禚玉群：環保科研要啃“硬骨頭”

徐芳芳

禚玉群在實驗室

國家“十三五”規劃要求，到2020年，地級及以上城市空氣質量優良天數比率將達80%以上。《政府工作報告》里更明確表示“要把節能環保產業打造成新興的支柱產業”。如今，從戰略性新興產業到新興支柱產業，環保產業在拉動經濟發展中，都被寄予了厚望。

從英國學成歸來16年里，清華大學能源與動力工程系副主任、博士生導師禚玉群不僅帶領研究團隊開發了堿式鐵基硫酸鹽為主的新型選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑等新型環保催化劑，如今還在攻關汞等重金屬的排放難題，開發多功能的環保催化劑。

在禚玉群看來，過去的20年來，中國的環保科研已經實現了多級跳，從原來的集中于火電行業轉向了如今的“非電行業”，相應地，環保科研也必須要面對不同行業的“硬骨頭”。

院士牽引留英7年后回國

1987年，禚玉群考入清華大學熱能工程系，本科畢業之后，他繼續跟隨清華大學的徐旭常院士攻讀博士。不料，攻讀博士的第二年，英國的一位教授突然聯系到了禚玉群。“我之前跟他表露過想讀完博士出去做博士后研究，他說他們那邊拿到了大批的項目，正是極度缺人的時候，希望我能夠立即過去。”

英國的教授建議他可以在英國重新攻讀博士，但這意味著，禚玉群必須在清華退學，放棄現有的研究，還要繳賠償金。禚玉群找到導師徐旭常院士商量，沒想到，徐院士不僅沒有阻攔，還鼓勵他出去。“我向先生表達了出國的意愿，徐先生沒有生氣，反而鼓勵我說，年輕人出去見見世面是好事。”

徐院士去世3年后的2014年，在一篇談清華校訓的文章中，禚玉群這樣說，如果說“自強不息，厚德載物”的清華校訓是刻在石碑上的靜態文字，那么老清華人展現出來的品格和風骨則是站著的校訓，栩栩如生，對他影響至深。

禚玉群如愿以償地去了英國帝國理工學院，3年半以后博士畢業，他又繼續留在英國做博士后研究，又是4年。在英國7年多的學習、研究，讓禚玉群在煤炭化工領域積累了深厚的學術知識，此時，他也面臨著一個重要的抉擇——在英國的導師希望禚玉群留下來承接他的衣缽，但一個不可忽略的現實是，當時的英國已經開始了徹底的能源轉型，不再支持化石燃料的使用，大量關閉了煤礦和燃煤電廠，轉向了油氣和新能源，繼續留在英國可能面臨著無用武之地。

此時，他接到了徐旭常院士的電話，在英國的7年時間，他時常和徐院士保持著聯系，徐院士一直鼓勵他、幫助他。徐院士在電話中對他說：“回清華吧，國內正是快速發展的時候，需要能源方面的人才，你有很大的發展空間。”

短短數語，飽含了這位老清華人對學生的深情厚誼。禚玉群說：“他總是在我最需要的時候及時出現并加以點撥。”徐院士還直截了當地告訴他，他的研究只有回到中國，才有更大的機會和作為。那時正值2003年，彼時的中國不僅是世界上最大的產煤國，也是最大的用煤國。

正是在那一年，已經漂泊在外7年多的禚玉群回到了國內，回到了清華。

從本科到博士后，禚玉群從事的一直都是火電等燃煤相關的各種污染物排放控制研究，他幾乎每天都在與“脫硫”和“脫硝”及重金屬問題打交道。

在禚玉群看來，如今環境保護是各級政府工作的重要內容，而火電行業是全國打響“環保戰”最早的行業之一，已經取得了很大的成效。但與此同時，非電行業的環保問題開始越來越引起人們的重視。

“主要矛盾下去了之后，次要矛盾就變成了主要矛盾。”禚玉群說，約在2015年以后，全國的火電行業開始實施超低排放標準，目前80%以上的機組都實現了超低排放，火電行業的污染排放控制已經沒有了多大的空間。正是從那時開始，他們開始大量關注“非電行業”的污染排放問題。

“比如像北京的煤改氣問題，一開始就造成了氮氧化物的排放不降反升。我們一開始以為天然氣很干凈，結果研究發現，特定的氮氧化物的污染物排放量反而上去了，要做減排難度也比較大。”

