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禚玉群:环保科研要啃“硬骨头”

发布时间:2020-12-19 17:27:26       来源: 科学中国人
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禚玉群在实验室

国家“十三五”规划要求,到2020年,地级及以上城市空气质量优良天数比率将达80%以上。《政府工作报告》里更明确表示“要把节能环保产业打造成新兴的支柱产业”。如今,从战略性新兴产业到新兴支柱产业,环保产业在拉动经济发展中,都被寄予了厚望。

从英国学成归来16年里,清华大学能源与动力工程系副主任、博士生导师禚玉群不仅带领研究团队开发了碱式铁基硫酸盐为主的新型选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂等新型环保催化剂,如今还在攻关汞等重金属的排放难题,开发多功能的环保催化剂。

在禚玉群看来,过去的20年来,中国的环保科研已经实现了多级跳,从原来的集中于火电行业转向了如今的“非电行业”,相应地,环保科研也必须要面对不同行业的“硬骨头”。

院士牵引,留英7年后回国

1987年,禚玉群考入清华大学热能工程系,本科毕业之后,他继续跟随清华大学的徐旭常院士攻读博士。不料,攻读博士的第二年,英国的一位教授突然联系到了禚玉群。“我之前跟他表露过想读完博士出去做博士后研究,他说他们那边拿到了大批的项目,正是极度缺人的时候,希望我能够立即过去。”

英国的教授建议他可以在英国重新攻读博士,但这意味着,禚玉群必须在清华退学,放弃现有的研究,还要缴赔偿金。禚玉群找到导师徐旭常院士商量,没想到,徐院士不仅没有阻拦,还鼓励他出去。“我向先生表达了出国的意愿,徐先生没有生气,反而鼓励我说,年轻人出去见见世面是好事。”

徐院士去世3年后的2014年,在一篇谈清华校训的文章中,禚玉群这样说,如果说“自强不息,厚德载物”的清华校训是刻在石碑上的静态文字,那么老清华人展现出来的品格和风骨则是站着的校训,栩栩如生,对他影响至深。

禚玉群如愿以偿地去了英国帝国理工学院,3年半以后博士毕业,他又继续留在英国做博士后研究,又是4年。在英国7年多的学习、研究,让禚玉群在煤炭化工领域积累了深厚的学术知识,此时,他也面临着一个重要的抉择——在英国的导师希望禚玉群留下来承接他的衣钵,但一个不可忽略的现实是,当时的英国已经开始了彻底的能源转型,不再支持化石燃料的使用,大量关闭了煤矿和燃煤电厂,转向了油气和新能源,继续留在英国可能面临着无用武之地。

此时,他接到了徐旭常院士的电话,在英国的7年时间,他时常和徐院士保持着联系,徐院士一直鼓励他、帮助他。徐院士在电话中对他说:“回清华吧,国内正是快速发展的时候,需要能源方面的人才,你有很大的发展空间。”

短短数语,饱含了这位老清华人对学生的深情厚谊。禚玉群说:“他总是在我最需要的时候及时出现并加以点拨。”徐院士还直截了当地告诉他,他的研究只有回到中国,才有更大的机会和作为。那时正值2003年,彼时的中国不仅是世界上最大的产煤国,也是最大的用煤国。

正是在那一年,已经漂泊在外7年多的禚玉群回到了国内,回到了清华。

从本科到博士后,禚玉群从事的一直都是火电等燃煤相关的各种污染物排放控制研究,他几乎每天都在与“脱硫”和“脱硝”及重金属问题打交道。

在禚玉群看来,如今环境保护是各级政府工作的重要内容,而火电行业是全国打响“环保战”最早的行业之一,已经取得了很大的成效。但与此同时,非电行业的环保问题开始越来越引起人们的重视。

“主要矛盾下去了之后,次要矛盾就变成了主要矛盾。”禚玉群说,约在2015年以后,全国的火电行业开始实施超低排放标准,目前80%以上的机组都实现了超低排放,火电行业的污染排放控制已经没有了多大的空间。正是从那时开始,他们开始大量关注“非电行业”的污染排放问题。

“比如像北京的煤改气问题,一开始就造成了氮氧化物的排放不降反升。我们一开始以为天然气很干净,结果研究发现,特定的氮氧化物的污染物排放量反而上去了,要做减排难度也比较大。”

