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控制氮氧化物排放是改善空气质量关键

信息来源:《中国科学报》  发布时间: 2013-11-25
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   郝吉明
 
   ■本报记者 龙九尊
 
   中国许多城市目前正遭受着严重的空气污染,而氮氧化物被认为是导致空气污染的罪魁祸首。原因在于,氮氧化物排放造成的二次污染可以产生多种环境影响:酸沉降、水体富营养化、臭氧、PM2.5、气候变化……
 
   “因此,NOx(氮氧化物)排放控制是改善我国环境空气质量的关键。”近日,中国工程院院士、清华大学教授郝吉明在贵阳“第七届全国环境化学”大会报告上如此表示。
 
   氮氧化物主要来自电厂燃煤烟气和汽车尾气。郝吉明说,仅通过锅炉优化燃烧和机内净化控制氮氧化物远不能满足日益严格的排放标准,“而选择性催化还原(SCR)氮氧化物为氮气是最有效的净化方法”。
 
   该方法要用到脱硝催化剂——其功能在于促使还原剂选择性地与烟气中的氮氧化物发生化学反应。郝吉明说,关键在于高效低成本脱硝催化剂的设计,目前该领域主要聚焦在“高性能催化体系设计和复杂环境下技术适应性”两个方面。
 
   SCR催化剂可以分为金属氧化物和分子筛两类催化剂,前者主要应用于燃煤烟气脱硝,后者用在柴油车尾气氮氧化物控制。
 
   郝吉明说,我国燃煤烟气脱硝主流技术为NH3-SCR,但这一技术存在高温选择性差、抗中毒能力弱、工作温度窗口窄等问题,难以满足我国电厂复杂烟气排放特征(高灰高钙高硫),及不同负荷宽工作温度下脱硝的需求。
 
   而影响催化剂选择性及抗中毒和温度窗口的关键因素是脱硝催化剂的氧化还原性和酸性。
 
   因此,郝吉明提出通过合理调控催化剂的氧化还原性和酸性,设计新的催化剂体系,从而最终解决上述难题的思路。
 
   我国2003年前建设的电厂,由于没有预留脱硝空间,烟气脱硝装置被安装在除尘或脱硫之后,此时烟气温度已经降到200℃以下。要在如此低温条件下,将氮氧化物还原为氮气,对国内外学术界和工业界都是一个挑战。
 
   郝吉明认为,解决这一问题的关键,仍然是探索新的活性组分。由于锰具有很好的低温活性,研究人员将二氧化锰应用到低温脱硝领域,最终发明了锰铈锡三元复合氧化物催化剂体系。目前该团队已完成了从原材料到脱硝催化剂制造的整个产业链工作,相继完成了小试、中试和产业化应用全过程。
 
   在分子筛研究方面,当前国际上主要聚焦在小孔高硅CHA分子筛上。郝吉明研究团队发现,Cu/CHA分子筛具有优异的脱硝活性和氮气选择性,铜含量的增加会有效提高低温活性,且具有优异的抗水热老化和抗积碳能力,成为柴油车尾气净化的关键催化材料。
 
   郝吉明说,下一步需要对不同排放源的氮氧化物开展污染控制,但关键的脱硝催化剂材料研究及应用仍然面临着三个方面的挑战。
 
   一是再生及废弃催化剂如何资源化利用。“十二五”期间将大规模安装脱硝装置,脱硝催化剂市场良莠不齐,很难保证所有的脱硝催化剂都能够达到设计寿命,所以脱硝催化剂寿命和稳定性仍然是一个挑战。此外,将来大量的废旧催化剂如何再利用是下一阶段的研究课题。
 
   二是推动烟气多污染物的协同控制。零价汞是全球性的大气污染物,燃煤烟气是汞的主要排放源之一,燃煤烟气汞的排放控制成为需要迫切解决的问题,研究如何能够在高效脱硝的同时氧化汞。
 
   三是研发高效低成本分子筛脱硝催化剂。对于柴油车尾气中氮氧化物控制,虽然小孔分子筛负载铜的催化剂体系具有良好的脱硝性能及高热稳定性和抗积碳特性,但针对国内的劣质柴油,仍然需要解决催化剂的抗硫性能。
 
   此外,替代燃料车尾气排放控制也面临难题。含氧替代燃料会造成尾气中氮氧化物排放量增加,提高了脱硝难度;不同燃料车尾气中非常规污染物(醛类、酸类等)的排放和危害也成为环境化学家必须关注的问题。