他們花了很長時間，對燃氣鍋爐進行改造。禚玉群說，在火電行業中用的脫硝技術，到了燃氣鍋爐上，卻很難直接搬過來用，技術路線也要大改，完全成了新的課題。

新型催化還原解決特殊化學污染問題

氮氧化物是大氣的主要污染物之一，眾多國內外學者的研究成果都表明，它是形成酸雨、光化學煙霧和霧霾天氣的重要原因，對生態環境和人體健康具有嚴重的危害。

早在2016年年底，中國工程院院士、清華大學環境學院院長賀克斌介紹了他們的最新研究成果：重污染期間，二氧化氮大大加速了硫酸鹽的生成，而硫酸鹽正是PM2.5重污染中的一大重要來源。

研究發現，在我國華北地區，大氣顆粒物表面的“結合水”中可以溶解的二氧化氮約是經典云水環境的50倍，這種高濃度的二氧化氮環境，可以使二氧化硫迅速轉化為二次氣態污染物硫酸鹽。這是華北地區硫酸鹽形成的主要路徑。

禚玉群說，隨著國家污染治理政策的趨緊及行業發展的需要，脫硝催化劑的研發及應用越來越受到國家和環保治理行業的重視。目前一般商用的SCR催化劑要求具有較高的活性溫度窗口（300℃～400℃），在低于300℃時無法達到理想的脫硝效果。而建材、鋼鐵、工業窯爐及一些特殊化工生產行業的排煙溫度大多在200℃左右，且煙氣成分復雜，很難直接使用現有的商業催化劑。因此，開發新型低溫脫硝催化劑，適應于高硫、高水分及一些特殊化學污染物環境，成為當務之急。

在他看來，國外低溫催化劑研究已經取得了一些成果，如殼牌公司（SHELL）開發的低溫D e N Ox系統（SDS），它包括一種專有的V/T i顆粒狀催化劑和一個低壓降的側流反應器（LFR），是典型的商業應用級S D S，操作溫度在120℃～350℃；奧地利Ceram公司開發的低溫脫硝催化劑采用的也是V-Ti體系，其中V含量在0%～3%之間，催化劑的活性溫度在150℃～550℃之間。然而，由于國外對低溫催化劑的應用方向主要是在無硫和煙氣量相對較小的鍋爐、窯爐、燃氣輪機、硝酸廠和垃圾焚燒廠等，應用環境相對比較局限。

通過十多年的研發工作，禚玉群帶領研究團隊，開發了堿式鐵基硫酸鹽為主的新型選擇性催化還原（SCR）脫硝催化劑，并通過示范工程項目驗證了此催化劑的脫硝效果，積累了大量的研究經驗和實際運行數據。

在北京市“清煤降氮”行動中，他帶領清華大學研究團隊聯合北京華源熱力管網有限公司，積極研究N Ox排放低于5m g/m3凈排放技術路線和關鍵技術，研發了適應于燃氣鍋爐寬煙溫變化范圍（180℃～550℃）的中低溫長周期高效無毒催化劑，創新性地提出了“低氮燃燒-煙氣再循環-尿素直噴熱解-S C R聯合一體化”脫硝技術，解決了燃氣鍋爐煙溫變化幅度較寬、廢棄催化劑容易二次污染、鍋爐煙道催化劑布置空間有限、NOx排放對鍋爐負荷快速波動不易跟蹤、氨逃逸控制難度大等技術問題。

早在2016—2017年，這一研究成果就在北京華源熱力管網有限公司所屬熱源廠示范項目應用，實現了鍋爐全負荷狀態下氮氧化物排放≤5mg/m3技術效果。

“煤改氣”后，燃氣鍋爐的低氮改造一直是北京市關注的環保重點工程，著重研究燃燒器優化、煙氣再循環（F G R）和S C R技術聯合應用，實現中小型燃氣鍋爐超低氮排放。經過禚玉群團隊的研究開發，改造后的燃氣鍋爐NOx排放完美達到了北京市地方標準的要求，僅采用煙氣末端處理，最佳氮氧化物排放可達到9mg/m3。

在山東濰柴動力股份有限公司二號工廠試車尾氣處理項目中，針對濰柴動力2號廠試車車間發動機試車平臺在試車過程中產生的發動機煙氣進行脫硫脫硝處理，采用禚玉群團隊研制的中低溫高效抗油催化劑后，催化劑針對油污及雜質有著很好的抵抗性能，且針對發動機變負荷試車過程中尾氣排放溫度的變化有著很好的適應性，可全過程保持高氮氧化物脫除率。

