日前，內蒙古希捷環保科技有限責任公司（以下簡稱希捷環保）對外公布消息，其自主研發生產的稀土基脫硝催化劑已安全使用超過24000小時，性能穩定，仍在安全運行中。
脫硝催化劑指應用在電廠SCR（選擇性催化還原）脫硝系統上的催化劑，是在SCR反應中，促使還原劑選擇性的與煙氣中的氮氧化物在一定溫度下發生化學反應的物質。而且，脫硝催化劑是電廠生產中煙氣排放環節至關重要的一種材料，關乎環境保護成敗和企業生產成敗。
「全新的SCR煙氣脫硝裝置採用高塵型工藝設計，反應器布置在省煤器與空氣預熱器之間，SCR反應器內布置4層催化劑，每層排布5×9個模塊，每個模塊內72條產品。經過測試，脫硝效率與氨逃逸、SO2/SO3轉化率、反應器整體煙氣阻力、氨耗量等指標都考核合格。」希捷環保總經理王志民介紹說。
傳統脫硝催化劑有一定毒害
二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）作為大氣的主要汙染物，一直是汙染治理的重點，據預測，到2030年，我國在基準國情下氮氧化物排放量將達到35.4兆噸。
「其中固定源（火電廠，水泥廠，鍋爐等）排放量約佔總排放量的50%左右，是減排的關鍵所在。而對火電廠等企業排出的汙染物進行脫硝的關鍵就在於催化劑，催化性能的高低直接影響到脫硝系統的整體脫硝效率。」王志民說。
據了解，傳統的脫硝催化劑主要以釩基脫硝催化劑為主，投放市場較早，技術成熟、應用較廣。釩基脫硝催化劑核心技術長期掌握在少數發達國家手中，儘管近年來國產化率不斷提升，但是仍有很多性能待優化。
「此外，釩鈦系脫硝催化劑具有一定毒性，仍會對環境造成一定程度汙染。基於這些事實，在全國範圍內研究具有自主智慧財產權、高效低成本的稀土無毒SCR脫硝催化劑具有極為重要的意義。」南京工業大學教授祝社民告訴科技日報記者。
「其實，釩鈦系脫硝催化劑使用的主要活性成分是五氧化二釩（V2O5），它是一種高毒物質，按照職業性接觸毒物危害程度分級屬於高度危害，對人體的呼吸系統和皮膚會產生嚴重損害。因此，用新產品實現替代是勢在必行的。」祝社民說。
自此，如何在催化劑中充分利用好稀土材料獨特的4f軌道結構和優異的氧化還原性質，成為高新技術企業研發團隊研究的重點。
最大程度優化催化劑性能
在位於包頭市的華能淄博白楊河發電有限公司六號爐，記者近距離觀察和了解了SCR脫硝系統和稀土基脫硝催化劑。技術人員介紹，稀土基脫硝催化劑的活性成分是由鑭、鈰、釔等稀土元素氧化物和其他過渡金屬氧化物組成，以鈦基陶瓷為第一載體、鈦鋯複合金屬氧化物為第二載體，利用稀土元素具有在未充滿電子的4f軌道結構內作為催化劑活性成分使用時表現出電子「存儲器」的性質，有效地儲存伴氧空位形成產生的自由電子，進而充分促進分子氧的吸附和活化。產品徹底擺脫了傳統催化劑五氧化二釩的成分，還針對釩基脫硝催化劑的各項性能進行了優化。
王志民說：「層流和湍流是流體流動的一種性質。流體流動時，如果流體質點的軌跡是有規則的光滑曲線，這種流動叫層流，沒有這種性質的流動叫湍流。比如說發電廠等在排煙的過程中，煙氣在催化劑內從湍流轉變為層流，灰分顆粒並不遵從層流模式，而是傾向於翻轉並在整個通道長度內衝擊催化劑內壁，因而其磨損從上至下是均勻的，這樣一來，體積大密度小的薄壁催化劑使用時間十分有限。」
