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稀土催化材料的生产现状及发展前景的可行性研究

来源:中经纵横 更新日期:2019-03-15 16:51:15

报告内容

第一节 稀土催化材料的定义

稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的,“土”是按当时的习惯,称不溶于水的物质,故称稀土。以稀土元素为材料的叫做稀土材料。(可行性研究

第二节 稀土催化材料种类用途及生产现状

众所周知,我国稀土矿以轻稀土组分为主,其中镧、铈等组分约占60%以上。随着我国稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土抛光粉、稀土在冶金工业中等应用领域逐年扩大,国内市场对中重稀土的需求量也快速增加。造成了高丰度的铈、镧、镨等轻稀土的大量积压,导致我国稀土资源的开采和应用之间存在着严重的不平衡。

研究发现,轻稀土元素由于其独特的4f电子层结构,使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能与功效。因此,将轻稀土用作催化材料是一条很好的稀土资源综合利用出路。

催化剂是一种能够加速化学反应,且在反应前后自身不被消耗的物质;加强稀土催化的基础研究既提高生产效率,又节约资源和能源,减少环境污染,符合可持续发展的战略方向。

到目前为止,能够在工业中获得应用的稀土催化材料主要有3类,包括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、以及铈锆固溶体催化材料等,见表1所示。其中分子筛稀土催化材料又可细分为中孔、微孔、介孔、以及纳孔稀土催化材料等几大类,且目前主要用于炼油催化剂。

稀土钙钛矿催化材料由于其制备简单、耐高温、抗中毒等性能优越,目前主要用作环保催化剂,也广泛用于光催化分解水制氢、以及石油化工行业的碳氢化合物重整反应等方面。目前已开发并应用的主要有钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂、以及掺杂微量贵金属的稀土钙钛矿型催化剂等。

铈锆固溶体催化材料是应汽车尾气净化市场的需求发展起来的一种稀土催化材料。早期主要利用铈的储氧性能来调节汽车尾气中的氧化还原反应。后来发现单一的铈储氧材料其持久性耐高温性能并不能满足曰益发展的汽车尾气催化剂的寿命要求,而添加一些锆可明显改善储氧材料的抗高温性能,从而改善催化剂的耐久性。目前,铈锆固溶体催化材料不仅用于石油化工领域的各种催化过程,也广泛用于汽车尾气净化、以及其它环保领域。

与传统的贵金属催化剂相比,稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺、以及性能等方面都具有较强的优势。目前不仅大量用于汽车尾气净化,还扩展到工业有机废气、室内空气净化、催化燃烧、以及燃料电池等领域。自20世纪90年代末以来,发达国家的环保催化剂市场一直以20%速度增长。因此,稀土催化材料在环保催化剂产品市场,特别是在有毒、有害气体的净化方面,具有巨大的应用市场和发展潜力。

第三节 稀土催化材料发展前景

轻稀土镧、铈和镨等元素具有独特的4f电子层结构,在化学反应中具有良好的助催化性能,因此被用作优良的催化材料。目前已进入工业生产的稀土催化材料包 括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、以及铈锆固溶体催化材料等,主要应用于石油催化裂化(FCC催化剂)、机动车尾气净化、工业有机废气净化、催 化燃烧和固体氧化物燃料电池等方面。2011年中国稀土催化材料产量29,200吨,消费稀土4380吨(中国稀土协会估算)。我们预计随着中国政府加强 环境治理,特别是对城市废气的治理,2013-2015年稀土催化材料的市场规模有望保持20%的年均复合增速。

2013年以来北上广深等中国东部主要城市遭遇持续雾霾天气,机动车尾气排放量的增加是重要的因素。2002年中国私人汽车拥有量968.98万 辆,2012年拥有量达到8838.6万辆,10年间复合增速25%。私人汽车保有量的快速增长使得尾气成为城市中最主要的大气污染源。

2013年9月中国政府颁发《大气污染防治行动计划》,提到强化移动污染防治,加强机动车环保管理:环保等部门联合加强新生产车辆环保监管,严厉打击 生产、销售环保不达标车辆违法行为;加强在用机动车年度检验,对不达标车辆不得发放环保合格标志,不得上路行驶;鼓励出租车每年更换尾气净化装置。美国、 日本和欧洲发达国家通过执行严格的汽车尾气排放标准来控制尾气污染。中国在2000年开始也对汽车尾气排放进行控制(实施国I标准),2011年开始执行 国IV标准(相当于欧IV)。环保部计划在2014年底前柴油车也实施国IV标准,京津冀、长三角和珠三角汽柴油车提升为国V标准,到2017年推广至全 国。