他们花了很长时间,对燃气锅炉进行改造。禚玉群说,在火电行业中用的脱硝技术,到了燃气锅炉上,却很难直接搬过来用,技术路线也要大改,完全成了新的课题。

新型催化还原,解决特殊化学污染问题

氮氧化物是大气的主要污染物之一,众多国内外学者的研究成果都表明,它是形成酸雨、光化学烟雾和雾霾天气的重要原因,对生态环境和人体健康具有严重的危害。

早在2016年年底,中国工程院院士、清华大学环境学院院长贺克斌介绍了他们的最新研究成果:重污染期间,二氧化氮大大加速了硫酸盐的生成,而硫酸盐正是PM 2.5 重污染中的一大重要来源。

研究发现,在我国华北地区,大气颗粒物表面的“结合水”中可以溶解的二氧化氮约是经典云水环境的50倍,这种高浓度的二氧化氮环境,可以使二氧化硫迅速转化为二次气态污染物硫酸盐。这是华北地区硫酸盐形成的主要路径。

禚玉群说,随着国家污染治理政策的趋紧及行业发展的需要,脱硝催化剂的研发及应用越来越受到国家和环保治理行业的重视。目前一般商用的SCR催化剂要求具有较高的活性温度窗口(300℃〜400℃),在低于300℃时无法达到理想的脱硝效果。而建材、钢铁、工业窑炉及一些特殊化工生产行业的排烟温度大多在200℃左右,且烟气成分复杂,很难直接使用现有的商业催化剂。因此,开发新型低温脱硝催化剂,适应于高硫、高水分及一些特殊化学污染物环境,成为当务之急。

在他看来,国外低温催化剂研究已经取得了一些成果,如壳牌公司(SHELL)开发的低温DeNO x 系统(SDS),它包括一种专有的V/Ti颗粒状催化剂和一个低压降的侧流反应器(LFR),是典型的商业应用级SDS,操作温度在120℃〜350℃;奥地利Ceram公司开发的低温脱硝催化剂采用的也是V-Ti体系,其中V含量在0%〜3%之间,催化剂的活性温度在150℃〜550℃之间。然而,由于国外对低温催化剂的应用方向主要是在无硫和烟气量相对较小的锅炉、窑炉、燃气轮机、硝酸厂和垃圾焚烧厂等,应用环境相对比较局限。

通过十多年的研发工作,禚玉群带领研究团队,开发了碱式铁基硫酸盐为主的新型选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂,并通过示范工程项目验证了此催化剂的脱硝效果,积累了大量的研究经验和实际运行数据。

在北京市“清煤降氮”行动中,他带领清华大学研究团队联合北京华源热力管网有限公司,积极研究NO x 排放低于5mg/m 3 净排放技术路线和关键技术,研发了适应于燃气锅炉宽烟温变化范围(180℃〜550℃)的中低温长周期高效无毒催化剂,创新性地提出了“低氮燃烧-烟气再循环-尿素直喷热解-SCR联合一体化”脱硝技术,解决了燃气锅炉烟温变化幅度较宽、废弃催化剂容易二次污染、锅炉烟道催化剂布置空间有限、NO x 排放对锅炉负荷快速波动不易跟踪、氨逃逸控制难度大等技术问题。

早在2016—2017年,这一研究成果就在北京华源热力管网有限公司所属热源厂示范项目应用,实现了锅炉全负荷状态下氮氧化物排放≤5mg/m3技术效果。

“煤改气”后,燃气锅炉的低氮改造一直是北京市关注的环保重点工程,着重研究燃烧器优化、烟气再循环(FGR)和SCR技术联合应用,实现中小型燃气锅炉超低氮排放。经过禚玉群团队的研究开发,改造后的燃气锅炉NO x 排放完美达到了北京市地方标准的要求,仅采用烟气末端处理,最佳氮氧化物排放可达到9mg/m 3 。

在山东潍柴动力股份有限公司二号工厂试车尾气处理项目中,针对潍柴动力2号厂试车车间发动机试车平台在试车过程中产生的发动机烟气进行脱硫脱硝处理,采用禚玉群团队研制的中低温高效抗油催化剂后,催化剂针对油污及杂质有着很好的抵抗性能,且针对发动机变负荷试车过程中尾气排放温度的变化有着很好的适应性,可全过程保持高氮氧化物脱除率。

据禚玉群介绍,目前这一项目已经于2019年4月完工,调试后氮氧化物排放值可稳定在80mg/m 3 ,二氧化硫排放可稳定在30mg/m 3 ,完全符合环保标准的要求。

