7月15日，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了第二十一屆中國(guó)專利獎(jiǎng)。其中，國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院（簡(jiǎn)稱低碳院）申報(bào)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(yīng)用”榮獲中國(guó)專利銀獎(jiǎng)。

“我們研究的這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)對(duì)催化劑中毒分析診斷，利用特殊的化學(xué)過(guò)程去除催化劑中的中毒元素，補(bǔ)充活性組分，從而讓催化劑‘復(fù)活’，延長(zhǎng)催化劑使用壽命?！钡吞荚涵h(huán)境保護(hù)技術(shù)研究中心副主任、技術(shù)總監(jiān)王寶冬說(shuō)，“就好比一個(gè)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(duì)性地開(kāi)展治療，治療后再吃些營(yíng)養(yǎng)品補(bǔ)充體力?！?/p>

據(jù)了解，該技術(shù)讓廢棄失活的脫硝催化劑再生，解決了我國(guó)每年近20萬(wàn)噸廢棄失活的脫硝催化劑環(huán)境污染的問(wèn)題。

催化劑用量大，產(chǎn)生的廢棄物也多

富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)使我國(guó)成為世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)，也讓燃煤成為我國(guó)工業(yè)主要?jiǎng)恿?lái)源。而燃煤排放出來(lái)的氮氧化物會(huì)造成大氣污染。

2011年，我國(guó)出臺(tái)了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求氮氧化物最大排放量不超過(guò)100毫克/立方米。從那時(shí)起，選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)開(kāi)始推廣，使得脫硝催化劑大規(guī)模投入使用。這一技術(shù)的推廣有效減少了氮氧化物排放導(dǎo)致的大氣污染。

“2019年年底，我國(guó)火電裝機(jī)容量達(dá)到11.9億千瓦時(shí)，以當(dāng)前燃煤機(jī)組超低排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，消耗的SCR脫硝催化劑總填裝量約120萬(wàn)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(dòng)力鍋爐等非電燃煤領(lǐng)域消耗的SCR脫硝催化劑總填裝量約100萬(wàn)立方米?！蓖鯇毝f(shuō)，“隨著環(huán)保管控越來(lái)越嚴(yán)，SCR脫硝催化劑使用量越來(lái)越大，廢棄的失活SCR脫硝催化劑量也將越來(lái)越大?！?/p>

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，“十四五”期間，SCR脫硝催化劑使用量可能會(huì)出現(xiàn)高峰期，到2025年廢棄量將達(dá)到40萬(wàn)立方米，近20萬(wàn)噸。

相比較而言，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的煤電所占比例較小，其使用的SCR脫硝催化劑質(zhì)量高、電廠運(yùn)行工況良好，廢棄失活的SCR脫硝催化劑量也會(huì)相對(duì)較小。

“國(guó)外也有脫硝催化劑再生技術(shù)，但并不完全適合我國(guó)復(fù)雜工況下火電機(jī)組，引進(jìn)技術(shù)會(huì)出現(xiàn)水土不服。而采用填埋、焚燒方式處置這種危險(xiǎn)廢棄物，不僅成本高，還會(huì)造成永久污染或污染轉(zhuǎn)移。一些企業(yè)通過(guò)簡(jiǎn)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(yán)重影響。”王寶冬說(shuō)，“為此，我們?cè)O(shè)想能不能研發(fā)一種國(guó)內(nèi)特有的技術(shù)，讓這些失活的脫硝催化劑再次‘復(fù)活’？”

經(jīng)過(guò)前期準(zhǔn)備和調(diào)研，低碳院組建了一支科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始著手攻關(guān)。

為失活的催化劑“做手術(shù)”

“因?yàn)槭Щ畹腟CR脫硝催化劑屬于危險(xiǎn)廢棄物，我們很難從電廠直接得到。沒(méi)有第一手資料，科研就無(wú)法開(kāi)展。”王寶冬說(shuō)，“當(dāng)時(shí)，我們?yōu)榱四玫綄?shí)驗(yàn)樣品，北上內(nèi)蒙古呼倫貝爾、西到新疆五彩灣、南下廣東臺(tái)山、東到黑龍江哈爾濱，幾乎跑遍了大半個(gè)中國(guó)。當(dāng)時(shí)，我們做這個(gè)科研項(xiàng)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(fèi)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?！?/p>

