日前，內蒙古希捷環(huán)?？萍加邢挢熑喂?以下簡(jiǎn)稱(chēng)希捷環(huán)保)對外公布消息，其自主研發(fā)生產(chǎn)的稀土基脫硝催化劑已安全使用超過(guò)24000小時(shí)，性能穩定，仍在安全運行中。
脫硝催化劑指應用在電廠(chǎng)SCR(選擇性催化還原)脫硝系統上的催化劑，是在SCR反應中，促使還原劑選擇性的與煙氣中的氮氧化物在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應的物質(zhì)。而且，脫硝催化劑是電廠(chǎng)生產(chǎn)中煙氣排放環(huán)節至關(guān)重要的一種材料，關(guān)乎環(huán)境保護成敗和企業(yè)生產(chǎn)成敗。
“全新的SCR煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝設計，反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間，SCR反應器內布置4層催化劑，每層排布5×9個(gè)模塊，每個(gè)模塊內72條產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)測試，脫硝效率與氨逃逸、SO2/SO3轉化率、反應器整體煙氣阻力、氨耗量等指標都考核合格。”希捷環(huán)?？偨?jīng)理王志民介紹說(shuō)。
傳統脫硝催化劑有一定毒害
二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)作為大氣的主要污染物，一直是污染治理的重點(diǎn)，據預測，到2030年，我國在基準國情下氮氧化物排放量將達到35.4兆噸。
“其中固定源(火電廠(chǎng)，水泥廠(chǎng)，鍋爐等)排放量約占總排放量的50%左右，是減排的關(guān)鍵所在。而對火電廠(chǎng)等企業(yè)排出的污染物進(jìn)行脫硝的關(guān)鍵就在于催化劑，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(shuō)。
據了解，傳統的脫硝催化劑主要以釩基脫硝催化劑為主，投放市場(chǎng)較早，技術(shù)成熟、應用較廣。釩基脫硝催化劑核心技術(shù)長(cháng)期掌握在少數發(fā)達國家手中，盡管近年來(lái)國產(chǎn)化率不斷提升，但是仍有很多性能待優(yōu)化。
“此外，釩鈦系脫硝催化劑具有一定毒性，仍會(huì )對環(huán)境造成一定程度污染?；谶@些事實(shí)，在全國范圍內研究具有自主知識產(chǎn)權、高效低成本的稀土無(wú)毒SCR脫硝催化劑具有極為重要的意義。”南京工業(yè)大學(xué)教授祝社民表示。
“其實(shí)，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屬于高度危害，對人體的呼吸系統和皮膚會(huì )產(chǎn)生嚴重損害。因此，用新產(chǎn)品實(shí)現替代是勢在必行的。”祝社民說(shuō)。
自此，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(yōu)異的氧化還原性質(zhì)，成為高新技術(shù)企業(yè)研發(fā)團隊研究的重點(diǎn)。
最大程度優(yōu)化催化劑性能
在位于包頭市的華能淄博白楊河發(fā)電有限公司六號爐，近距離觀(guān)察和了解了SCR脫硝系統和稀土基脫硝催化劑。技術(shù)人員介紹，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、鈦鋯復合金屬氧化物為第二載體，利用稀土元素具有在未充滿(mǎn)電子的4f軌道結構內作為催化劑活性成分使用時(shí)表現出電子“存儲器”的性質(zhì)，有效地儲存伴氧空位形成產(chǎn)生的自由電子，進(jìn)而充分促進(jìn)分子氧的吸附和活化。產(chǎn)品徹底擺脫了傳統催化劑五氧化二釩的成分，還針對釩基脫硝催化劑的各項性能進(jìn)行了優(yōu)化。
王志民說(shuō)：“層流和湍流是流體流動(dòng)的一種性質(zhì)。流體流動(dòng)時(shí)，如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡是有規則的光滑曲線(xiàn)，這種流動(dòng)叫層流，沒(méi)有這種性質(zhì)的流動(dòng)叫湍流。比如說(shuō)發(fā)電廠(chǎng)等在排煙的過(guò)程中，煙氣在催化劑內從湍流轉變?yōu)閷恿?，灰分顆粒并不遵從層流模式，而是傾向于翻轉并在整個(gè)通道長(cháng)度內沖擊催化劑內壁，因而其磨損從上至下是均勻的，這樣一來(lái)，體積大密度小的薄壁催化劑使用時(shí)間十分有限。”
