汽車尾氣凈化：三十余年精進(jìn)之旅
——記盧冠忠團(tuán)隊(duì)“柴油車尾氣凈化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目

本刊記者/李輝

汽車尾氣凈化：三十余年精進(jìn)之旅
——記盧冠忠團(tuán)隊(duì)“柴油車尾氣凈化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目

本刊記者/李輝

盧冠忠，博士，華東理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目首席科學(xué)家。曾任華東理工大學(xué)校黨委副書記兼副校長、上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院校長。

完成單位

華東理工大學(xué)，凱龍高科技股份有限公司，江蘇藍(lán)烽新材料科技有限公司，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院。

研究內(nèi)容

該項(xiàng)目依托國家973計(jì)劃等項(xiàng)目的支持，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整套柴油車尾氣凈化技術(shù)，建立起了柴油車排氣后處理凈化技術(shù)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，填補(bǔ)了我國在該行業(yè)的空白，為全面實(shí)施國四和國五排放標(biāo)準(zhǔn)，提供了有力的技術(shù)支撐和保障。

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是造成大中型城市大氣污染的主要原因之一。在霧霾成為常態(tài)的今天，機(jī)動(dòng)車尾氣的處理好壞直接關(guān)系到我們每個(gè)人的健康。正因如此，2014年度上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)授獎(jiǎng)名冊中的一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，“柴油車尾氣凈化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，就顯得格外引人注目。該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是什么？他們的技術(shù)方案是如何實(shí)現(xiàn)的？帶著這樣的好奇和疑問，我們采訪了項(xiàng)目第一完成人盧冠忠教授。

不斷成長的研究團(tuán)隊(duì)

“我從碩士研究生時(shí)就開始了機(jī)動(dòng)車尾氣催化凈化技術(shù)的研究。”當(dāng)我問到盧教授的研究起于何時(shí)時(shí)，他的回答出乎我的意料。盧冠忠是1983年開始攻讀碩士研究生的——當(dāng)時(shí)中國的汽車社會(huì)還遠(yuǎn)未成型。

實(shí)際上進(jìn)入這一領(lǐng)域?qū)τ诒R冠忠自己來說也有點(diǎn)意外。1979年他以現(xiàn)役軍官的身份考入華東理工大學(xué)，本科畢業(yè)后又考取了該校能源化工系主任汪仁教授的碩士研究生。汪仁教授是華東理工大學(xué)工業(yè)催化學(xué)科的奠基者，他在70年代末就開始了環(huán)境催化研究，曾以“CM型銅－稀土氧化物蜂窩狀燃燒催化劑”在1983年獲國家發(fā)明三等獎(jiǎng)。汪先生在80年代意識(shí)到隨著汽車成為日常交通工具，尾氣排放問題將再所難免，于是果斷開展了機(jī)動(dòng)車尾氣的催化凈化研究。

作為汪仁教授的研究生，盧冠忠碩士時(shí)期開展了“CeO2在非貴金屬燃燒催化劑中作用機(jī)理的研究——氧的類型、貯藏、遷移”的研究，這是稀土催化和稀土用于“非貴金屬汽車尾氣凈化催化劑”的重要研究內(nèi)容，學(xué)位論文被校學(xué)位委員會(huì)評為優(yōu)秀研究生論文。

鑒于優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績和研究能力，在汪仁教授的推薦下，華東理工大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為盧冠忠是不可多得的人才。經(jīng)過學(xué)校多次申請，1987年1月終獲得解放軍有關(guān)部門的同意，特批盧冠忠由部隊(duì)轉(zhuǎn)業(yè)到了華東理工大學(xué)。這時(shí)盧冠忠已經(jīng)是汪仁教授的博士研究生。進(jìn)入汽車尾氣催化凈化領(lǐng)域的盧冠忠不負(fù)期望，通過三年多的努力順利完成了《氧化鈰在非貴金屬氧化物燃燒催化劑中的作用》的博士學(xué)位論文，被全國20位著名專家、教授評議為優(yōu)秀博士論文。

華東理工大學(xué)工業(yè)催化研究所在汽車尾氣催化凈化領(lǐng)域，經(jīng)過汪仁一輩的篳路藍(lán)縷，在盧冠忠接班后又進(jìn)一步拓展，到現(xiàn)任所長的郭楊龍教授（本次獲獎(jiǎng)排名第四），已經(jīng)是第三代。研究傳統(tǒng)傳承發(fā)揚(yáng)，研究隊(duì)伍也逐漸擴(kuò)大，整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)包括研究生已經(jīng)發(fā)展到了近百人，是國內(nèi)最重要的工業(yè)催化和稀土催化的研究基地。最為代表性的是盧冠忠作為首席科學(xué)家，連續(xù)承擔(dān)了兩個(gè)國家973計(jì)劃項(xiàng)目：2004年盧冠忠和他的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國家科技部973計(jì)劃項(xiàng)目“高豐度稀土元素在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中高效、高質(zhì)利用的基礎(chǔ)研究”；2009年他和他的團(tuán)隊(duì)又獲國家科技部973計(jì)劃項(xiàng)目“清潔能源生產(chǎn)和環(huán)境治理重稀土催化材料應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”。