有了樣品，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)催化劑失活的原因進(jìn)行快速精準(zhǔn)地診斷。由于電廠煤種多樣、運(yùn)行工況多變，導(dǎo)致他們?cè)\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(duì)多種原因，科研團(tuán)隊(duì)又分析了200多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，開(kāi)發(fā)了失活原因智能診斷技術(shù)，建立了我國(guó)首個(gè)基于大數(shù)據(jù)的脫硝催化劑的快速診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)催化劑的性能預(yù)測(cè)和生命周期管理。其核心算法還取得了一項(xiàng)軟件著作權(quán)。

“我們開(kāi)發(fā)了中毒元素靶向去除—活性成分梯度分布技術(shù)，解決了催化劑活性和機(jī)械強(qiáng)度無(wú)法兼顧的再生技術(shù)難題；通過(guò)離子型絡(luò)合劑定向清除中毒元素而不破壞催化活性組分；采用復(fù)合型浸漬液，補(bǔ)充催化劑活性的同時(shí)還能提高催化劑強(qiáng)度；根據(jù)‘雙電層’擴(kuò)散原理，開(kāi)發(fā)了選擇性活性組分植入技術(shù)，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(yīng)二氧化硫氧化的發(fā)生?！蓖鯇毝f(shuō)。

研發(fā)技術(shù)和工作上的辛苦對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)并不是最難的，技術(shù)推廣不被認(rèn)可才是最大的難題。

脫硝催化劑再生作為一項(xiàng)新技術(shù)，雖然對(duì)電廠來(lái)說(shuō)可以節(jié)約成本，但電廠對(duì)這項(xiàng)技術(shù)還不是很了解，如果催化劑性能不達(dá)標(biāo)，不僅造成排放超標(biāo)，甚至?xí)绊戨姀S生產(chǎn)運(yùn)行。所以，沒(méi)有電廠愿意首先使用這項(xiàng)新技術(shù)。

“通過(guò)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)周期測(cè)試，電廠真實(shí)煙氣側(cè)線驗(yàn)證得到可靠數(shù)據(jù)。我們耐心說(shuō)服電廠，最終于2016年在五彩灣電廠首次實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?！蓖鯇毝f(shuō)，“催化劑再生技術(shù)對(duì)催化劑生產(chǎn)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(chǎn)廠一開(kāi)始是排斥的。后來(lái)，電廠越來(lái)越認(rèn)可，催化劑生產(chǎn)廠從長(zhǎng)遠(yuǎn)和全局利益角度考慮，慢慢接受了這項(xiàng)技術(shù)并且主動(dòng)參與進(jìn)來(lái)?！?/p>

將創(chuàng)新成果應(yīng)用于企業(yè)

2016年8月12日，由中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授金涌為組長(zhǎng)的技術(shù)鑒定委員會(huì)，對(duì)低碳院自主開(kāi)發(fā)的脫硝催化劑再生技術(shù)進(jìn)行科技成果鑒定。

技術(shù)鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，該研究成果整體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其中靶向清洗、選擇性活性補(bǔ)充、補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)和脫硝催化劑解決方案4項(xiàng)核心技術(shù)具有創(chuàng)新性。

這項(xiàng)技術(shù)以國(guó)家能源集團(tuán)內(nèi)部應(yīng)用和外部技術(shù)許可方式進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化。該專利技術(shù)首批在東北、京津冀、新疆、內(nèi)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(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能5萬(wàn)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(shù)外，低碳院的研究人員圍繞清潔燃煤發(fā)電項(xiàng)目，通過(guò)研究復(fù)雜條件下脫硝反應(yīng)機(jī)理、多污染物協(xié)同控制、催化劑失活等內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了包括核心環(huán)保材料、關(guān)鍵凈化工藝和重大生產(chǎn)裝備等創(chuàng)新成果，提升了我國(guó)環(huán)保領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

“我們最近在低溫脫硝催化劑開(kāi)發(fā)與機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，最新研究結(jié)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(jìn)行催化劑配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，研究出適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域和煙氣工況的系列催化劑，并通過(guò)龍?jiān)创呋瘎S進(jìn)行生產(chǎn)。這種全新的催化劑具有不降低鍋爐效率、響應(yīng)快、投資低、工期短等顯著優(yōu)點(diǎn)，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(shuō)。