研制低碳綠色建材 助力行業(yè)節(jié)能減排

  中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院陶瓷科學(xué)研究院是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展特種陶瓷材料研發(fā)的科研院所之一，主要從事特種陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、絕熱保溫材料的研發(fā)和生產(chǎn)。2013年，隨著我國(guó)華北地區(qū)幾場(chǎng)重度霧霾的出現(xiàn)，日趨嚴(yán)峻的大氣污染問(wèn)題開(kāi)始得到全國(guó)上下普遍關(guān)注。建材行業(yè)作為高能耗高污染行業(yè)，首當(dāng)其沖成為了減排工作關(guān)注的焦點(diǎn)之一。陶瓷院審時(shí)度勢(shì)，及時(shí)將目光轉(zhuǎn)向建材工業(yè)窯爐煙氣排放治理，成立環(huán)保陶瓷研究所，在工程陶瓷研發(fā)基礎(chǔ)上，開(kāi)展建材工業(yè)窯爐用低溫脫硝催化劑材料研制。經(jīng)過(guò)3年的努力，搭建了完整的科研及中試平臺(tái)，組建了一支年富力強(qiáng)的科研團(tuán)隊(duì)，初步形成了一批科研成果，在玻璃、水泥工業(yè)窯爐進(jìn)行了示范，取得良好效果，并有效促進(jìn)了陶瓷院專業(yè)領(lǐng)域拓展。

  十面“霾”伏

  污染治理亟不可待

  “氣象臺(tái)發(fā)布：霾黃色和空氣重污染紅色預(yù)警中，請(qǐng)注意健康防護(hù)”。曾幾何時(shí)，人們對(duì)這樣的預(yù)警提示已經(jīng)司空見(jiàn)慣，“沙塵暴”、“霧霾”、“PM2.5”等詞語(yǔ)更是耳熟能詳。環(huán)境污染問(wèn)題，從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。

  治標(biāo)先治本，想要解決大氣污染問(wèn)題，就應(yīng)該從源頭治理。大氣污染物包括氮氧化物、二氧化碳、硫氧化物、VOC等，其中氮氧化物是造成霧霾、酸雨等污染的主要元兇之一，它主要來(lái)源于燃料的燃燒（固定源）及機(jī)動(dòng)車尾氣排放（移動(dòng)源）。近年來(lái)，工業(yè)窯爐排放的氮氧化物量大幅攀升，已經(jīng)成為繼火電、機(jī)動(dòng)車尾氣之后第三大氮氧化物的污染源。水泥、玻璃、陶瓷等傳統(tǒng)建材行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)釋放出大量的NOx。其中，水泥行業(yè)排放的NOx量占全國(guó)總量的10%～12%，是“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)減排的行業(yè)之一，目前，新建的水泥生產(chǎn)線，只能采用低氮燃燒技術(shù)和非選擇性催化還原（SNCR）技術(shù)，脫硝效率在30%～60%左右。隨著國(guó)家對(duì)NOx排放控制日趨嚴(yán)格，建材行業(yè)的煙氣脫硝勢(shì)在必行。

  選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)是目前在火電廠應(yīng)用最為廣泛的脫硝方法，其原理是在SCR催化劑的作用下，NH3或尿素為還原劑，有選擇性地與NOx反應(yīng)，生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。催化劑是SCR脫硝技術(shù)的核心，它的組成、結(jié)構(gòu)和壽命等直接影響煙氣脫硝系統(tǒng)的效率。但目前商用的SCR催化劑要求具有較高的活性溫度窗口（300℃～400℃），在低溫下（<300℃）無(wú)法達(dá)到理想的脫硝效果。而非電力行業(yè)的工業(yè)窯爐（如工業(yè)鍋爐、水泥窯爐、玻璃窯爐等）煙氣溫度大多低于300℃，因此很難直接使用現(xiàn)有的商業(yè)催化劑。“節(jié)能減排是建材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展之路”，開(kāi)發(fā)出新的能應(yīng)用于低溫?zé)煔鈼l件、高效、穩(wěn)定的SCR催化劑成為當(dāng)務(wù)之急。

  作為中國(guó)建材行業(yè)多項(xiàng)重要工藝技術(shù)發(fā)源地的中國(guó)建材總院，在脫硝減排這場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)役上更是不能掉隊(duì)。自2014年開(kāi)始，中國(guó)建材總院陶瓷院以副院長(zhǎng)唐婕為首的環(huán)保陶瓷研發(fā)團(tuán)隊(duì)便以開(kāi)發(fā)低溫脫硝催化劑為使命，開(kāi)展低溫高效、性能穩(wěn)定的SCR催化劑研究和開(kāi)發(fā)工作。

  砥礪前行

  潛心研究厚積薄發(fā)

  目前，應(yīng)用于電力鍋爐的商用SCR催化劑系主要是釩鎢鈦或釩鉬鈦體系。學(xué)術(shù)界也一直致力于非釩基催化劑的研究。錳基催化劑以其良好的低溫催化活性受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究初期，唐婕團(tuán)隊(duì)以新興的錳鈰鈦基催化劑為研究重點(diǎn)，但隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)錳基催化劑的耐硫、耐水性能很難得到提高，在有硫、水存在的情況下，催化劑的脫硝效率急劇下降，由原來(lái)的90%下降到50%左右。

