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董林:轻稀土不可轻视:催化研究或为中国“蓝天保卫战”建奇功

作者: 董林,南京大学教授 发布日期:2019-06-24
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“我们研发的低温稀土铈基催化剂,在新疆天富南热电有限公司的125MW发电机组的侧线装置上实现了3000小时以上的稳定运行,脱硝效率达55%以上,填补了我国在超低温(100℃)脱硝领域的空白。”

近日,南京大学教授董林告诉科技日报记者,这项国家863稀土重大专项课题,去年顺利通过科技部验收后,今年已在燃气锅炉、燃煤发电机组、水泥窑炉、化工装置4个行业开展示范应用,一旦取得成功将解决氮氧化物超低温催化消除的世界级难题,或为我国正在推进的“超洁净”排放建立奇功。

长期被轻视的轻稀土资源

在化学元素周期表中,稀土指的是镧系元素和钪、钇共17种金属元素的总称。

稀土“大家族”有轻稀土和中重稀土之分。镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕为轻稀土元素,亦称铈组稀土元素;钪、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇为中重稀土元素,亦称钇组稀土元素。

虽然同为稀土,但是轻稀土和中重稀土的电子层结构和物理化学性质皆不同。

在应用上,中重稀土资源稀缺,可用于航天、军事、国防及新材料合成等高科技领域,价格昂贵,可替代性小。

而轻稀土则被业内人士戏称为“假稀土”,虽然存量大,但高附加值利用问题一直未能得到很好解决。“比如镧用在石化产业石油催化裂化的分子筛催化剂中,铈用在汽车尾气净化中,但是它们就像‘工业味精’,用量偏小,作用有限。”董林介绍说,但是稀土矿有个特点,往往是一开采,很多种稀土元素都伴生在一起。过去,许多企业分离出价值较高的中重稀土,轻稀土大多被闲置或当成废物丢弃了。

董林告诉记者,1992年他在南京大学攻读博士期间,开始研究轻稀土催化材料,当时相关研究不多,想要查找到相关的文献资料都比较困难。

“用好稀土资源,提升其附加值,变稀土大国为稀土强国,是我们这一代人的责任,也是我们科学家的责任。”董林认为,稀土研究的核心技术与稀土矿产资源同样重要,轻稀土不可轻视。

固定源烟气处理有待优化

2014年7月,被称为“史上最严”的《火电厂大气污染物排放标准》开始实施,标准要求火电厂氮氧化物的排放浓度必须小于100毫克/立方米。要达到这一标准,燃煤电厂必须加设脱硝装置。也正是从那一刻起,火电厂的环保治理节奏由“脱硫”正式迈入“脱硝”时代。

转眼间,火电厂集中上马脱硝装置已经4年多,超低排放大马力推进,减排收效不俗。

然而,新问题又来了。

据董林介绍,煤炭在锅炉中燃烧后排出来的烟气,大约在300℃—400℃。通行的处理做法是,首先使用催化剂并喷氨水,进行脱硝;第二步,使用布袋除尘;最后,通过喷淋碱性液体去除硫氧化物。

“目前市场上大量使用的钒钛系催化剂,由日本及欧美国家研制并广泛使用。它有一个致命的问题,即当烟气温度在300℃以下时,催化性能下降,活性降低。”董林说,此外,国家已经将钒物种列入危险固体废弃物清单,废弃后的钒钛催化剂需要具有资质的企业来进行专业处置。

因此,我国在超低温条件(100℃—150℃)下的脱硝技术,仍面临诸多挑战。想要满足《火电厂大气污染物排放标准》,仅仅依靠钒钛系催化剂,已经无能为力。

业内人士预测称,火电厂用于脱硝治理的钒钛系催化剂将在今年迎来集中更换期。考虑到其适用性不佳、后期处置成本较高的因素,研发新型催化剂成为我国环保领域的新课题。

我国稀土催化材料异军突起

近年来,稀土材料由于其独特的4f轨道结构和优异的氧化还原性质,成为研究开发的重点。其中,轻稀土催化材料在治理汽车尾气、锅炉烟尘等方面异军突起。

针对国家当前严峻的大气环境污染现状,以及燃煤电厂在现有烟气处理运行模式下遇到的种种问题,2015年,南京大学与新疆石河子大学、新疆天富集团有限责任公司共同申报并实施国家863计划《固定源烟气处理稀土催化材料的应用与开发》,他们创新性地提出了“除尘—脱硫—低温脱硝”技术路线,即在电厂原有设备的尾端进行烟气脱硝处理。其核心技术就是研发低温稀土铈基催化剂。

“在300℃以下,恰好是稀土催化剂性能最佳的区间,铈元素展现出独特的性能,远远低于目前已有工业脱硝催化剂的温度。”董林说,“经过这一催化反应流程,氮氧化物含量从100—200毫克/立方米降低到50或30毫克/立方米甚至更低。”

此外,与目前广泛使用的钒钛系催化剂相比,稀土催化剂不含有毒的钒,有效避免了催化剂的危废处置问题。

董林表示,在这一领域我国的研究和示范应用已走在世界前列。目前,已实现3000小时平稳运行,接下来就交给时间去验证,而他们对此很有信心。

“除了燃煤火电,我国还有大量的钢铁、焦化、水泥、玻璃、陶瓷、垃圾焚烧等企业,急需进行烟气排放治理,低温脱硝是无法回避的环节。”董林说,低温稀土铈基脱硝催化剂为这些行业的烟气处理提供了一条全新的技术途径。

目前,以南京大学为牵头单位,与沈阳化工大学、中国石油大学(北京)、天津大学、中国科学院大连化学物理研究所等单位,正共同筹备成立中国化工学会稀土催化与过程专业委员会,将针对国家战略需求,集中力量攻克制约稀土发展的卡脖子关键技术难题。

来源:北极星大气网,http://huanbao.bjx.com.cn/news/20190618/986839.shtml 发表时间:2019年6月18日