讓廢棄的脫硝催化劑“復活”——國家能源集團低碳院一項技術獲中國專利銀獎

7月15日，國家知識產權局公布了第二十一屆中國專利獎。其中，國家能源集團北京低碳清潔能源研究院（簡稱低碳院）申報的“一種脫硝催化劑的再生方法和一種再生脫硝催化劑及其應用”榮獲中國專利銀獎。

“我們研究的這項技術通過對催化劑中毒分析診斷，利用特殊的化學過程去除催化劑中的中毒元素，補充活性組分，從而讓催化劑‘復活’，延長催化劑使用壽命?！钡吞荚涵h(huán)境保護技術研究中心副主任、技術總監(jiān)王寶冬說，“就好比一個人生病了，需要先去醫(yī)院做檢查，查明病因后，醫(yī)生再有針對性地開展治療，治療后再吃些營養(yǎng)品補充體力?！?/p>

據了解，該技術讓廢棄失活的脫硝催化劑再生，解決了我國每年近20萬噸廢棄失活的脫硝催化劑環(huán)境污染的問題。

催化劑用量大，產生的廢棄物也多

富煤、貧油、少氣的能源結構使我國成為世界上最大的煤炭消費國，也讓燃煤成為我國工業(yè)主要動力來源。而燃煤排放出來的氮氧化物會造成大氣污染。

2011年，我國出臺了《火電廠大氣污染物排放標準》，要求氮氧化物最大排放量不超過100毫克/立方米。從那時起，選擇性催化還原（SCR）脫硝技術開始推廣，使得脫硝催化劑大規(guī)模投入使用。這一技術的推廣有效減少了氮氧化物排放導致的大氣污染。

“2019年年底，我國火電裝機容量達到11.9億千瓦時，以當前燃煤機組超低排放標準來計算，消耗的SCR脫硝催化劑總填裝量約120萬立方米。鋼鐵、各種窯爐、有色冶金以及各行業(yè)的自備燃煤動力鍋爐等非電燃煤領域消耗的SCR脫硝催化劑總填裝量約100萬立方米。”王寶冬說，“隨著環(huán)保管控越來越嚴，SCR脫硝催化劑使用量越來越大，廢棄的失活SCR脫硝催化劑量也將越來越大。”

據權威機構預測，“十四五”期間，SCR脫硝催化劑使用量可能會出現高峰期，到2025年廢棄量將達到40萬立方米，近20萬噸。

相比較而言，美國、德國、日本等國家的煤電所占比例較小，其使用的SCR脫硝催化劑質量高、電廠運行工況良好，廢棄失活的SCR脫硝催化劑量也會相對較小。

“國外也有脫硝催化劑再生技術，但并不完全適合我國復雜工況下火電機組，引進技術會出現水土不服。而采用填埋、焚燒方式處置這種危險廢棄物，不僅成本高，還會造成永久污染或污染轉移。一些企業(yè)通過簡單清洗磨碎廢棄失活的SCR脫硝催化劑，將其摻入新鮮催化劑中使用，使催化劑的性能受到嚴重影響?！蓖鯇毝f，“為此，我們設想能不能研發(fā)一種國內特有的技術，讓這些失活的脫硝催化劑再次‘復活’？”

經過前期準備和調研，低碳院組建了一支科研團隊，開始著手攻關。

為失活的催化劑“做手術”

“因為失活的SCR脫硝催化劑屬于危險廢棄物，我們很難從電廠直接得到。沒有第一手資料，科研就無法開展?！蓖鯇毝f，“當時，我們?yōu)榱四玫綄嶒灅悠?，北上內蒙古呼倫貝爾、西到新疆五彩灣、南下廣東臺山、東到黑龍江哈爾濱，幾乎跑遍了大半個中國。當時，我們做這個科研項目算是比較早的，SCR脫硝催化劑在電廠才剛剛投用，所以中毒以后的樣品少得可憐。我們費盡周折，從一些投用催化劑比較早的電廠采集到了一些失活的催化劑樣品。”

