研制低碳绿色建材 助力行业节能减排

  中国建筑材料科学研究总院陶瓷科学研究院是国内最早开展特种陶瓷材料研发的科研院所之一，主要从事特种陶瓷、陶瓷基复合材料、绝热保温材料的研发和生产。2013年，随着我国华北地区几场重度雾霾的出现，日趋严峻的大气污染问题开始得到全国上下普遍关注。建材行业作为高能耗高污染行业，首当其冲成为了减排工作关注的焦点之一。陶瓷院审时度势，及时将目光转向建材工业窑炉烟气排放治理，成立环保陶瓷研究所，在工程陶瓷研发基础上，开展建材工业窑炉用低温脱硝催化剂材料研制。经过3年的努力，搭建了完整的科研及中试平台，组建了一支年富力强的科研团队，初步形成了一批科研成果，在玻璃、水泥工业窑炉进行了示范，取得良好效果，并有效促进了陶瓷院专业领域拓展。

  十面“霾”伏

  污染治理亟不可待

  “气象台发布：霾黄色和空气重污染红色预警中，请注意健康防护”。曾几何时，人们对这样的预警提示已经司空见惯，“沙尘暴”、“雾霾”、“PM2.5”等词语更是耳熟能详。环境污染问题，从来没有像现在这样引起全社会的广泛关注。

  治标先治本，想要解决大气污染问题，就应该从源头治理。大气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雾霾、酸雨等污染的主要元凶之一，它主要来源于燃料的燃烧（固定源）及机动车尾气排放（移动源）。近年来，工业窑炉排放的氮氧化物量大幅攀升，已经成为继火电、机动车尾气之后第三大氮氧化物的污染源。水泥、玻璃、陶瓷等传统建材行业作为我国国民经济的支柱产业，在生产过程中会释放出大量的NOx。其中，水泥行业排放的NOx量占全国总量的10%～12%，是“十二五”规划重点减排的行业之一，目前，新建的水泥生产线，只能采用低氮燃烧技术和非选择性催化还原（SNCR）技术，脱硝效率在30%～60%左右。随着国家对NOx排放控制日趋严格，建材行业的烟气脱硝势在必行。

  选择性催化还原（SCR）脱硝技术是目前在火电厂应用最为广泛的脱硝方法，其原理是在SCR催化剂的作用下，NH3或尿素为还原剂，有选择性地与NOx反应，生成无毒无污染的N2和H2O。催化剂是SCR脱硝技术的核心，它的组成、结构和寿命等直接影响烟气脱硝系统的效率。但目前商用的SCR催化剂要求具有较高的活性温度窗口（300℃～400℃），在低温下（<300℃）无法达到理想的脱硝效果。而非电力行业的工业窑炉（如工业锅炉、水泥窑炉、玻璃窑炉等）烟气温度大多低于300℃，因此很难直接使用现有的商业催化剂。“节能减排是建材工业可持续发展之路”，开发出新的能应用于低温烟气条件、高效、稳定的SCR催化剂成为当务之急。

  作为中国建材行业多项重要工艺技术发源地的中国建材总院，在脱硝减排这场没有硝烟的战役上更是不能掉队。自2014年开始，中国建材总院陶瓷院以副院长唐婕为首的环保陶瓷研发团队便以开发低温脱硝催化剂为使命，开展低温高效、性能稳定的SCR催化剂研究和开发工作。

  砥砺前行

  潜心研究厚积薄发

  目前，应用于电力锅炉的商用SCR催化剂系主要是钒钨钛或钒钼钛体系。学术界也一直致力于非钒基催化剂的研究。锰基催化剂以其良好的低温催化活性受到国内外研究学者的广泛关注。研究初期，唐婕团队以新兴的锰铈钛基催化剂为研究重点，但随着研究的深入发现锰基催化剂的耐硫、耐水性能很难得到提高，在有硫、水存在的情况下，催化剂的脱硝效率急剧下降，由原来的90%下降到50%左右。

  由于我国能源结构的特点主要以煤炭为主，燃烧放出的烟气含有较高浓度的硫和灰分，因此催化剂良好的抗硫抗水性能是实现工业化应用的前提。唐婕团队经过反复实验、讨论之后，决定将研究重点转移到钒系催化剂上。纵观脱硝催化剂50年的研究历史，应用于工业领域、实现商业化的仍然是钒钛系催化剂。因此，降低钒钨（钼）钛系催化剂的活性温度窗口，可能是研发低温SCR催化剂的一个可行方向。