據禚玉群介紹，目前這一項目已經于2019年4月完工，調試后氮氧化物排放值可穩定在80mg/m3，二氧化硫排放可穩定在30mg/m3，完全符合環保標準的要求。

重金屬“環保戰”攻克單質汞氧化技術

盡管我國的能源結構已開始逐步調整，但目前仍以煤炭為主，煤炭的生產量和消費量常年保持世界第一，而現有研究表明，在2010年時，我國因燃煤發電每年排放汞、砷、硒分別為118.54噸、335.45噸和459.4噸，煤炭燃燒已成為這些高揮發性有害痕量元素最重要的排放源。

而為滿足國民經濟快速增長的需要，自2010年以來，我國每年的煤炭消費量始終保持在30億噸以上，相應地，因燃煤排放的汞、砷、硒等高揮發性有害痕量元素所造成的環境問題日益突出，亟待得到充分的認識和有效的控制。

如何將煙氣中的汞等金屬元素捕捉下來，是我國電力企業及其他工業面臨的重要問題。

禚玉群說，目前，脫汞技術主要使用燃燒中添加含鹵素的氧化劑、安裝帶催化氧化功能的脫硝催化劑和吸附劑吸附等方法。而國內外公認的一個重要研究方向是使用帶汞氧化功能的脫硝脫汞一體式催化劑，國內電力行業已開始嘗試使用此類脫硝脫汞聯合催化劑，在有效脫除煙氣中氮氧化物的同時，催化劑不但能抑制S O2的氧化，還能夠有選擇性地促進煙氣中的單質汞氧化，最大程度脫除煙氣中的汞，實現聯合脫硝脫汞的最佳結果。如今，這一方向的研究仍處于實驗室階段，還有很大的發展空間。

“開發多功能低溫脫硝催化劑，進一步明確溫度、煙氣量等工程條件對污染物排放控制的影響規律，并進一步將該技術推廣應用，是我們現在的重點研究方向。”作為國家的重點研發計劃，禚玉群提出了“單質汞催化氧化技術及工程應用研究”，這一課題在國內有著重要的現實意義。

在他看來，國內的研究機構在單質汞多途徑氧化方面同樣開展了大量的研究工作。在催化劑方面，中國科學院等研究機構在實驗室尺度研究了SCR催化劑對于單質汞的催化氧化作用；上海交通大學研發了RuO2改性SCR催化劑，在實驗中取得了很好的效果。同時，國內的機構也開發了一些新型催化劑，如清華大學發現了CuOx/Al2O3、CuCl2/Al2O3催化劑，華中科技大學發現了CeO2/TiO2催化劑，浙江大學發現了Co/TiO2催化劑，湖南大學發現了C e O2/A l2O3催化劑，不僅具備良好的催化效果，有的催化劑甚至可以實現中低溫下（100℃～200℃）單質汞、氮氧化物、二氧化硫的聯合脫除，具備很好的應用潛力。而在催化機理方面，華中科技大學等機構通過動力學模型以及量子化學模型，研究了MnO2、Pd、CeO2等SCR催化劑的催化氧化單質汞的化學機理和動力學機理。

禚玉群認為，盡管國內在單質汞氧化方面的研究進展與國外先進水平基本保持一致，但與國外相比，由于我國燃煤電廠正在逐步進行超低排放改造，因此在氧化技術的選擇及應用研究方面，存在其特殊性，如今仍有幾個問題亟待解決，比如缺乏針對不同煤種、不同環保設施的氧化技術適應性及應用優化研究，缺乏氧化汞在濕法脫硫系統中再釋放抑制技術研究，缺乏經濟普適高效的SCR催化劑催化氧化單質汞改性技術，以及缺乏氧化脫汞技術及裝備的系統性工業應用。

為此，他在研究中提出，要掌握超低排放燃煤電廠的協同脫汞現狀，掌握鹵素添加劑、氧化催化劑對單質汞的多途徑氧化機制，開發適用于燃煤電廠的單質汞氧化催化劑，掌握了氧化汞在濕法脫硫過程中的再釋放機理及抑制措施，形成基于氧化劑、催化氧化的單質汞高效氧化技術，開發相關裝備并進行工程應用研究，實現了預期的汞氧化效率和脫除效率。

