低温SCR脱硝催化剂 给锅炉戴上防PM2.5的“口罩”

从7日开始，北京再度陷入了“雾霾模式”，伴随而来的是首个重污染红色预警的启动。现在正值供暖季节，全市燃煤、天然气供暖锅炉排放大量污染物，直接或间接转换成了近年来我们所熟悉而又厌恶的细颗粒物PM2.5。根据之前的追根溯源，燃煤排放贡献了北京近1/4的PM2.5，如果能把这部分PM2.5“解决”掉，无疑对“北京蓝”意义重大。

记者从北京工业大学了解到，该校环境与能源工程学院何洪、李坚两位教授带领科研团队潜心研究多年，研发出了整体蜂窝型低温SCR脱硝催化剂，能够大幅削减燃煤、燃气锅炉的氮氧化物排放量，有效阻止氮氧化物转化为PM2.5。一块块蜂窝型催化剂材料拼装在一起，等于给锅炉戴上了一个防PM2.5的“口罩”。

不同领域专家联手干“副业”

1998年，北京一共遭遇76个烟雾日，不利于大气污染物扩散的稳定类型天气出现频率高达40.4%，氮氧化物比上一年升高14%。为应对严峻的大气污染形势，当年底北京市政府采取了控制煤烟型污染、机动车排气污染和扬尘污染18项紧急措施。

就在这一年秋天，何洪正式来到北京工业大学，从事催化化学领域的教学和研究。“作为土生土长的北京人，我太了解北京的空气质量是如何转差的了，经济高速发展伴随着一根根烟囱拔地而起，处理不净的二氧化硫、氮氧化物等污染物直接排放进入大气。”何洪说，1993年到1996年他在香港浸会大学攻读博士学位时就知道西方国家对氮氧化物排放的控制一直非常严格，通过一系列技术将氮氧化物净化，这个过程被称为“脱硝”，但环顾内地，“脱硝”工艺近几年才刚刚开始。

何洪告诉记者，使用传统蜂窝材料催化剂控制氮氧化物，发达国家普遍应用。但是它有一个缺点，当排烟温度低于300℃时，催化效果几乎为零。“这在燃煤电厂应用没问题，但中国有大量的供暖锅炉和工业锅（窑）炉，排烟温度大多低于300℃，如此一来，非电力行业的锅炉、窑炉或工业过程的氮氧化物排放控制是我们面临的巨大挑战。”

何洪教授和大气污染控制工程专家李坚教授一起认真讨论了这个问题，他们意识到在这一领域大有可为，两人一拍即合，决定攻关低温催化剂材料。如今距离两人的“合谋”已经过去11年，何洪说，现在回头看，他们的合作是天意，“这事儿要做成，必须得两个人来，我做催化、做材料，他做除尘、做工程技术，别人说我们是"合理（何李）组合"，专干清理烟囱的副业。”何洪笑道。

对着化学元素周期表找材料

2004年，两人带着科研团队开始做基础配方。相比别的科研项目立项、审批、答辩、评奖，一步步“光明正大”，何洪和李坚的项目在最初的几年完全属于“暗箱操作”。没有任何立项，没有研究终点，也没有科研经费，甚至连学校领导都不知道。“我们就想努力尝试，看能做出最低多少温度的催化剂材料。”李坚说，当时他俩都想好了，一旦成功，就直接把实验室成果做到能应用的工业化产品，“实打实来，不弄花边科研。”

两人分工明确，何洪带领学生负责催化剂材料的研究、制备，李坚带领学生负责催化剂模块的成型制作及其工程应用。寻找合适的低温催化剂材料，并不是一件容易的事。何洪说，他们对着元素周期表，钠、镁、铝、铁、锌、铜……一样样找来，不断比对、试验，除了少数几种放射性元素外，尝试了几乎所有元素周期表的元素。