汽车尾气排放的主要有害成分包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)等,尾气净化主要原理就是通过氧化和还原反应将这些污染 物转化为二氧化碳、水和氮等无害物质。催化剂是尾气净化效果的关键因素。目前世界上最广泛应用的汽车尾气净化催化剂为三元催化剂(TWC),其结构由活性 组分、载体、涂层和助剂构成,其中贵金属铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)是最重要的催化活性组分,稀土(主要为铈、镧和镨)则在催化过程中起一系列作 用:替代部分贵金属作为活性组分以提高CO和HC的催化转化活性;机动车尾气中Pb和S易致催化剂中毒从而失效,加入稀土后能提高催化剂的抗中毒能力;用 于涂层材料以防止载体中γ-Al2O3转化为α-Al2O3而导致表面积降低;氧化铈在氧化/还原反应中通过变价释放和储存氧,更好的控制空燃比(A /F)和改善催化效果。

根据对中国国产催化剂市场规模的匡算,中国汽车市场的快速发展、国产汽车尾气催化剂市场份额的迅速提升,以及失效催化剂的更新等将推动需求继续快速增长。

预计2014/2015年中国乘用车产量有望分别增长12%和10%,重卡商务车分别增长0%和5%。而根据万得统计,中国乘用车的平均排量为 1.74升,汽车尾气催化剂装载量与发动机排量的经验比为0.9:1(贵研铂业2013年配股募集说明书),则平均每辆乘用车需1.57升催化剂。假设商 务车排量平均为5升,即每辆车需4.5升催化剂。预计2013-2015年国产催化剂的市场份额将从20%逐步提高到30%(此前中国汽车尾气净化催化剂 的市场份额基本由优美科、庄信万丰和巴斯夫国际三大巨头占有)。由此得到新增汽车2014年和2015年净化催化剂的市场规模分别将达到1289.6万升 和1672.7万升。

另外,随着中国汽车保有量的增长,更新需求也将增加汽车尾气净化催化剂需求。《大气污染防治行动计划》中强调汽车年检中加强环保检验,鼓励出租车每年 更换高效尾气净化装置。假设2014年和2015年分别有1.5%和2%的汽车催化剂失效后进行更新,由此测算出国产汽车净化催化剂的更新需求分别为 133.6万升和246.8万升。总体来说,中国2014年和2015年国产汽车催化剂的需求将达到1423.1万升和1919.5万升,分别同比增长 39%和35%。

城市废气的另一个主要来源是工业生产(石化、油漆和涂料等)排放的有毒有害废气,特别是挥发性有机废气(VOC)。根据“中国稀土”报道(稀土净化催 化领域的应用-2009/01/16),稀土催化材料因为独特的催化氧化性质,能在中高浓度环境下对有机废气进行净化。另外,稀土较好的能级结构和光谱特 性,可在与纳米TiO2混合时有效提高光催化效率,在室温下催化消除CO、O3等有害气体。中国目前在工业废气中稀土的应用仍较少,但美国1997年市场 规模已达到10亿美元。预计随着中国政府对工业废气排放要求的逐步严格,将推动稀土在该领域的需求增长。

稀土在石油化工催化材料(FCC催化剂)中的应用是当前稀土在催化材料中使用最多的领域,全球每年约消耗3-4万吨的氧化镧和氧化铈。中国规模化的 FCC催化剂企业包括中石化催化剂分公司、中石油兰州催化公司、乐山润和稀土催化剂公司(盛和资源的子公司)等。根据公司在建生产线规模,FCC催化剂产 能将在2015年超过5万吨/年,因此认为FCC产能的增长有望推动稀土需求继续增长。

第四节 稀土催化材料未来展望

1.针对能源和环保领域的特点,发展具有自主知识产权的高性能稀土催化材料,促进稀土资源的高效利用,是解决稀土资源平衡利用的关键。

2.我国正处于汽车工业大发展时期,将稀土催化材料用于汽车尾气净化,既保护环境,又扩大稀土应用,是把稀土资源优势转化为经济优势的一个重要途经。

3.将稀土催化材料用于工业有机废气污染治理和人居环境净化,是推动稀土催化应用的动力之一。

4.稀土催化燃烧既提高燃烧效率,节约能源,又减少氮氧化物排放,保护环境,必将成为稀土催化的一个新兴领域。

5.稀土催化材料用于固体氧化物燃料电池是稀土在能源领域中的一个重要应用。


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