在一種材料中，摻入少量其他元素或化合物，以使材料產生特定的電學、磁學和光學性能，從而具有實際應用價值或特定用途的過程稱為摻雜。研究團隊在脫硝催化劑高強度、高比表面、可控孔製備技術方面，實現了成孔劑γ-Al2O3和離子摻雜的晶型、晶粒、孔數量、結構、分布的一系列調控，增加了比表面和催化活性，解決了高活性與高強度、高耐磨性能間的矛盾，從而有效地延長了催化劑的使用壽命。
「釩鈦系催化劑還有一個致命的問題，即當煙氣溫度在300℃以下時，催化性能會下降，活性會降低。而希捷環保的核心技術，將稀土基SCR煙氣脫硝催化劑的性能實現了最大程度優化。」希捷環保的總工程師周廣賀評價說。
團隊首先通過Zr4+等助催化離子摻雜，進行了結構與缺陷調控，首次發現材料結構缺陷會引發催化劑表面酸性位變化，進而提出多元氧化物同時存在B、L酸性位的新假說，拓寬了催化劑活性溫度窗口。
其次，技術團隊突破了傳統催化劑支撐體僅限於骨架功能的概念。多相蜂窩陶瓷，由於多孔薄壁的特點，大大增加了載體的幾何表面積並改善了抗熱衝擊性能，是催化載體的好材料。團隊根據此特性，發明了助催化脫硝功能的Al2TiO5-TiO2-SiO2多相蜂窩陶瓷支撐體，利用國產TiO2、SiO2、Al2O3為原料通過化學修飾、納米改性和引入非化學計量，使得支撐體的表面結構缺陷氧空位增加、表面酸性提高、比表面積加大、脫硝活性增強，支撐體的強度增加、熱膨脹係數大大降低。
已經過24000小時的考驗
記者從希捷環保公司的大事記中看到，依託南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室技術，在國家自然科學基金、國家863計劃專項、國家科技支撐計劃的支持下，成功研發生產出具有我國自主智慧財產權、符合國家標準（GB/T34700-2017）的稀土型選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑，填補了國內外煙氣脫硝催化劑技術的空白，技術性能達到了國際領先水平。
王志民表示，新產品的市場前景是基於生產現狀的：「釩鈦系催化劑的使用壽命一般為3年（24000小時），據測算，自2015年起，我國每年產生替換下來的釩鈦系有毒脫硝催化劑將多達30—40萬立方米，大量廢棄有毒催化劑如保管或處理不當，極易汙染土壤及地下水，給環境二次汙染帶來巨大的隱患。」
據了解，以我國目前的技術水平，火電廠等企業替換下來的釩鈦系有毒脫硝催化劑，其危廢處理費用達6000—7000元/立方米，無疑額外增加了企業負擔。
「而且環境保護稅法規定，對廢釩鈦系脫硝催化劑等類似危險廢物每噸徵收1000元的環境保護稅，這是稀土脫硝催化劑等普通固體廢物的40倍。」王志民說。據測算，十三五期間我國約有85萬立方米左右的催化劑在運行使用，如果全部替換為稀土脫硝催化劑，每年將減少「大煙囪」排出危險廢物30萬立方米。此外，稀土脫硝催化劑的生產還能實現我國北方鑭鈰輕稀土資源的平衡利用，促進我國稀土產業健康發展。
目前，希捷環保已經依靠專利技術建立起年產5萬立方米稀土基SCR煙氣脫硝催化劑生產線，產品適用於燃煤電廠、工業燃煤鍋爐、水泥、焦化、生物發電、石油焦燃燒企業的氮氧化物汙染物治理。
王志民表示：「產品自投放市場以來，已成功應用於100餘項脫硝工程，催化劑最長已經運行超過24000小時，但依然運行良好，目前仍在使用中。」