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他“驯服”了稀土铈,用“脱硝”守护蓝天白云

日期: 2022-09-14
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来源:中国科学报


“我的梦想是通过不断的科技创新,为大气污染治理工作服务,还天空一片湛蓝白云飘,还河流一片澄明见底空。”南京工业大学材料科学与工程学院教授沈岳松,出生于青山绿水之地安徽望江,是一个“80后”科研人,自2005年入学南京工业大学攻读硕士学位开始,就一直奋战在绿色高效“脱硝”的路上。
日前,由沈岳松主持的项目《轻稀土基整体蜂窝式烟气脱硝催化剂的关键技术及产业化应用》,在2022年度中国化工学会科学技术奖评审中获得技术发明奖一等奖。
当疲惫时想起这首歌
“蓝蓝天上白云飘,白云下面马儿跑……”沈岳松工作疲惫时会哼唱蒋大为这首《草原上升起不落的太阳》。他说,当科研疲惫时,这首歌所呈现出的美好画面会魔幻般地给他提供精神动力,敦促着他不懈前行。
为了打赢“蓝天保护战”和实现“碳达峰、碳中和”,煤改气成为减污降碳发展的重要举措。然而,煤改气过程中氮氧化物排放不减反增,是形成PM2.5、酸雨、雾霾和臭氧等污染物的重要前体物。因此,氮氧化物治理(俗称“脱硝”)是大气污染长久治理的重点,也是十四五要求实现PM2.5和臭氧等多污染物协同控制的关键。
“大气污染开始从硫酸型雾霾转变为硝酸型雾霾,脱硝任务更加突出,氮氧化物超低排放成为当前耗能产业亟待解决的卡脖子难题。”据沈岳松介绍,烟气脱硝治理的关键在于选择性催化还原高效脱硝催化剂的应用。作为氮氧化物排放大国,我国前期引进、消化吸收了国外钒基脱硝催化剂技术,这虽然部分缓解了氮氧化物的污染,但因其活性组分五氧化二钒属水溶性剧毒物质,不仅在生产使用中,而且在废弃后仍具高毒性,再次威胁环境安全,难以实现绿色可持续发展。
“水溶性五氧化二钒用于脱硝催化剂还存在三个弊端:其催化SO2向SO3高效转化,SO3易与氨反应生成大量硫铵盐,造成催化剂中毒失效;其高温挥发性易造成二次污染,不适用高温脱硝;废弃钒基催化剂已于2014年被生态环境部列入危废监管,无害化处理费用高达4000元/ 立方米。”据沈岳松介绍, 他们团队研发的稀土基催化剂环境友好,没有危废处置问题。
稀土基催化剂“完美”问世
“从硕士到博士再到博士后,从国内到国外再回国内,我对轻稀土基脱硝催化剂可谓‘一往情深’。” 沈岳松笑着说,2005年,他考入南工大攻读硕士学位,在南京工业大学教授祝社民指导下,开始着手研究环境友好的烟气脱硝催化剂。
祝社民和南京工业大学教授沈树宝伉俪曾先后前往加拿大渥太华大学、丹麦技术大学和日本金沢大学等海外高校从事讲学和合作科学研究工作,接触了国际上最新的空气治污理念——用稀土基催化剂取代钒基催化剂来脱硝。
“稀土在我国具有高丰度、价廉等特点。”祝社民表示,目前尚有贵金属和分子筛等两种脱硝催化剂,但贵金属催化剂动辄每立方米近百万元成本高、分子筛脱硝催化剂易发生灰堵等情况,而金属氧化物催化剂成本低、热稳定性高、抗中毒能力强,因此开采重稀土时产生的轻稀土废渣即氧化铈,凭借环境友好、强氧化还原特性得以脱颖而出。“但是,氧化铈存在酸性弱、易硫中毒、高温水热稳定差和活性窗口窄等‘短处’,不能直接用于替代五氧化二钒。”
“微观结构差异会导致材料性能的迥异,如同由碳原子构成的物质,有的贵为钻石,有的仅为木碳。”沈岳松形象地解释了同素异形体和同质异构体的区别。
为使轻稀土氧化铈既能替代五氧化二钒作为脱硝催化剂,又能克服自身弊端,沈岳松从硕士读到了博士,后又前往美国亚利桑那大学从事博士后研究工作。“海外的导师虽曾向我抛出了橄榄枝,但是课题组的一纸召唤,结束了研究工作后,我还是义无反顾地回到了母校、回到了团队。”
