稀土基SCR烟气脱硝催化剂 促进稀土产业健康发展

7月11日，记者来到华能淄博白杨河发电有限公司6 #炉，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--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--7000元/m3，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m3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m3。若全部替换为稀土脱硝催化剂，每年减少危险废物30万m3。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。