重金属“环保战”,攻克单质汞氧化技术

尽管我国的能源结构已开始逐步调整,但目前仍以煤炭为主,煤炭的生产量和消费量常年保持世界第一,而现有研究表明,在2010年时,我国因燃煤发电每年排放汞、砷、硒分别为118.54吨、335.45吨和459.4吨,煤炭燃烧已成为这些高挥发性有害痕量元素最重要的排放源。

而为满足国民经济快速增长的需要,自2010年以来,我国每年的煤炭消费量始终保持在30亿吨以上,相应地,因燃煤排放的汞、砷、硒等高挥发性有害痕量元素所造成的环境问题日益突出,亟待得到充分的认识和有效的控制。

如何将烟气中的汞等金属元素捕捉下来,是我国电力企业及其他工业面临的重要问题。

禚玉群说,目前,脱汞技术主要使用燃烧中添加含卤素的氧化剂、安装带催化氧化功能的脱硝催化剂和吸附剂吸附等方法。而国内外公认的一个重要研究方向是使用带汞氧化功能的脱硝脱汞一体式催化剂,国内电力行业已开始尝试使用此类脱硝脱汞联合催化剂,在有效脱除烟气中氮氧化物的同时,催化剂不但能抑制SO 2 的氧化,还能够有选择性地促进烟气中的单质汞氧化,最大程度脱除烟气中的汞,实现联合脱硝脱汞的最佳结果。如今,这一方向的研究仍处于实验室阶段,还有很大的发展空间。

“开发多功能低温脱硝催化剂,进一步明确温度、烟气量等工程条件对污染物排放控制的影响规律,并进一步将该技术推广应用,是我们现在的重点研究方向。”作为国家的重点研发计划,禚玉群提出了“单质汞催化氧化技术及工程应用研究”,这一课题在国内有着重要的现实意义。

在他看来,国内的研究机构在单质汞多途径氧化方面同样开展了大量的研究工作。在催化剂方面,中国科学院等研究机构在实验室尺度研究了SCR催化剂对于单质汞的催化氧化作用;上海交通大学研发了RuO 2 改性SCR催化剂,在实验中取得了很好的效果。同时,国内的机构也开发了一些新型催化剂,如清华大学发现了CuO x /Al 2 O 3 、CuCl 2 /Al 2 O 3 催化剂,华中科技大学发现了CeO 2 /TiO 2 催化剂,浙江大学发现了Co/TiO 2 催化剂,湖南大学发现了CeO 2 /Al 2 O 3 催化剂,不仅具备良好的催化效果,有的催化剂甚至可以实现中低温下(100℃〜200℃)单质汞、氮氧化物、二氧化硫的联合脱除,具备很好的应用潜力。而在催化机理方面,华中科技大学等机构通过动力学模型以及量子化学模型,研究了MnO 2 、Pd、CeO 2 等SCR催化剂的催化氧化单质汞的化学机理和动力学机理。

禚玉群认为,尽管国内在单质汞氧化方面的研究进展与国外先进水平基本保持一致,但与国外相比,由于我国燃煤电厂正在逐步进行超低排放改造,因此在氧化技术的选择及应用研究方面,存在其特殊性,如今仍有几个问题亟待解决,比如缺乏针对不同煤种、不同环保设施的氧化技术适应性及应用优化研究,缺乏氧化汞在湿法脱硫系统中再释放抑制技术研究,缺乏经济普适高效的SCR催化剂催化氧化单质汞改性技术,以及缺乏氧化脱汞技术及装备的系统性工业应用。

为此,他在研究中提出,要掌握超低排放燃煤电厂的协同脱汞现状,掌握卤素添加剂、氧化催化剂对单质汞的多途径氧化机制,开发适用于燃煤电厂的单质汞氧化催化剂,掌握了氧化汞在湿法脱硫过程中的再释放机理及抑制措施,形成基于氧化剂、催化氧化的单质汞高效氧化技术,开发相关装备并进行工程应用研究,实现了预期的汞氧化效率和脱除效率。

在针对汞高效氧化的催化剂开发及改性技术研究上,他们将在实验室条件下,研究过渡金属氧化物催化剂对汞的催化氧化机理,通过催化剂改性以提高对汞的催化氧化能力;研究烟气参数及成分对汞催化氧化效果的影响规律,以及改性对催化剂脱硝性能的影响;形成复合型催化剂体系。

