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記者了解到,南京大學教授董林告訴記者,我們研發(fā)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(fā)電機組的側(cè)線裝置上實現(xiàn)了3000小時以上的穩(wěn)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。”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(fā)電機組、水泥窯爐、化工裝置4個行業(yè)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。
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,但是輕稀土和中重稀土的電子層結(jié)構和物理化學性質(zhì)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。
而輕稀土則被業(yè)內(nèi)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(chǎn)業(yè)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(yè)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(yè)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(chǎn)資源同樣重要,輕稀土不可輕視。
固定源煙氣處理有待優(yōu)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(huán)保治理節(jié)奏由“脫硫”正式邁入“脫硝”時代。
轉(zhuǎn)眼間,火電廠集中上馬脫硝裝置已經(jīng)4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(jù)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(jīng)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(zhì)的企業(yè)來進行專業(yè)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(zhàn)。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(jīng)無能為力。
業(yè)內(nèi)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??紤]到其適用性不佳、后期處置成本較高的因素,研發(fā)新型催化劑成為我國環(huán)保領域的新課題。
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(jié)構和優(yōu)異的氧化還原性質(zhì),成為研究開發(fā)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。
針對國家當前嚴峻的大氣環(huán)境污染現(xiàn)狀,以及燃煤電廠在現(xiàn)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(fā)》,他們創(chuàng)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(fā)低溫稀土鈰基催化劑。
“在300℃以下,恰好是稀土催化劑性能最佳的區(qū)間,鈰元素展現(xiàn)出獨特的性能,遠遠低于目前已有工業(yè)脫硝催化劑的溫度。”董林說,“經(jīng)過這一催化反應流程,氮氧化物含量從100—200毫克/立方米降低到50或30毫克/立方米甚至更低。”
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。
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(xiàn)3000小時平穩(wěn)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(yè),急需進行煙氣排放治理,低溫脫硝是無法回避的環(huán)節(jié)。”董林說,低溫稀土鈰基脫硝催化劑為這些行業(yè)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(yè)委員會,將針對國家戰(zhàn)略需求,集中力量攻克制約稀土發(fā)展的卡脖子關鍵技術難題。