  由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要以煤炭為主，燃燒放出的煙氣含有較高濃度的硫和灰分，因此催化劑良好的抗硫抗水性能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的前提。唐婕團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、討論之后，決定將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到釩系催化劑上。縱觀脫硝催化劑50年的研究歷史，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的仍然是釩鈦系催化劑。因此，降低釩鎢（鉬）鈦系催化劑的活性溫度窗口，可能是研發(fā)低溫SCR催化劑的一個(gè)可行方向。

  立足于我國(guó)煙氣排放特點(diǎn)和催化劑生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從脫硝催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和表面酸堿性出發(fā)，通過(guò)調(diào)控活性組分的種類、配比及負(fù)載方式，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得到了具有寬工作溫度范圍的一系列低溫SCR催化劑的配方和制備工藝。以此為基礎(chǔ)，唐婕團(tuán)隊(duì)又深入研究了蜂窩催化劑的成型配方和成型技術(shù)。

  由于我國(guó)燃煤煙氣中的粉塵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外，因此，如何解決高強(qiáng)度抗磨損和高活性之間的矛盾，是整體式蜂窩狀催化劑成型技術(shù)攻關(guān)的主要方面。為此，團(tuán)隊(duì)的科研人員在關(guān)鍵載體、助劑配方等方面進(jìn)行了大量深入研究：仔細(xì)篩選每一種組分，通過(guò)加入過(guò)渡金屬得到改性的復(fù)合氧化物載體；研究成型助劑的種類、配比和相互協(xié)調(diào)作用。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的失敗之后，最終制備出了低成本的新型蜂窩狀煙氣脫硝催化劑，在保證脫硝活性的同時(shí)，抗壓強(qiáng)度和耐磨性能也得到顯著提高。

  中試試驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行工程放大，最終突破產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。人們對(duì)新事物的認(rèn)知、接收往往心存顧慮，需要一個(gè)過(guò)程，因此想要找到合適的企業(yè)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)并不是一件容易的事情。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選、論證之后，最終決定在北京某水泥生產(chǎn)線開(kāi)展中間試驗(yàn)。

  初露鋒芒

  完善品質(zhì)進(jìn)軍市場(chǎng)

  在科研人員的執(zhí)著堅(jiān)守、不懈努力下，團(tuán)隊(duì)克服了一系列工況條件的大幅度波動(dòng)，中試工作不斷取得進(jìn)展，脫硝效率穩(wěn)定，煙氣氮氧化物濃度大幅度下降。2016年6月20日，經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)單位的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，150℃時(shí)，NOx排放量由初始的530ppm下降為35ppm左右，已遠(yuǎn)低于最新國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求限值；催化劑的脫硝效率達(dá)到85%以上。一系列數(shù)據(jù)表明該項(xiàng)技術(shù)具有卓越的高效性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，這同時(shí)也意味著環(huán)保陶瓷所自主研發(fā)的擠出成型蜂窩狀整體式SCR脫硝催化劑的技術(shù)指標(biāo)已位于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品前列，徹底解決了低溫下SCR法脫硝催化劑活性差的問(wèn)題。

  “成功的花兒，人們往往驚羨它開(kāi)放時(shí)的明艷，當(dāng)初它的芽?jī)簠s浸透了奮斗的汗水，灑遍了犧牲的細(xì)雨”。比起技術(shù)的研發(fā)，新技術(shù)走出試驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)工程化更加困難重重。中試時(shí)缺乏裝備操作經(jīng)驗(yàn)、噴氨量不易調(diào)節(jié)、如何控制煙氣溫度等問(wèn)題一個(gè)接一個(gè)。面對(duì)這些問(wèn)題，科研人員與工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)沒(méi)有慌張，而是一起想辦法、找出路，齊心協(xié)力攻堅(jiān)克難。例如為了計(jì)算催化劑的脫硝效率，需要分別監(jiān)測(cè)記錄反應(yīng)塔進(jìn)口和出口處NOx濃度的變化。由于實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，需要定期定點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不管是炎熱的夏天還是寒冷的冬天，每次科研人員都需要爬到脫硝塔的頂端進(jìn)行入口煙氣測(cè)試，一待就是幾個(gè)小時(shí)，夏天的時(shí)候常常汗流浹背，冬天即使穿上羽絨服也抵擋不了刺骨嚴(yán)寒。

  隨著中試的順利推進(jìn)，產(chǎn)研合作也取得了喜人的進(jìn)展。中國(guó)建材總院陶瓷科學(xué)研究院與江西新科環(huán)保股份有限公司合作，承擔(dān)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。目前，一條產(chǎn)能為2000m3/年的工業(yè)窯爐用低溫SCR脫硝催化劑制造生產(chǎn)線已于2016年完成安裝，將于2017年完成調(diào)試并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

  可以預(yù)見(jiàn)的是，新工藝成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將推動(dòng)中國(guó)建材總院陶瓷院煙氣脫硝催化劑在建材及其他相關(guān)工業(yè)、窯爐煙氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用，形成“載體—催化劑—再生—脫硝工藝”完整的脫硝技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

  經(jīng)過(guò)3年來(lái)的健康快速發(fā)展，借助低溫催化劑及成套工藝技術(shù)在水泥窯爐煙氣脫硝領(lǐng)域的成功應(yīng)用和認(rèn)可，中國(guó)建材總院陶瓷科學(xué)研究院環(huán)保陶瓷所正成為國(guó)內(nèi)煙氣治理領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星。相信隨著科研技術(shù)的日益成熟及團(tuán)隊(duì)建設(shè)的壯大，這顆新星必將發(fā)出更耀眼的光芒。