從攻讀碩士至今已有30余年的時(shí)間，其間即便承擔(dān)了繁重的管理工作，盧冠忠始終堅(jiān)持催化劑和催化技術(shù)的科學(xué)研究工作。“作為大學(xué)的教授，科研和培養(yǎng)學(xué)生始終是我最看重的，”他說。而與他同行的，則是一個(gè)以工業(yè)催化為主業(yè)，堅(jiān)持30年、越發(fā)成熟和穩(wěn)定的科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。

追隨國家標(biāo)準(zhǔn)的腳步

對汽車尾氣處理研究的持續(xù)投入，也顯示了國家對這一課題研究的迫切需要。

汽車排放的尾氣主要包括CO（一氧化碳）、HC（碳?xì)浠衔铮Ox（氮氧化物）、PM（微粒，碳煙）等有害氣體。它們都是發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒作功過程中產(chǎn)生的。

這些排放物對環(huán)境造成極大污染的同時(shí)也對人體帶來很大傷害，因此早在上世紀(jì)六七十年代，歐美地區(qū)就出臺(tái)了汽車尾氣排放的法規(guī)制度。與發(fā)達(dá)國家相比，我國汽車尾氣排放法規(guī)起步較晚。1983年，我國頒布了第一批機(jī)動(dòng)車尾氣污染控制排放標(biāo)準(zhǔn)；1989年至1993年又陸續(xù)頒布了一批標(biāo)準(zhǔn)，形成了我們國家較為完整的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)體系。

2000年后，我國的汽車尾氣排放全面接軌歐洲標(biāo)準(zhǔn)。2000年前后頒布了第一、二階段（相當(dāng)于歐Ⅰ、歐Ⅱ）機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)；2005年頒布三、四階段排放標(biāo)準(zhǔn)（相當(dāng)于歐Ⅲ、歐Ⅳ）。汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的快節(jié)奏提升，也就要求汽車尾氣排放的處理技術(shù)必須迅速跟上。

而國家標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，正是盧冠忠研究團(tuán)隊(duì)不斷前行的目標(biāo)。“我們的做法，就是要始終緊跟國家環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)，前瞻性和有針對性地開展科研工作。”盧冠忠說。

“后處理”技術(shù)的逐步精進(jìn)

汽車尾氣的處理，一種方法是提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)從源頭上降低污染物的排放水平。但是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的改進(jìn)并不能徹底消除尾氣中有害物質(zhì)的排放，按照國際上現(xiàn)行的普遍采用的處理方法，是在汽車排氣出口處安裝尾氣催化凈化器，將汽車尾氣污染物在排放出口處消除。這種解決方案也稱為“后處理”。

“后處理”的實(shí)現(xiàn)，是讓排放物——高溫廢氣流——經(jīng)過催化劑的載體時(shí)，其中的有害物質(zhì)（CO、HC、NOx、PM），在催化劑和溫度的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無毒的二氧化碳、氮?dú)夂退ｏ@然，這一技術(shù)的關(guān)鍵，在于促成這些化學(xué)反應(yīng)高效進(jìn)行的尾氣凈化催化劑。

人們很早就注意到稀土具有獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，可以用作催化劑組分。但是燃油種類、油品的不同，決定了催化劑的組分和性能的不同。而且稀土要與貴金屬“合作”才能形成催化能力。這又衍生出了新的難題。

早期，我國機(jī)動(dòng)車使用的汽油品質(zhì)較低，含有鉛成分，排出的廢氣也含有鉛。而凈化器中的貴金屬鉑、銠、鈀，很容易和鉛發(fā)生反應(yīng)，然后就失去活性。作為應(yīng)對，華東理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了稀土型非貴金屬汽車尾氣凈化三效催化劑。

隨著國家取消含鉛汽油，盧冠忠?guī)ьI(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在新的起點(diǎn)上繼續(xù)研究汽油車尾氣的主要排放成分——CO、HC和NOx的催化凈化。他們將稀土非貴金屬催化劑改為稀土和微量貴金屬（鉑、銠、鈀）催化劑，大大提高了催化凈化效率和耐久性，適應(yīng)了更高的機(jī)動(dòng)車尾氣排放法規(guī)的要求。這也就是盧冠忠團(tuán)隊(duì)第一個(gè)973項(xiàng)目的研究成果之一。

堅(jiān)持不懈的努力換來了豐碩的研究成果。2005年,“LPG汽車尾氣稀土催化凈化器”獲第七屆上海國際工業(yè)博覽會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)。2006年，“汽車尾氣三效凈化催化劑”榮獲上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。2009年，“稀土催化材料及在機(jī)動(dòng)車尾氣凈化中的應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。還有更重要的是，他們獲得了國家第二個(gè)973項(xiàng)目的繼續(xù)支持。