  立足于我国烟气排放特点和催化剂生产工艺现状，研发团队从脱硝催化剂的微观结构和表面酸碱性出发，通过调控活性组分的种类、配比及负载方式，经过反复实验，最终得到了具有宽工作温度范围的一系列低温SCR催化剂的配方和制备工艺。以此为基础，唐婕团队又深入研究了蜂窝催化剂的成型配方和成型技术。

  由于我国燃煤烟气中的粉尘含量远远高于国外，因此，如何解决高强度抗磨损和高活性之间的矛盾，是整体式蜂窝状催化剂成型技术攻关的主要方面。为此，团队的科研人员在关键载体、助剂配方等方面进行了大量深入研究：仔细筛选每一种组分，通过加入过渡金属得到改性的复合氧化物载体；研究成型助剂的种类、配比和相互协调作用。经过无数次的失败之后，最终制备出了低成本的新型蜂窝状烟气脱硝催化剂，在保证脱硝活性的同时，抗压强度和耐磨性能也得到显著提高。

  中试试验是将实验室成果进行工程放大，最终突破产业化应用的关键一环。人们对新事物的认知、接收往往心存顾虑，需要一个过程，因此想要找到合适的企业来进行试验并不是一件容易的事情。经过反复筛选、论证之后，最终决定在北京某水泥生产线开展中间试验。

  初露锋芒

  完善品质进军市场

  在科研人员的执着坚守、不懈努力下，团队克服了一系列工况条件的大幅度波动，中试工作不断取得进展，脱硝效率稳定，烟气氮氧化物浓度大幅度下降。2016年6月20日，经过第三方检测单位的现场检测，150℃时，NOx排放量由初始的530ppm下降为35ppm左右，已远低于最新国家排放标准要求限值；催化剂的脱硝效率达到85%以上。一系列数据表明该项技术具有卓越的高效性、稳定性和经济性，这同时也意味着环保陶瓷所自主研发的挤出成型蜂窝状整体式SCR脱硝催化剂的技术指标已位于国内同类产品前列，彻底解决了低温下SCR法脱硝催化剂活性差的问题。

  “成功的花儿，人们往往惊羡它开放时的明艳，当初它的芽儿却浸透了奋斗的汗水，洒遍了牺牲的细雨”。比起技术的研发，新技术走出试验室，实现工程化更加困难重重。中试时缺乏装备操作经验、喷氨量不易调节、如何控制烟气温度等问题一个接一个。面对这些问题，科研人员与工程技术团队没有慌张，而是一起想办法、找出路，齐心协力攻坚克难。例如为了计算催化剂的脱硝效率，需要分别监测记录反应塔进口和出口处NOx浓度的变化。由于实验周期较长，需要定期定点进行监测。不管是炎热的夏天还是寒冷的冬天，每次科研人员都需要爬到脱硝塔的顶端进行入口烟气测试，一待就是几个小时，夏天的时候常常汗流浃背，冬天即使穿上羽绒服也抵挡不了刺骨严寒。

  随着中试的顺利推进，产研合作也取得了喜人的进展。中国建材总院陶瓷科学研究院与江西新科环保股份有限公司合作，承担了“十三五”国家重点研发计划项目。目前，一条产能为2000m3/年的工业窑炉用低温SCR脱硝催化剂制造生产线已于2016年完成安装，将于2017年完成调试并实现产业化生产。

  可以预见的是，新工艺成功实现产业化后，将推动中国建材总院陶瓷院烟气脱硝催化剂在建材及其他相关工业、窑炉烟气治理领域的应用，形成“载体—催化剂—再生—脱硝工艺”完整的脱硝技术创新产业链，创造可观的经济和社会效益。

  经过3年来的健康快速发展，借助低温催化剂及成套工艺技术在水泥窑炉烟气脱硝领域的成功应用和认可，中国建材总院陶瓷科学研究院环保陶瓷所正成为国内烟气治理领域一颗冉冉升起的新星。相信随着科研技术的日益成熟及团队建设的壮大，这颗新星必将发出更耀眼的光芒。