绿色高效稀土催化剂是“大烟囱”的强力去污剂

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近日，内蒙古希捷环保科技有限公司(以下简称希捷环保)宣布，其自主研发的稀土脱硝催化剂已安全使用2.4万多小时，性能稳定，仍处于安全运行状态。

脱硝催化剂是指应用于电厂选择性催化还原脱硝系统的催化剂，是指在选择性催化还原反应中，促进还原剂在一定温度下与烟气中的氮氧化物选择性反应的物质。此外，脱硝催化剂是电厂生产中烟气排放的重要材料，关系到环保和企业生产的成败。

“全新的SCR烟气脱硝装置采用高粉尘工艺设计，反应器布置在省煤器和+0气体预热器之间。SCR反应器配有四层催化剂，每层配有5×9个模块，每个模块包含72种产品。经测试，脱硝效率、氨逃逸、SO2/SO3转化率、反应器整体烟气阻力、氨耗等指标均合格。”希捷环保总经理王志民表示。

传统脱硝催化剂具有一定的毒性

二氧化硫和氮氧化物作为大气中的主要污染物，一直是污染控制的重点。预计到2030年，在基准国情下，中国氮氧化物排放量将达到35.4万亿吨。

“固定来源的排放(火力发电厂、水泥厂、锅炉等。)约占总排放量的50%,这是减排的关键。火电厂和其他企业排放污染物脱硝的关键在于催化剂。催化性能直接影响脱硝系统的整体脱硝效率。”王治民说道。

据了解，传统脱硝催化剂主要是钒基脱硝催化剂，投放市场较早，技术成熟，应用广泛。钒基脱硝催化剂的核心技术长期掌握在少数发达国家手中。尽管近年来本地化率不断提高，但仍有许多性能有待优化。

“此外，钒钛脱硝催化剂具有一定的毒性，仍会在一定程度上污染环境。基于这些事实，在全国范围内研究具有自主知识产权、高效、低成本的稀土无毒SCR脱硝催化剂具有重要意义。”南京工业大学教授朱社民告诉《科技日报》记者。

“事实上，钒钛脱硝催化剂中使用的主要活性成分是五氧化二钒(V2O5)，这是一种剧毒物质，根据职业接触毒物的危害程度，它具有很高的危险性，会对人体呼吸系统和皮肤造成严重损害。因此，必须用新产品来代替。”朱社民说道。

此后，如何充分利用稀土材料独特的4f轨道结构和优异的氧化还原性能，成为R&D高科技企业团队的研究重点。

最大化催化剂性能

记者在包头华能淄博白杨河发电有限公司6号锅炉近距离观察了解了SCR脱硝系统和稀土脱硝催化剂。技术人员称，稀土基脱硝催化剂的活性组分由镧、铈、钇等稀土氧化物和其他过渡金属氧化物组成，钛基陶瓷为第一载体，钛锆复合金属氧化物为第二载体。利用稀土元素作为催化剂活性组分时的电子“记忆”性质，在4f轨道结构中不充满电子，伴随氧空位置形成的自由电子被有效储存，从而充分促进分子氧的吸附和活化。该产品完全摆脱了传统催化剂五氧化二钒的成分，优化了钒基脱硝催化剂的性能。

王志民说:“层流和湍流是流体流动的特性。当流体流动时，如果流体颗粒的轨迹是一条规则的光滑曲线，这种流动称为层流，而没有这种性质的流动称为湍流。例如，在发电厂排烟过程中，烟气在催化剂中从湍流变为层流。灰分颗粒不遵循层流模式，而是倾向于翻转并冲击整个通道长度上的催化剂内壁，因此其磨损是自上而下的。均匀，因此大体积小密度的薄壁催化剂的使用时间非常有限。”

在一种材料中，加入少量其他元素或化合物使材料产生特定的电、磁和光性能，从而具有实际应用价值或特定用途的过程称为掺杂。在高强度、高比表面积、可控孔脱硝催化剂的制备技术中，研究团队实现了造孔剂γ-Al2O3的晶型、粒度、孔数、结构和分布以及离子掺杂的一系列调控，提高了比表面积和催化活性，解决了高活性与高强度、高耐磨性的矛盾，有效延长了催化剂的使用寿命。

“钒钛催化剂还有一个致命的问题，即当烟气温度低于300℃时，催化性能和活性会降低。希捷环保的核心技术最大限度地提高了稀土基SCR烟气脱硝催化剂的性能。”希捷环保总工程师周光河评论道。

首先，该团队通过掺杂Zr4+和其他助催化离子来调整结构和缺陷。首次发现材料的结构缺陷会导致催化剂表面酸性位的变化。然后，提出了一个新的假设，即多种氧化物同时具有酸中心和酸中心，从而拓宽了催化剂的活性温度窗口。

其次，技术团队突破了传统催化剂载体仅限于骨架功能的概念。多相蜂窝陶瓷由于具有多孔和薄壁的特点，大大增加了载体的几何表面积，提高了抗热震性，是一种很好的催化载体材料。根据这一特点，该团队发明了具有催化脱硝功能的氧化铝-二氧化钛-二氧化硅多相蜂窝陶瓷载体。以国产二氧化钛、二氧化硅和三氧化二铝为原料，通过化学改性、纳米改性和引入非化学计量比，载体的表面结构缺陷氧空位增加，表面酸性增加，比表面积增加，脱硝活性增强，载体强度增加，热膨胀系数大幅降低。

它已经通过了24000小时的测试

记者从希捷环保有限公司的大事记中了解到，依托南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的技术，在国家自然科学基金、国家863计划和国家科技支撑计划的支持下，我国自主知识产权的符合国家标准(GB/T34700-2017)的稀土选择性催化还原脱硝催化剂填补了国内外烟气脱硝催化剂技术的空空白

王志民表示，新产品的市场前景是基于目前的生产情况:“钒钛催化剂的使用寿命一般为3年(24000小时)。据估计，自2015年以来，中国每年都生产替代的钒钛有毒脱硝催化剂。多达30-40万立方米的废弃有毒催化剂，如储存或处置不当，很容易污染土壤和地下水，给环境二次污染带来巨大的隐患。”

据了解，以我国目前的技术水平，火力发电厂等企业替代钒钛有毒脱硝催化剂的危险废物处理成本为6000-7000元/立方米，这无疑增加了企业的负担。

《环境保护税法》规定，每吨废弃钒钛脱硝催化剂等类似危险废物征收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倍王治民说道。据估计，在“十三五”期间，中国大约有85万立方米的催化剂在运行。如果全部用稀土脱硝催化剂替代，每年从“大烟囱”排放的危险废物量将减少30万立方米。此外，稀土脱硝催化剂的生产可以实现我国北方镧铈轻稀土资源的平衡利用，促进我国稀土产业的健康发展。

目前，希捷环保已建成年产5万立方米稀土基SCR烟气脱硝催化剂生产线，适用于燃煤电厂、工业燃煤锅炉、水泥、焦化、生物发电和石油焦燃烧企业中氮氧化物污染物的处理。

王志民说:“该产品自投放市场以来，已成功应用于100多个脱硝项目。这种催化剂最长已经运行了24，000多个小时，但它仍然运行良好，并且仍在使用中。”(李宝乐、张景阳)

纪爱玲

来源：搜狐微门户