輕稀土不可輕視：催化研究或?yàn)橹袊?guó)“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”建奇功
“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(jī)組的側(cè)線(xiàn)裝置上實(shí)現(xiàn)了3000小時(shí)以上的穩(wěn)定運(yùn)行，脫硝效率達(dá)55％以上，填補(bǔ)了我國(guó)在超低溫（100℃）脫硝領(lǐng)域的空白。”
近日，南京大學(xué)教授董林告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這項(xiàng)國(guó)家863稀土重大專(zhuān)項(xiàng)課題，去年順利通過(guò)科技部驗(yàn)收后，今年已在燃?xì)忮仩t、燃煤發(fā)電機(jī)組、水泥窯爐、化工裝置4個(gè)行業(yè)開(kāi)展示范應(yīng)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(jí)難題，或?yàn)槲覈?guó)正在推進(jìn)的“超潔凈”排放建立奇功。
長(zhǎng)期被輕視的輕稀土資源
在化學(xué)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(chēng)。
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(chēng)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(chēng)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(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)皆不同。
在應(yīng)用上，中重稀土資源稀缺，可用于航天、軍事、國(guó)防及新材料合成等高科技領(lǐng)域，價(jià)格昂貴，可替代性小。
而輕稀土則被業(yè)內(nèi)人士戲稱(chēng)為“假稀土”，雖然存量大，但高附加值利用問(wèn)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(chē)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(shuō)，但是稀土礦有個(gè)特點(diǎn)，往往是一開(kāi)采，很多種稀土元素都伴生在一起。過(guò)去，許多企業(yè)分離出價(jià)值較高的中重稀土，輕稀土大多被閑置或當(dāng)成廢物丟棄了。
董林告訴記者，1992年他在南京大學(xué)攻讀博士期間，開(kāi)始研究輕稀土催化材料，當(dāng)時(shí)相關(guān)研究不多，想要查找到相關(guān)的文獻(xiàn)資料都比較困難。
“用好稀土資源，提升其附加值，變稀土大國(guó)為稀土強(qiáng)國(guó)，是我們這一代人的責(zé)任，也是我們科學(xué)家的責(zé)任。”董林認(rèn)為，稀土研究的核心技術(shù)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(chēng)為“史上最嚴(yán)”的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》開(kāi)始實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠必須加設(shè)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(shí)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(jìn)，減排收效不俗。
然而，新問(wèn)題又來(lái)了。
據(jù)董林介紹，煤炭在鍋爐中燃燒后排出來(lái)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(jìn)行脫硝；第二步，使用布袋除塵；最后，通過(guò)噴淋堿性液體去除硫氧化物。
“目前市場(chǎng)上大量使用的釩鈦系催化劑，由日本及歐美國(guó)家研制并廣泛使用。它有一個(gè)致命的問(wèn)題，即當(dāng)煙氣溫度在300℃以下時(shí)，催化性能下降，活性降低。”董林說(shuō)，此外，國(guó)家已經(jīng)將釩物種列入危險(xiǎn)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(lái)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處置。
因此，我國(guó)在超低溫條件（100℃—150℃）下的脫硝技術(shù)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。想要滿(mǎn)足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，僅僅依靠釩鈦系催化劑，已經(jīng)無(wú)能為力。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)稱(chēng)，火電廠用于脫硝治理的釩鈦系催化劑將在今年迎來(lái)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(guó)環(huán)保領(lǐng)域的新課題。
我國(guó)稀土催化材料異軍突起
近年來(lái)，稀土材料由于其獨(dú)特的4f軌道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的氧化還原性質(zhì)，成為研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。其中，輕稀土催化材料在治理汽車(chē)尾氣、鍋爐煙塵等方面異軍突起。
針對(duì)國(guó)家當(dāng)前嚴(yán)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(yùn)行模式下遇到的種種問(wèn)題，2015年，南京大學(xué)與新疆石河子大學(xué)、新疆天富集團(tuán)有限責(zé)任公司共同申報(bào)并實(shí)施國(guó)家863計(jì)劃《固定源煙氣處理稀土催化材料的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)》，他們創(chuàng)新性地提出了“除塵—脫硫—低溫脫硝”技術(shù)路線(xiàn)，即在電廠原有設(shè)備的尾端進(jìn)行煙氣脫硝處理。其核心技術(shù)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(dú)特的性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前已有工業(yè)脫硝催化劑的溫度。”董林說(shuō)，“經(jīng)過(guò)這一催化反應(yīng)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(wèn)題。
董林表示，在這一領(lǐng)域我國(guó)的研究和示范應(yīng)用已走在世界前列。目前，已實(shí)現(xiàn)3000小時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行，接下來(lái)就交給時(shí)間去驗(yàn)證，而他們對(duì)此很有信心。
“除了燃煤火電，我國(guó)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(jìn)行煙氣排放治理，低溫脫硝是無(wú)法回避的環(huán)節(jié)。”董林說(shuō)，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(shù)途徑。
目前，以南京大學(xué)為牽頭單位，與沈陽(yáng)化工大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)（北京）、天津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等單位，正共同籌備成立中國(guó)化工學(xué)會(huì)稀土催化與過(guò)程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，將針對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略需求，集中力量攻克制約稀土發(fā)展的卡脖子關(guān)鍵技術(shù)難題。
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