7月15日，国家知识产权局公布了第二十一届中国专利奖。其中，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院(简称低碳院)申报的“一种脱硝催化剂的再生方法和一种再生脱硝催化剂及其应用”荣获中国专利银奖。
“我们研究的这项技术通过对催化剂中毒分析诊断，利用特殊的化学过程去除催化剂中的中毒元素，补充活性组分，从而让催化剂‘复活’，延长催化剂使用寿命。”低碳院环境保护技术研究中心副主任、技术总监王宝冬说，“就好比一个人生病了，需要先去医院做检查，查明病因后，医生再有针对性地开展治疗，治疗后再吃些营养品补充体力。”
据了解，该技术让废弃失活的脱硝催化剂再生，解决了我国每年近20万吨废弃失活的脱硝催化剂环境污染的问题。
催化剂用量大，产生的废弃物也多
富煤、贫油、少气的能源结构使我国成为世界上最大的煤炭消费国，也让燃煤成为我国工业主要动力来源。而燃煤排放出来的氮氧化物会造成大气污染。
2011年，我国出台了《火电厂大气污染物排放标准》，要求氮氧化物最大排放量不超过100毫克/立方米。从那时起，选择性催化还原(SCR)脱硝技术开始推广，使得脱硝催化剂大规模投入使用。这一技术的推广有效减少了氮氧化物排放导致的大气污染。
“2019年年底，我国火电装机容量达到11.9亿千瓦时，以当前燃煤机组超低排放标准来计算，消耗的SCR脱硝催化剂总填装量约120万立方米。钢铁、各种窑炉、有色冶金以及各行业的自备燃煤动力锅炉等非电燃煤领域消耗的SCR脱硝催化剂总填装量约100万立方米。”王宝冬说，“随着环保管控越来越严，SCR脱硝催化剂使用量越来越大，废弃的失活SCR脱硝催化剂量也将越来越大。”
据权威机构预测，“十四五”期间，SCR脱硝催化剂使用量可能会出现高峰期，到2025年废弃量将达到40万立方米，近20万吨。
相比较而言，美国、德国、日本等国家的煤电所占比例较小，其使用的SCR脱硝催化剂质量高、电厂运行工况良好，废弃失活的SCR脱硝催化剂量也会相对较小。
“国外也有脱硝催化剂再生技术，但并不完全适合我国复杂工况下火电机组，引进技术会出现水土不服。而采用填埋、焚烧方式处置这种危险废弃物，不仅成本高，还会造成永久污染或污染转移。一些企业通过简单清洗磨碎废弃失活的SCR脱硝催化剂，将其掺入新鲜催化剂中使用，使催化剂的性能受到严重影响。”王宝冬说，“为此，我们设想能不能研发一种国内特有的技术，让这些失活的脱硝催化剂再次‘复活’？”
经过前期准备和调研，低碳院组建了一支科研团队，开始着手攻关。
为失活的催化剂“做手术”
“因为失活的SCR脱硝催化剂属于危险废弃物，我们很难从电厂直接得到。没有第一手资料，科研就无法开展。”王宝冬说，“当时，我们为了拿到实验样品，北上内蒙古呼伦贝尔、西到新疆五彩湾、南下广东台山、东到黑龙江哈尔滨，几乎跑遍了大半个中国。当时，我们做这个科研项目算是比较早的，SCR脱硝催化剂在电厂才刚刚投用，所以中毒以后的样品少得可怜。我们费尽周折，从一些投用催化剂比较早的电厂采集到了一些失活的催化剂样品。”
有了样品，科研团队通过大数据技术对催化剂失活的原因进行快速精准地诊断。由于电厂煤种多样、运行工况多变，导致他们诊断出多种失活原因，如碱金属中毒、硫铵中毒、砷中毒，孔道堵塞、磨损等。
面对多种原因，科研团队又分析了200多台机组的运行参数，开发了失活原因智能诊断技术，建立了我国首个基于大数据的脱硝催化剂的快速诊断系统。该系统可实现催化剂的性能预测和生命周期管理。其核心算法还取得了一项软件著作权。
“我们开发了中毒元素靶向去除—活性成分梯度分布技术，解决了催化剂活性和机械强度无法兼顾的再生技术难题；通过离子型络合剂定向清除中毒元素而不破坏催化活性组分；采用复合型浸渍液，补充催化剂活性的同时还能提高催化剂强度；根据‘双电层’扩散原理，开发了选择性活性组分植入技术，使钒钨分散在催化剂表面，提高了催化剂脱硝的活性，降低了副反应二氧化硫氧化的发生。”王宝冬说。
研发技术和工作上的辛苦对科研人员来说并不是最难的，技术推广不被认可才是最大的难题。
脱硝催化剂再生作为一项新技术，虽然对电厂来说可以节约成本，但电厂对这项技术还不是很了解，如果催化剂性能不达标，不仅造成排放超标，甚至会影响电厂生产运行。所以，没有电厂愿意首先使用这项新技术。
“通过实验室长周期测试，电厂真实烟气侧线验证得到可靠数据。我们耐心说服电厂，最终于2016年在五彩湾电厂首次实现应用。”王宝冬说，“催化剂再生技术对催化剂生产厂也存在利益冲突，多再生1立方米催化剂，就意味着少买1立方米新鲜催化剂。所以，一些催化剂生产厂一开始是排斥的。后来，电厂越来越认可，催化剂生产厂从长远和全局利益角度考虑，慢慢接受了这项技术并且主动参与进来。”
将创新成果应用于企业
2016年8月12日，由中国煤炭工业协会组织，中国工程院院士、清华大学教授金涌为组长的技术鉴定委员会，对低碳院自主开发的脱硝催化剂再生技术进行科技成果鉴定。
技术鉴定委员会一致认为，该研究成果整体上达到了国际先进水平，其中靶向清洗、选择性活性补充、补强技术和脱硝催化剂解决方案4项核心技术具有创新性。
这项技术以国家能源集团内部应用和外部技术许可方式进行成果转化。该专利技术首批在东北、京津冀、新疆、内蒙古等地区的火电集中区域的4家环保企业投用，实现年产能5万立方米，并逐步推广到其他地区。
除了SCR脱硝催化剂再生技术外，低碳院的研究人员围绕清洁燃煤发电项目，通过研究复杂条件下脱硝反应机理、多污染物协同控制、催化剂失活等内容，开发了包括核心环保材料、关键净化工艺和重大生产装备等创新成果，提升了我国环保领域的创新能力。
“我们最近在低温脱硝催化剂开发与机理研究方面取得重要进展，最新研究结果发表于《Nature》的子期刊《Communications Chemistry》上，首次提出了基于‘双活性中心+载体孔径分布’前沿理论进行催化剂配方和结构设计的方法，研究出适用于不同应用领域和烟气工况的系列催化剂，并通过龙源催化剂厂进行生产。这种全新的催化剂具有不降低锅炉效率、响应快、投资低、工期短等显著优点，今年6月在新疆和丰电厂投用后，收到了良好效果。”王宝冬高兴地说。