“那时候我们有各自的研究课题，教学、研究的任务也很重，但都悄悄地把这项研究坚持了下来。”何洪说，自己的实验室在五楼，李坚的实验室在一楼，每天两人就楼上楼下串着跑，“这在当时可减肥了。”他笑道。

这么大的项目，又涉及到具体产品制备，没有经费难以想象。何洪坦言，当时做研究只能节约再节约，真不行了两人就从其他科研项目中“蹭”有富余的经费接济一下，或者用一些其他项目剩下来的设备。“虽然现在看来这非常不规范，但在当时的确是不得已的办法。”何洪说。

2008年，两组团队的研究取得突破性进展，一种名叫钒钼钛的材料大大提高了蜂窝催化剂的低温适应性。“实验室里，这种材料在160℃都能保证催化效果。开始，我们都难以相信，用了很长时间进行反复验证。”何洪说。

污染物被还原为氮气和水

材料研发取得重大突破，但距离产品依然遥远。李坚告诉记者，实验室出来的是催化剂材料的粉体，需要通过挤出、成形等多道工艺才能变成最终的产品，这其中的加工技术对于保证材料的最终效果至关重要。

功夫不负有心人，他们在天津武清找到了一家企业做工业实验，然后在山东淄博找到了愿意加工催化剂材料的工厂。于是几乎每周，两人都得从北京赶赴山东，“那时候去淄博的铁路远没有现在方便，只能开车过去。”何洪说，经过不懈努力，他们加工出了30孔、40孔等规格的催化剂材料，“40孔材料因为加工难度很大，在国际上非常罕见，它对于净化天然气锅炉排放氮氧化物具有更好的效果，适合北京等大城市的污染减排。”

日前记者在北京工业大学的一栋实验楼里见到了这两种催化剂材料的样品。粗一看，它们就是长方体，只是在中间密密麻麻分布着小孔，“长方体横截面边长为15厘米，40孔意味着这个横截面有40个小孔，这段材料有40条烟气通道。”李坚解释道，从锅炉里排放的二氧化氮、一氧化氮等污染气体加氨后通过这些催化剂材料，会发生还原反应，变成氮气和水，“氮气是地球大气最主要的成分，和水一样对生物有益无害。”李坚说。

在李坚的实验室里，记者目睹了这种蜂窝材料发挥神奇的作用。烟气通过材料后，氮氧化物的浓度被神奇地降到了6.83毫克/立方米，“远远低于北京现在对于锅炉排放氮氧化物的标准限值。”李坚说。

有望助力北京热电企业减排

有了好的技术和产品，自然要推向市场，这是何洪、李坚最初的目标。这项技术通过北京的一家科技有限公司实现了成果转化，但在推广之初却遇到了不少困难。“大家用惯了国外的产品，不信任我们的技术。”何洪说，有一次他带着材料去湖北武汉的一家企业，厂方以为他就是一位供销员，草草打发，“连杯水都没给喝。”何洪说，但后来随着他们的产品被行业所熟知，再去企业时连当地环保局领导都会全程陪同，希望能用上这项新技术。

李坚告诉记者，整体蜂窝型低温SCR脱硝催化剂有着广泛的应用前景。一台20蒸吨的燃煤锅炉，只需要10立方米的催化剂材料进行组合后装进脱硝反应器里，就能有效净化氮氧化物。这种催化剂材料已经在北京多个供暖小区投入使用，他们还在和承担重要供电使命的京西南热电中心洽谈，最先进的催化剂材料有望在北京最环保、最先进的热电中心投入使用。

在推广应用的过程中，他们的产品也遇到了“劣币驱逐良币”的困难。一些国内的厂商推出号称也能实现脱硝功能的催化剂材料，以极低的价格搅动市场，“他们每立方米才1万元，这根本不可能，成本都不够。除非添加了不明材料，但这对实际减少排放毫无意义。”何洪说，他们未来也会进一步加大技术攻关，降低材料成本，同时也希望有关部门能加大监管，“这也是对我们科研积极性的保护”