而在基于催化剂的单质汞高效氧化脱除技术应用研究中,他则提出要基于催化剂的单质汞高效氧化技术,研究催化剂的适应性,开发催化剂的制备工艺,形成现场应用方案,研究催化剂的失活原因,以及催化剂的长期稳定性,并研发相关再生技术工艺。

啃“硬骨头”,难在跟企业打交道

“自强不息,厚德载物”,不仅是清华的校训,也是禚玉群执教和科研中遵循的金科玉律。他认为,在人才的培养中,最重要的是培养学生有自己的科研构想。

2014年7月14日,围绕煤炭的清洁高效低碳安全利用,促进科技研发与经济发展的深度融合,在山西省政府和清华大学的支持下,清华大学在山西建设了清洁能源研究院,禚玉群担任研究院的科研副院长。

作为一个“科研主导型”派出研究院,清华大学山西清洁能源研究院以煤炭绿色高效清洁利用为重点研发领域基础,同时涵盖清洁能源、煤基低碳及大数据、高端装备制造、新能源、新材料、节能环保、生物医药、新一代信息技术、新能源汽车、现代煤化工等战略性新兴产业、科技成果转化、科技企业孵化及引进和检测认证服务等业务领域。如今,清洁能源研究已成为国内重要的煤基关键技术研发平台。

在禚玉群看来,根据现有市场需求,低温脱硝催化剂每年需求量约为几十万立方米,随着各行各业对环保要求的不断提高,新型多功能催化剂技术的产业化应用,对山西省乃至全国带来的环境效益和经济效益不可估量。

“山西省正加快钢铁、焦化、水泥、玻璃等企业大气治理设施升级改造,相关行业的治理难点主要在于温度窗口低、含水量高、化学成分复杂,对脱硝行业的技术提出了更高要求。”

禚玉群认为,他们的研究成果重点针对低温条件下脱硝催化剂的抗硫、抗水、抗化学污染物联合脱汞等特性进行研究,最终可以实现新型多功能脱硝催化剂技术的产业化。

从二氧化硫、氮氧化物和汞等污染物排放和控制方面的基础研究及应用技术开发,到从事新能源利用等方面的科研工作,禚玉群带领团队在多种污染物联合脱除和重金属污染物排放控制方面取得了多项研究成果,不仅承担国家原“863”课题、国家自然科学基金项目,还有诸多国际合作项目,已在环保领域发表SCI论文就达70多篇。

回国16年来,对于已经有着丰硕科研成果的禚玉群来说,更难的是在许多科研工作中需要与企业打交道。

由于环保科技的特殊性,企业往往缺乏积极性和动力。多个项目中,曾有谈妥的企业撂挑子不干,导致项目中止。他举例说,在一个多种污染物的脱硫脱硝的项目中,共同承担课题的企业干了1年之后却变卦不做了,连负责人也跑了。课题必须临时寻找新的示范点,所有的东西都要重来,前期的设计全作废。“最后我们这个课题费了半天劲,也没有通过验收,这让我们很受打击。”禚玉群说,很多时候,作为科研带头人,他明明知道什么样才更合理,但企业却有自己的考虑。“事实上,对于环保,企业通常是不太情愿的,而对节能,企业却是十分有动力,能省下真金白银。环保需要企业投入不产生直接经济效益的巨大投资,因此企业往往追求的只是达到最低标准。”

禚玉群认为,国内的环保研究已经到了一定的高度和层次,如果要继续从事这个领域的研究,就势必面临着很多挑战,要面对很多不熟悉的行业,往往需要啃“硬骨头”。然而,技术的发展是势不可挡的,还祖国一片蓝天是这一代人的义务也是使命。虽遭遇过几多坎坷,但禚玉群相信这是一项光明的事业,怀着这个信念,他也始终乐观地看待未来,并笃行于脚下之路。

专家简介

禚玉群,清华大学能源与动力工程系(原热能工程系)副主任、博士生导师,主要从事煤燃烧过程中SO x 、NO x 和汞等污染物排放和控制方面的基础研究及应用技术开发,同时从事新能源利用等方面的科研工作,在多种污染物联合脱除和重金属污染物排放控制方面取得多项研究成果。已发表英文专著1部,SCI/EI检索论文120余篇,获授权发明专利20余项,获省部级以上科技奖励4项。

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