绿色卫士:稀土基催化剂的强力去“污”之路

2019年07月11日 11:48 10935次浏览 来源:   分类: 稀土   作者:

导读:   近日,笔者来到华能淄博白杨河发电有限公司6#炉现场,揭开SCR催化剂改造工程的神秘面纱。

近日,笔者来到华能淄博白杨河发电有限公司6#炉现场,揭开SCR催化剂改造工程的神秘面纱。

“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,SCR反应器内布置4层催化剂,第1层和第4层的催化剂为18孔,第2层和第3层的催化剂为15孔,每层排布5×9个模块,每个模块内72条产品。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、氨耗量等指标都考核合格。”内蒙古希捷环保科技有限责任公司(以下简称希捷环保)总经理王志民向笔者讲解道。

据悉,从2014年7月投运以来,该工程的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。

脱硝催化剂的未来走向

SO2和NOx作为大气的主要污染物引起了人们的广泛关注。据预测,到2030年,在基准国情下中国NOx排放量将达到35.4Mt。“其中固定源(火电厂,水泥厂,锅炉等)排放量占50%左右,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,其催化性能的高低直接影响到脱硝系统的整体脱硝效率。”王志民说道。

传统的脱硝催化剂主要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,还有很多性能待优化。经过多年的努力,钒钛系催化剂技术也日趋成熟,国产化率很高。“但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,所以研究具有自主知识产权、高效低成本的SCR脱硝催化剂具有非常重要的现实意义。”南京工业大学教授祝社民告诉笔者。

2014年,环境保护部出台《关于加强废烟气脱硝催化剂监管工作的通知》,明确规定废烟气脱硝催化剂(钒钛系)具有浸出毒性等危险特性,将其归类为《国家危险废物名录》中“HW49其他废物”,对脱硝催化剂的使用管理提出了更加严格的要求。同时由工业和信息化部、科学技术部和环境保护部于2016年12月14日共同发布的《国家鼓励的有毒有害原料(产品)替代品目录(2016年版)》中明确将稀土基脱硝催化剂列为钒基脱硝催化剂的替代品。

“其实,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(GBZ 230-2010)属于高度危害,对人体的呼吸系统和皮肤会产生严重损害。”祝社民介绍道,替代它势在必行。

稀土基SCR烟气脱硝催化剂的

技术特点

近年来,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,其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使用时表现出电子“存储器”的性质,有效地储存伴氧空位形成所产生的自由电子,进而很好的促进分子氧的吸附和活化,有效地解决了氧化铈作为活性物质时酸性较弱的问题。产品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。

“比如发电厂等在排烟的过程中,烟气在催化剂内从湍流转变为层流,灰分颗粒(不规则形状)并不遵从层流模式,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地。”王志民继续给笔者讲解着,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,成孔剂γ-Al2O3和离子掺杂实现了晶型,晶粒,孔数量、结构、分布的调控,增加比表面和催化活性,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讲解着,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。

通过Zr4+等助催化离子掺杂,进行了结构与缺陷调控,首次发现材料结构缺陷会引发催化剂表面酸性位变化,提出了多元氧化物同时存在B、L酸性位的新假说。拓宽了活性温度窗口。提出了结构助催化理论提高氧化还原性能,增强催化剂稳定性。突破了传统支撑体仅限于骨架功能的概念,发明了助催化脱硝功能的Al2TiO5-TiO2-SiO2多相蜂窝陶瓷支撑体。利用国产TiO2、SiO2、Al2O3为原料通过化学修饰、纳米改性和引入非化学计量,使得支撑体的表面结构缺陷氧空位增加、表面酸性提高、比表面积加大、脱硝活性增强,支撑体的强度增加、热膨胀系数大大降低。

“现有技术条件下催化剂的使用寿命一般为三年(24000h),据测算,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将高达30万立方米~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,给我国环境造成二次污染的巨大隐患。”王志民急在心上。

稀土基SCR烟气脱硝催化剂

使用地必然性

替换下来的钒钛系有毒脱硝催化剂,以目前技术水平,钒钛系脱硝催化剂的危废处理费用达6000元/立方米~7000元/立方米,额外增加了使用企业的负担。

“而且环境保护税法规定,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。”王志民说道。

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(GB/T34700-2017)的稀土型选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂,填补了国内外烟气脱硝催化剂技术的空白,技术性能达到了国际领先水平。

利用专利技术年产5万立方米稀土基SCR烟气脱硝催化剂,产品适用于燃煤电厂、工业燃煤锅(窑)炉、水泥厂、焦化厂、生物电厂、石油焦燃烧企业、玻璃厂等行业排放的氮氧化物污染物治理。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,技术水平先进,运行可靠。

“我公司产品自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、水泥、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。

据王志民测算,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。若全部替换为稀土脱硝催化剂,每年减少危险废物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。

(李宝乐)

责任编辑:周大伟

如需了解更多信息,请登录中国有色网:www.cnmn.com.cn了解更多信息。

中国有色网声明:本网所有内容的版权均属于作者或页面内声明的版权人。
凡注明文章来源为“中国有色金属报”或 “中国有色网”的文章,均为中国有色网原创或者是合作机构授权同意发布的文章。
如需转载,转载方必须与中国有色网( 邮件:mqk@cnmn.com.cn 或 电话:010-63971479)联系,签署授权协议,取得转载授权;
凡本网注明“来源:“XXX(非中国有色网或非中国有色金属报)”的文章,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不构成投资建议,仅供读者参考。
若据本文章操作,所有后果读者自负,中国有色网概不负任何责任。