早期盧冠忠團(tuán)隊(duì)的研究主要針對占機(jī)動(dòng)車絕大多數(shù)的汽油車，在取得成功之后，從2006年開始，他們又把目標(biāo)從汽油車轉(zhuǎn)向了柴油車。

柴油中的碳含量比汽油中要高：汽油是一種輕油，而柴油則可以算是重油。兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理也不同：汽油機(jī)是用火花塞來點(diǎn)燃已經(jīng)混合充分的汽油蒸氣與空氣；而柴油機(jī)則是靠將高壓柴油噴入已超過起燃點(diǎn)的熱空氣中來點(diǎn)燃。由于油的成分與點(diǎn)燃方式的不同，與汽油車相比，柴油車的CO和HC排放量要少得多，但NOx和PM的排放量則要多得多。國家環(huán)保部2013年機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)的數(shù)據(jù)顯示，僅占16%的柴油車，貢獻(xiàn)了機(jī)動(dòng)車排放氮氧化物的68%，以及99%的顆粒物。這也就意味著，柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)的重點(diǎn)在于處理NOx和PM。

針對柴油車尾氣中占少量但仍存在的CO和HC的處理，盧冠忠團(tuán)隊(duì)在之前處理汽油車尾氣排放時(shí)的技術(shù)積累基礎(chǔ)上，根據(jù)柴油車尾氣中HC和CO的組成進(jìn)一步提高了相應(yīng)的催化凈化性能。圖1是項(xiàng)目組開發(fā)的氧化催化劑的工作原理示意圖。

對于碳顆粒物PM的處理，項(xiàng)目組采用制備含催化劑的PM捕集器，將碳顆粒邊收集邊催化燒掉的辦法提高其捕集PM的效率。圖2是碳顆粒捕捉器的工作原理示意圖。

針對柴油車排出的最為復(fù)雜的氮氧化合物NOx，盧冠忠團(tuán)隊(duì)使用了氨還原的方法，通過氨還原劑將氮氧化合物還原為無毒的氮?dú)夂退?/p>

“這是我們這一項(xiàng)目最為關(guān)鍵的技術(shù)成果之一，許多的研究工作都是圍繞它展開的，”盧冠忠強(qiáng)調(diào)說。氨是液體，在流動(dòng)的車上進(jìn)行運(yùn)輸和使用并非易事，這對催化凈化器結(jié)構(gòu)和氨的運(yùn)輸系統(tǒng)提出了更高的要求。項(xiàng)目組最終采用尿素和水的混合物，加熱后分解出氨的技術(shù)路線。圖3是氨還原NOx催化劑的工作原理示意圖。

在催化劑制備完成的基礎(chǔ)上，還需要讓尿素噴射系統(tǒng)在整車中高效和穩(wěn)定的使用。機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行環(huán)境，除了平常環(huán)境，也可能是高溫地帶或者極寒之地。這需要項(xiàng)目組必須做大量的試驗(yàn)調(diào)試，排除出現(xiàn)問題的各種可能。而這方面的工作則主要由合作的企業(yè)團(tuán)隊(duì)去完成。工業(yè)催化研究所30年的發(fā)展，已培養(yǎng)了中國催化行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域大量的人才。這在一定程度上也為催化劑和催化技術(shù)研究成果的產(chǎn)學(xué)研合作奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1.一氧化碳和碳?xì)浠衔锏难趸幚?/p>

圖2.微粒、碳煙的收集燃燒處理

圖3.氮氧化合物的還原處理

未來可期

盧冠忠團(tuán)隊(duì)的這一項(xiàng)目，不僅獲得了政府的獎(jiǎng)勵(lì)，也已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，據(jù)粗略估計(jì)，這一項(xiàng)目3年來的產(chǎn)值已達(dá)11億。

中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)對這一項(xiàng)目的評價(jià)是：完成了我國柴油機(jī)排氣后處理選擇性催化還原系統(tǒng)完整產(chǎn)業(yè)鏈，填補(bǔ)了內(nèi)燃機(jī)后處理行業(yè)的空白，打破了技術(shù)壟斷，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。為車用柴油機(jī)制造企業(yè)實(shí)施國四排放標(biāo)準(zhǔn)，提供了有力的技術(shù)支撐和保障。

國四標(biāo)準(zhǔn)顯然不是終點(diǎn)。2013年國家環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》，要求自2017年1月1日起，全國機(jī)動(dòng)車將全面實(shí)施國五排放標(biāo)準(zhǔn)。相比國四標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)輕型車氮氧化物排放要降低25%，重型車氮氧化物排放要降低43%。跟隨這一新的標(biāo)準(zhǔn)要求，盧冠忠和他的團(tuán)隊(duì)還有很多的事情需要去做，也讓我們期待他們做出更大的成績。