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輕稀土不可輕視——稀土催化研究或為我國“藍天保衛戰”建奇功

編著:科技日報     來源:https://mp.weixin.qq.com/s/vXFPpwpLrk4NCGY-f2-l8Q

“我們研發的低溫稀土鈰基催化劑,在新疆天富南熱電有限公司的125MW發電機組的側線裝置上實現了3000小時以上的穩定運行,脫硝效率達55%以上,填補了我國在超低溫(100℃)脫硝領域的空白。”


6月13日,南京大學教授董林告訴科技日報記者,這項國家863稀土重大專項課題,去年順利通過科技部驗收后,今年已在燃氣鍋爐、燃煤發電機組、水泥窯爐、化工裝置等四個行業開展示范應用,一旦取得成功將解決氮氧化物超低溫催化消除的世界級難題,或為我國正在推進的“超潔凈”排放建立奇功。


 


課題成果在水泥行業煙氣治理中的示范應用

  

長期被輕視的輕稀土資源

在化學元素周期表中,稀土指的是鑭系元素和鈧、釔共17種金屬元素的總稱。


稀土“大家族”有輕稀土和中重稀土之分。鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪為輕稀土元素,亦稱鈰組稀土元素;鈧、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥和釔為中重稀土元素,亦稱釔組稀土元素。



雖然同為稀土,但是輕中重稀土的電子層結構和物理化學性質皆不同。


在應用上,中重稀土資源稀缺,可用于航天、軍事、國防及新材料合成等高科技領域,價格昂貴,可替代性小。在世界談判桌上,中重稀土是我國的一張強有力底牌。


而輕稀土則被業內人士戲稱為“假稀土”,雖然存量大,但高附加值利用問題一直未能得到很好解決。“比如鑭用在石化產業石油催化裂化的分子篩催化劑中,鈰用在汽車尾氣凈化中,但是它們就像‘工業味精’,用量偏小,作用有限。”董林介紹說,但是稀土礦有個特點,往往是一開采,很多種稀土元素都伴生在一起。過去,許多企業分離出價值較高的中重稀土,輕稀土大多被閑置或當成廢物丟棄了。


董林告訴記者,1992年他在南京大學攻讀博士期間,開始研究輕稀土催化材料,當時相關研究不多,想要查找到相關的文獻資料都比較困難。


“用好稀土資源,提升其附加值,變稀土大國為稀土強國,是我們這一代人的責任,也是我們科學家的責任。”董林認為,稀土研究的核心技術與稀土礦產資源同樣重要,輕稀土不可輕視。


固定源煙氣處理有待優化

2014年7月,被稱為“史上最嚴”的《火電廠大氣污染物排放標準》開始實施,標準要求火電廠氮氧化物的排放濃度必須小于100毫克/立方米,要達到這一標準,燃煤電廠必須加設脫硝裝置。也正是從那一刻起,火電廠的環保治理節奏由“脫硫”正式邁入“脫硝”時代。


轉眼間,火電廠集中上馬脫硝裝置已經四年多,超低排放大馬力推進,減排收效不俗。然而,新問題又來了。


據董林介紹,煤炭在鍋爐中燃燒后排出來的煙氣,大約在300-400℃。通行的處理做法是,首先使用催化劑并噴氨水,進行脫硝;第二步,使用布袋除塵;最后,通過噴淋堿性液體去除硫氧化物。


“目前市場上大量使用的釩鈦系催化劑,由日本及歐美國家研制并廣泛使用。它有一個致命的問題,即當煙氣溫度在300℃以下時,催化性能下降,活性降低。”董林說,此外,國家已經將釩物種列入危險固體廢棄物清單,,廢棄后的釩鈦催化劑需要具有資質的企業來進行專業處置。


因此,我國在超低溫條件(100-150℃)下的脫硝技術,仍面臨諸多挑戰。想要滿足《火電廠大氣污染物排放標準》,僅僅依靠釩鈦系催化劑,已經無能為力。


業內人士預測稱,火電廠用于脫硝治理的釩鈦系催化劑將在今年迎來集中更換期。考慮到其適用性不佳、后期處置成本較高的因素,研發新型催化劑成為我國環保領域的新課題。


 


超低溫稀土脫硝催化劑實物圖和工業側線試驗運行結果


我國稀土催化材料異軍突起

近年來,稀土材料由于其獨特的4f軌道結構和優異的氧化還原性質,成為研究開發的重點。其中,輕稀土催化材料在治理汽車尾氣、鍋爐煙塵等方面異軍突起。


基于國家當前嚴峻的大氣環境污染現狀,以及燃煤電廠在現有煙氣處理運行模式下遇到的種種問題,2015年,南京大學與新疆石河子大學、新疆天富集團有限責任公司共同申報并實施國家“863”計劃《固定源煙氣處理稀土催化材料的應用與開發》,他們創新性地提出了“除塵-脫硫-低溫脫硝”技術路線,即在電廠原有設備的尾端進行煙氣脫硝處理。其核心技術就是研發低溫稀土鈰基催化劑。



 

傳統燃煤電廠的SCR脫硝工藝路線和863項目采用的低溫脫硝工藝路線


“在300℃以下,恰好是稀土催化劑性能最佳的區間,鈰元素展現出獨特的性能,遠遠低于目前已有工業脫硝催化劑的溫度。”董林說,“經過這一催化反應流程,氮氧化物含量從100-200毫克降低到50或30毫克甚至更低。” 


此外,與目前廣泛使用的釩鈦系催化劑相比,稀土催化劑不含有毒的釩,有效避免了催化劑的危廢處置問題。


 


 


課題成果在化工行業廢氣治理中的示范應用


董林表示,在這一領域我國的研究和示范應用已走在世界前列。目前,已實現3000小時平穩運行,接下來就交給時間去驗證,而他們對此很有信心。


“除了燃煤火電,我國還有大量的鋼鐵、焦化、水泥、玻璃、陶瓷、垃圾焚燒等企業,急需進行煙氣排放治理,低溫脫硝是無法回避的環節。”董林說,低溫稀土鈰基脫硝催化劑為這些行業的煙氣處理提供了一條全新的技術途徑。


目前,以南京大學為牽頭單位,與沈陽化工大學、中國石油大學(北京)、天津大學、中國科學院大連化學物理研究所等單位,正共同籌備成立中國化工學會稀土催化與過程專業委員會,將針對國家戰略需求,集中力量攻克制約稀土發展的卡脖子關鍵科學技術難題。


來源:科技日報  文中圖片由作者提供

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