在針對汞高效氧化的催化劑開發及改性技術研究上，他們將在實驗室條件下，研究過渡金屬氧化物催化劑對汞的催化氧化機理，通過催化劑改性以提高對汞的催化氧化能力；研究煙氣參數及成分對汞催化氧化效果的影響規律，以及改性對催化劑脫硝性能的影響；形成復合型催化劑體系。

而在基于催化劑的單質汞高效氧化脫除技術應用研究中，他則提出要基于催化劑的單質汞高效氧化技術，研究催化劑的適應性，開發催化劑的制備工藝，形成現場應用方案，研究催化劑的失活原因，以及催化劑的長期穩定性，并研發相關再生技術工藝。

啃“硬骨頭”難在跟企業打交道

“自強不息，厚德載物”，不僅是清華的校訓，也是禚玉群執教和科研中遵循的金科玉律。他認為，在人才的培養中，最重要的是培養學生有自己的科研構想。

2014年7月14日，圍繞煤炭的清潔高效低碳安全利用，促進科技研發與經濟發展的深度融合，在山西省政府和清華大學的支持下，清華大學在山西建設了清潔能源研究院，禚玉群擔任研究院的科研副院長。

作為一個“科研主導型”派出研究院，清華大學山西清潔能源研究院以煤炭綠色高效清潔利用為重點研發領域基礎，同時涵蓋清潔能源、煤基低碳及大數據、高端裝備制造、新能源、新材料、節能環保、生物醫藥、新一代信息技術、新能源汽車、現代煤化工等戰略性新興產業、科技成果轉化、科技企業孵化及引進和檢測認證服務等業務領域。如今，清潔能源研究已成為國內重要的煤基關鍵技術研發平臺。

在禚玉群看來，根據現有市場需求，低溫脫硝催化劑每年需求量約為幾十萬立方米，隨著各行各業對環保要求的不斷提高，新型多功能催化劑技術的產業化應用，對山西省乃至全國帶來的環境效益和經濟效益不可估量。

“山西省正加快鋼鐵、焦化、水泥、玻璃等企業大氣治理設施升級改造，相關行業的治理難點主要在于溫度窗口低、含水量高、化學成分復雜，對脫硝行業的技術提出了更高要求。”

禚玉群認為，他們的研究成果重點針對低溫條件下脫硝催化劑的抗硫、抗水、抗化學污染物聯合脫汞等特性進行研究，最終可以實現新型多功能脫硝催化劑技術的產業化。

從二氧化硫、氮氧化物和汞等污染物排放和控制方面的基礎研究及應用技術開發，到從事新能源利用等方面的科研工作，禚玉群帶領團隊在多種污染物聯合脫除和重金屬污染物排放控制方面取得了多項研究成果，不僅承擔國家原“863”課題、國家自然科學基金項目，還有諸多國際合作項目，已在環保領域發表SCI論文就達70多篇。

回國16年來，對于已經有著豐碩科研成果的禚玉群來說，更難的是在許多科研工作中需要與企業打交道。

由于環保科技的特殊性，企業往往缺乏積極性和動力。多個項目中，曾有談妥的企業撂挑子不干，導致項目中止。他舉例說，在一個多種污染物的脫硫脫硝的項目中，共同承擔課題的企業干了1年之后卻變卦不做了，連負責人也跑了。課題必須臨時尋找新的示范點，所有的東西都要重來，前期的設計全作廢。“最后我們這個課題費了半天勁，也沒有通過驗收，這讓我們很受打擊。”禚玉群說，很多時候，作為科研帶頭人，他明明知道什么樣才更合理，但企業卻有自己的考慮。“事實上，對于環保，企業通常是不太情愿的，而對節能，企業卻是十分有動力，能省下真金白銀。環保需要企業投入不產生直接經濟效益的巨大投資，因此企業往往追求的只是達到最低標準。”

禚玉群認為，國內的環保研究已經到了一定的高度和層次，如果要繼續從事這個領域的研究，就勢必面臨著很多挑戰，要面對很多不熟悉的行業，往往需要啃“硬骨頭”。然而，技術的發展是勢不可擋的，還祖國一片藍天是這一代人的義務也是使命。雖遭遇過幾多坎坷，但禚玉群相信這是一項光明的事業，懷著這個信念，他也始終樂觀地看待未來，并篤行于腳下之路。