希捷环保已经实现年产5万立方米稀土基SCR烟气脱硝催化剂,产品可以用于燃煤电厂、工业燃煤锅(窑)炉、水泥厂、焦化厂、生物电厂、石油焦燃烧企业、玻璃厂等排放的氮氧化物污染物治理。

王志民介绍:“项目一期于2018年正式建成投产,生产过程采用先进的蜂窝体挤出工艺和烧成方案,自动化程度高、运行可靠。”

“公司产品自2012年投放市场以来,已成功应用于100余项脱硝工程,涵盖了燃煤发电、玻璃、焦化、冶炼、陶瓷和化工等行业。各项工程均达到了国家环保排放标准,取得了良好的使用效果。有一些脱硝催化剂已经运行超过24000小时,但依然运行良好,目前仍在使用中。”王志民对未来信心百倍。

数据显示,“十三五”期间国内约有85万立方米左右的催化剂在运行,预计从2018年开始每年替换下来的废钒钛系脱硝催化剂将高达30万立方米。

王志民表示:“若将钒钛系脱硝催化剂全部替换为稀土脱硝催化剂,每年将减少危险废物30万立方米。稀土脱硝催化剂还能平衡利用北方稀土丰富的镧铈轻稀土资源,促进稀土产业健康发展。”

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