有了樣品，科研團隊通過大數據技術對催化劑失活的原因進行快速精準地診斷。由于電廠煤種多樣、運行工況多變，導致他們診斷出多種失活原因，如堿金屬中毒、硫銨中毒、砷中毒，孔道堵塞、磨損等。

面對多種原因，科研團隊又分析了200多臺機組的運行參數，開發(fā)了失活原因智能診斷技術，建立了我國首個基于大數據的脫硝催化劑的快速診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現催化劑的性能預測和生命周期管理。其核心算法還取得了一項軟件著作權。

“我們開發(fā)了中毒元素靶向去除—活性成分梯度分布技術，解決了催化劑活性和機械強度無法兼顧的再生技術難題；通過離子型絡合劑定向清除中毒元素而不破壞催化活性組分；采用復合型浸漬液，補充催化劑活性的同時還能提高催化劑強度；根據‘雙電層’擴散原理，開發(fā)了選擇性活性組分植入技術，使釩鎢分散在催化劑表面，提高了催化劑脫硝的活性，降低了副反應二氧化硫氧化的發(fā)生?！蓖鯇毝f。

研發(fā)技術和工作上的辛苦對科研人員來說并不是最難的，技術推廣不被認可才是最大的難題。

脫硝催化劑再生作為一項新技術，雖然對電廠來說可以節(jié)約成本，但電廠對這項技術還不是很了解，如果催化劑性能不達標，不僅造成排放超標，甚至會影響電廠生產運行。所以，沒有電廠愿意首先使用這項新技術。

“通過實驗室長周期測試，電廠真實煙氣側線驗證得到可靠數據。我們耐心說服電廠，最終于2016年在五彩灣電廠首次實現應用?！蓖鯇毝f，“催化劑再生技術對催化劑生產廠也存在利益沖突，多再生1立方米催化劑，就意味著少買1立方米新鮮催化劑。所以，一些催化劑生產廠一開始是排斥的。后來，電廠越來越認可，催化劑生產廠從長遠和全局利益角度考慮，慢慢接受了這項技術并且主動參與進來。”

將創(chuàng)新成果應用于企業(yè)

2016年8月12日，由中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織，中國工程院院士、清華大學教授金涌為組長的技術鑒定委員會，對低碳院自主開發(fā)的脫硝催化劑再生技術進行科技成果鑒定。

技術鑒定委員會一致認為，該研究成果整體上達到了國際先進水平，其中靶向清洗、選擇性活性補充、補強技術和脫硝催化劑解決方案4項核心技術具有創(chuàng)新性。

這項技術以國家能源集團內部應用和外部技術許可方式進行成果轉化。該專利技術首批在東北、京津冀、新疆、內蒙古等地區(qū)的火電集中區(qū)域的4家環(huán)保企業(yè)投用，實現年產能5萬立方米，并逐步推廣到其他地區(qū)。

除了SCR脫硝催化劑再生技術外，低碳院的研究人員圍繞清潔燃煤發(fā)電項目，通過研究復雜條件下脫硝反應機理、多污染物協(xié)同控制、催化劑失活等內容，開發(fā)了包括核心環(huán)保材料、關鍵凈化工藝和重大生產裝備等創(chuàng)新成果，提升了我國環(huán)保領域的創(chuàng)新能力。

“我們最近在低溫脫硝催化劑開發(fā)與機理研究方面取得重要進展，最新研究結果發(fā)表于《Nature》的子期刊《Communications Chemistry》上，首次提出了基于‘雙活性中心+載體孔徑分布’前沿理論進行催化劑配方和結構設計的方法，研究出適用于不同應用領域和煙氣工況的系列催化劑，并通過龍源催化劑廠進行生產。這種全新的催化劑具有不降低鍋爐效率、響應快、投資低、工期短等顯著優(yōu)點，今年6月在新疆和豐電廠投用后，收到了良好效果?！蓖鯇毝吲d地說。