在一種材料中，摻入少量其他元素或化合物，以使材料產(chǎn)生特定的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性能，從而具有實(shí)際應用價(jià)值或特定用途的過(guò)程稱(chēng)為摻雜。研究團隊在脫硝催化劑高強度、高比表面、可控孔制備技術(shù)方面，實(shí)現了成孔劑γ-Al2O3和離子摻雜的晶型、晶粒、孔數量、結構、分布的一系列調控，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(cháng)了催化劑的使用壽命。
“釩鈦系催化劑還有一個(gè)致命的問(wèn)題，即當煙氣溫度在300℃以下時(shí)，催化性能會(huì )下降，活性會(huì )降低。而希捷環(huán)保的核心技術(shù)，將稀土基SCR煙氣脫硝催化劑的性能實(shí)現了最大程度優(yōu)化。”希捷環(huán)保的總工程師周廣賀評價(jià)說(shuō)。
團隊首先通過(guò)Zr4+等助催化離子摻雜，進(jìn)行了結構與缺陷調控，首次發(fā)現材料結構缺陷會(huì )引發(fā)催化劑表面酸性位變化，進(jìn)而提出多元氧化物同時(shí)存在B、L酸性位的新假說(shuō)，拓寬了催化劑活性溫度窗口。
其次，技術(shù)團隊突破了傳統催化劑支撐體僅限于骨架功能的概念。多相蜂窩陶瓷，由于多孔薄壁的特點(diǎn)，大大增加了載體的幾何表面積并改善了抗熱沖擊性能，是催化載體的好材料。團隊根據此特性，發(fā)明了助催化脫硝功能的Al2TiO5-TiO2-SiO2多相蜂窩陶瓷支撐體，利用國產(chǎn)TiO2、SiO2、Al2O3為原料通過(guò)化學(xué)修飾、納米改性和引入非化學(xué)計量，使得支撐體的表面結構缺陷氧空位增加、表面酸性提高、比表面積加大、脫硝活性增強，支撐體的強度增加、熱膨脹系數大大降低。
已經(jīng)過(guò)24000小時(shí)的考驗
從希捷環(huán)保公司的大事記中看到，依托南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室技術(shù)，在國家自然科學(xué)基金、國家863計劃專(zhuān)項、國家科技支撐計劃的支持下，成功研發(fā)生產(chǎn)出具有我國自主知識產(chǎn)權、符合國家標準(GB/T34700-2017)的稀土型選擇性催化還原(SCR)脫硝催化劑，填補了國內外煙氣脫硝催化劑技術(shù)的空白，技術(shù)性能達到了國際領(lǐng)先水平。
王志民表示，新產(chǎn)品的市場(chǎng)前景是基于生產(chǎn)現狀的：“釩鈦系催化劑的使用壽命一般為3年(24000小時(shí))，據測算，自2015年起，我國每年產(chǎn)生替換下來(lái)的釩鈦系有毒脫硝催化劑將多達30—40萬(wàn)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，給環(huán)境二次污染帶來(lái)巨大的隱患。”
據了解，以我國目前的技術(shù)水平，火電廠(chǎng)等企業(yè)替換下來(lái)的釩鈦系有毒脫硝催化劑，其危廢處理費用達6000—7000元/立方米，無(wú)疑額外增加了企業(yè)負擔。
“而且環(huán)境保護稅法規定，對廢釩鈦系脫硝催化劑等類(lèi)似危險廢物每噸征收1000元的環(huán)境保護稅，這是稀土脫硝催化劑等普通固體廢物的40倍。”王志民說(shuō)。據測算，十三五期間我國約有85萬(wàn)立方米左右的催化劑在運行使用，如果全部替換為稀土脫硝催化劑，每年將減少“大煙囪”排出危險廢物30萬(wàn)立方米。此外，稀土脫硝催化劑的生產(chǎn)還能實(shí)現我國北方鑭鈰輕稀土資源的平衡利用，促進(jìn)我國稀土產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
目前，希捷環(huán)保已經(jīng)依靠專(zhuān)利技術(shù)建立起年產(chǎn)5萬(wàn)立方米稀土基SCR煙氣脫硝催化劑生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)品適用于燃煤電廠(chǎng)、工業(yè)燃煤鍋爐、水泥、焦化、生物發(fā)電、石油焦燃燒企業(yè)的氮氧化物污染物治理。
王志民表示：“產(chǎn)品自投放市場(chǎng)以來(lái)，已成功應用于100余項脫硝工程，催化劑最長(cháng)已經(jīng)運行超過(guò)24000小時(shí)，但依然運行良好，目前仍在使用中。”
