日前，內(nèi)蒙古希捷環(huán)?？萍加邢挢熑喂?以下簡稱希捷環(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24000小時，性能穩(wěn)定，仍在安全運行中。

脫硝催化劑指應(yīng)用在電廠SCR(選擇性催化還原)脫硝系統(tǒng)上的催化劑，是在SCR反應(yīng)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(yīng)的物質(zhì)。而且，脫硝催化劑是電廠生產(chǎn)中煙氣排放環(huán)節(jié)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(shè)計，反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，SCR反應(yīng)器內(nèi)布置4層催化劑，每層排布5×9個模塊，每個模塊內(nèi)72條產(chǎn)品。經(jīng)過測試，脫硝效率與氨逃逸、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器整體煙氣阻力、氨耗量等指標都考核合格。”希捷環(huán)保總經(jīng)理王志民介紹說。

傳統(tǒng)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，據(jù)預(yù)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，水泥廠，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。而對火電廠等企業(yè)排出的污染物進行脫硝的關(guān)鍵就在于催化劑，催化性能的高低直接影響到脫硝系統(tǒng)的整體脫硝效率。”王志民說。

據(jù)了解，傳統(tǒng)的脫硝催化劑主要以釩基脫硝催化劑為主，投放市場較早，技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣。釩基脫硝催化劑核心技術(shù)長期掌握在少數(shù)發(fā)達國家手中，盡管近年來國產(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，仍會對環(huán)境造成一定程度污染?；谶@些事實，在全國范圍內(nèi)研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)、高效低成本的稀土無毒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，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(tǒng)和皮膚會產(chǎn)生嚴重損害。因此，用新產(chǎn)品實現(xiàn)替代是勢在必行的。”祝社民說。

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(jié)構(gòu)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。

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，近距離觀察和了解了SCR脫硝系統(tǒng)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渡金屬氧化物組成，以鈦基陶瓷為第一載體、鈦鋯復(fù)合金屬氧化物為第二載體，利用稀土元素具有在未充滿電子的4f軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)作為催化劑活性成分使用時表現(xiàn)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，進而充分促進分子氧的吸附和活化。產(chǎn)品徹底擺脫了傳統(tǒng)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行了優(yōu)化。

王志民說：“層流和湍流是流體流動的一種性質(zhì)。流體流動時，如果流體質(zhì)點的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線，這種流動叫層流，沒有這種性質(zhì)的流動叫湍流。比如說發(fā)電廠等在排煙的過程中，煙氣在催化劑內(nèi)從湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎曳诸w粒并不遵從層流模式，而是傾向于翻轉(zhuǎn)并在整個通道長度內(nèi)沖擊催化劑內(nèi)壁，因而其磨損從上至下是均勻的，這樣一來，體積大密度小的薄壁催化劑使用時間十分有限。”

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，從而具有實際應(yīng)用價值或特定用途的過程稱為摻雜。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，實現(xiàn)了成孔劑γ-Al2O3和離子摻雜的晶型、晶粒、孔數(shù)量、結(jié)構(gòu)、分布的一系列調(diào)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，從而有效地延長了催化劑的使用壽命。

“釩鈦系催化劑還有一個致命的問題，即當煙氣溫度在300℃以下時，催化性能會下降，活性會降低。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現(xiàn)了最大程度優(yōu)化。”希捷環(huán)保的總工程師周廣賀評價說。

團隊首先通過Zr4+等助催化離子摻雜，進行了結(jié)構(gòu)與缺陷調(diào)控，首次發(fā)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)缺陷會引發(fā)催化劑表面酸性位變化，進而提出多元氧化物同時存在B、L酸性位的新假說，拓寬了催化劑活性溫度窗口。

其次，技術(shù)團隊突破了傳統(tǒng)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，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(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)大大降低。

已經(jīng)過24000小時的考驗

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)工程國家重點實驗室技術(shù)，在國家自然科學(xué)基金、國家863計劃專項、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(quán)、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(nèi)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)品的市場前景是基于生產(chǎn)現(xiàn)狀的：“釩鈦系催化劑的使用壽命一般為3年(24000小時)，據(jù)測算，自2015年起，我國每年產(chǎn)生替換下來的釩鈦系有毒脫硝催化劑將多達30—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，給環(huán)境二次污染帶來巨大的隱患。”

據(jù)了解，以我國目前的技術(shù)水平，火電廠等企業(yè)替換下來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，無疑額外增加了企業(yè)負擔。

“而且環(huán)境保護稅法規(guī)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(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。據(jù)測算，十三五期間我國約有85萬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30萬立方米。此外，稀土脫硝催化劑的生產(chǎn)還能實現(xiàn)我國北方鑭鈰輕稀土資源的平衡利用，促進我國稀土產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

目前，希捷環(huán)保已經(jīng)依靠專利技術(shù)建立起年產(chǎn)5萬立方米稀土基SCR煙氣脫硝催化劑生產(chǎn)線，產(chǎn)品適用于燃煤電廠、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)品自投放市場以來，已成功應(yīng)用于100余項脫硝工程，催化劑最長已經(jīng)運行超過24000小時，但依然運行良好，目前仍在使用中。”