十八年的时间,沈岳松慢慢地掌握并“驯服”了稀土铈,首次提出并成功研制了以其为主活性组成分的绿色高效脱硝催化剂,通过三个创新点改性,扬其长补其短,实现了稀土基催化剂全生命周期绿色高效脱硝和大规模工业应用。
“过程很艰辛,经历了成功—失败—成功的循环往复,符合科学研究螺旋式上升的路径。”沈岳松表示。起初我们以单一氧化铈为活性组分,研制了系列负载型铈基催化剂,在宽范的活性温度窗口内取得了高效的脱硝效率,以为该系列催化剂可以直接替代钒基脱硝催化剂了,但是在工程试验中又出现了运行寿命短的难题。
团队成员、南京工业大学教授陈英文介绍,他们创建了高效铈基复合氧化物脱硝催化剂新体系,实现了烟气脱硝催化剂的环境友好,为高丰度轻稀土铈高附加值利用开辟了新路径,新型稀土基系列催化剂脱硝效率高(>90%),活性温度宽(280—450℃),使用寿命超过5年,显著优于商用中温钒基催化剂。
“通过化学修饰、纳米改性,我们发明了整体蜂窝式脱硝催化剂的关键制备技术,解决了蜂窝催化剂的高活性与高强度难以并存的难题,提升了国产钛白粉性能,既解决了其脊性成型难问题,又使原料成本下降了20%,实现了载体钛白粉的国产化。” 团队成员、南京工业大学教授级高工王志民介绍,他们提升了材料强度和催化活性,使稀土基催化剂的强度、硬度较之钒基催化剂提高了2-3倍。工程试验表明钒基催化剂在反应器中1次爆管即坍塌,而稀土基经历4次爆管依旧完整无损,运行时间远超5年。
“开发了提前响应喷/闭氨的方法,实现了稀土脱硝催化剂在波动工况下储/释氨性能的高效稳定,氨逃逸小于3 ppm。”据沈岳松介绍,他们还研发了失活催化剂负压清灰、超声水洗及活性修复等系列再生新工艺及装备,二次脱硝成本降低40%。同时,他们将废弃的稀土催化剂资源化制备成多孔陶瓷膜催化剂、钛基纺织瓷及催化胶结电石渣砖等,实现了轻稀土基催化剂的应用与再生利用。“为了更好地保护环境,我们变废为宝,使废渣再次发挥作用,实现了稀土催化剂的全生命周期的绿色可持续发展。”
建成世界最大生产线
2016年,稀土基脱硝催化剂被国家三部委指定为钒基脱硝催化剂的替代品。脱硝工程已在中国华能集团有限公司、中国大唐集团有限公司、中国神华集团有限责任公司等全国280多家火电、建材、化工行业应用,近五年新增经济效益24.5亿元。
“我们公司近期要上环境友好型脱硝催化剂生产建设项目,对你们研发的环境友好型稀土基脱硝催化剂很感兴趣。”8月底,中国石化催化剂有限公司副总经理刘志坚率队来南工大,找沈岳松团队洽谈合作事宜。“成熟的稀土脱硝催化剂倍受市场欢迎,早前就知道该项目的技术成果已建成世界最大脱硝催化剂生产线。”他兴奋地说道。
“我们的稀土基脱硝催化剂在山东天璨环保科技有限公司、内蒙古希捷环保科技有限责任公司量产,实现了产能5万立方米/年。”沈岳松补充道,“2015年,日本住友商事金冈秀纪总经理也曾率队来找我们商谈合作,这让我们十分的自豪,上世纪五六十年代,美国研发出的SCR烟气脱硝技术是由日本率先进行了工程应用。”世界上SCR脱硝技术产业化的领跑者来谈合作,让团队成员感慨万千,倍受鼓舞。
“项目成果填补了国内外烟气脱硝无毒催化剂技术的空白,达到了国际领先水平。”早在2011年,国家科技部、环保部、工信部、发改委、环境院等部委参加的成果鉴定会上,评审专家一致给出了很高的评价,认为该项技术成果显著提升了我国无毒脱硝催化剂的技术水平,推动了产业进步。
据悉,该项目先后获授权发明专利34件,主导制定了GB/T 34700-2017稀土型SCR脱硝催化剂国家标准,入选国际百强环保技术等。
“打赢蓝天保卫战任重而道远,需要对大气污染的来源、排放特征和工况因素等进行深入研究,这涉及氮氧化物与挥发性有机化合物、PM 2.5和臭氧等多污染物协同控制,以及‘双碳’战略目标达成。”沈岳松表示,下面他将带领团队就多污染物协同控制进行深入研究,“希望实现‘一键处理’。”



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