原創(chuàng) 郭媛媛 于寶源 環(huán)境保護
收錄于合集#院士說12個
近日，中國工程院院士、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任賀泓接受《環(huán)境保護》雜志記者專訪
賀泓，2017年當選為中國工程院院士，我國大氣污染防治（環(huán)境催化）專家。1994年畢業(yè)于日本東京大學，獲理學博士學位�，F(xiàn)任中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任，區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心首席科學家。主要研究方向為環(huán)境催化與非均相大氣化學過程，目前重點致力于環(huán)境催化體系設計、技術研發(fā)及其在大氣污染物催化凈化方面的應用，取得了柴油車排放污染控制、室內(nèi)空氣凈化、大氣灰霾成因及控制方面的系列成果。發(fā)表《環(huán)境催化—原理及應用》中文專著一部，英文專著兩章節(jié)，學術論文520余篇。獲授權中國和國際發(fā)明專利60余項。2011年獲國家技術發(fā)明獎二等獎；2014年獲國家科學技術進步獎二等獎；2017年獲何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎；2019年獲國家自然科學獎二等獎；2020年獲全國創(chuàng)新爭先獎狀。
中共中央、國務院印發(fā)的《關于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》（以下簡稱《意見》）指出，要深入打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，并就著力打好重污染天氣消除攻堅戰(zhàn)、著力打好臭氧污染防治攻堅戰(zhàn)、持續(xù)打好柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)等工作提出具體要求。那么，在碳達峰、碳中和的背景下，深入打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)將面臨怎樣的挑戰(zhàn)？最亟待解決的問題是什么？應對措施有哪些？未來的科研創(chuàng)新應該朝什么方向發(fā)展？2022年8月17日，《環(huán)境保護》雜志記者專訪了中國工程院院士、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任賀泓，請他就上述問題與讀者分享他的思考與見解。PM2.5和O3協(xié)同控制的任務將更加艱巨《環(huán)境保護》：《意見》提出要深入打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，您認為此項工作將面臨怎樣的挑戰(zhàn)？對于應對措施又有哪些建議呢？ 賀泓：近年來，我國空氣質(zhì)量顯著改善，但是還有一些城市的大氣細顆粒物（PM2.5）濃度尚未達到國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標準35μg/m3，更遠高于一級標準15μg/m3和世界衛(wèi)生組織（WHO）的指導值5μg/m3。秋冬季重污染天氣仍時有發(fā)生。2013—2019年，我國74個重點城市PM2.5和二氧化硫（SO2）濃度分別下降了47%和75%，而二氧化氮（NO2）濃度僅下降了23%。氮氧化物（NOx）控制效果不理想，成為PM2.5污染進一步改善的重要限制因素。一方面，NOx在大氣中轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，已成為很多城市PM2.5中濃度最高的單一組分。另一方面，城市高濃度NOx還是提高大氣非均相反應氧化能力的重要因素，是PM2.5爆發(fā)式增長的重要驅(qū)動力。
回顧大氣污染防治中PM2.5大幅下降的過程，不難發(fā)現(xiàn)，我國對燃煤產(chǎn)生的SO2排放進行了有效控制，使其大幅削減，從而帶動了PM2.5的快速下降。雖然煤炭、石油、天然氣燃燒過程導致的NOx排放也在下降，但是其下降幅度遠遠趕不上SO2的下降幅度。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？一方面，因為濕法脫硫是更早推廣的技術，而選擇性催化還原（SCR）脫硝技術是后來才應用的，兩種技術的推廣應用有一個時間差，因此NOx減排效果還沒有完全顯現(xiàn)出來。另一方面，NOx的來源除了化石燃料等固定源之外，還有移動源，其污染控制技術和濕法脫硫相比復雜性更高。NOx的控制效果正在顯現(xiàn)過程中，今后仍具有很大減排潛力。與此同時，機動車NOx排放控制取得了長足進步。例如，汽油車采用三效催化技術實現(xiàn)尾氣中NOx、碳氫化合物和一氧化碳的同時凈化，柴油車采用尿素選擇性催化還原氮氧化物（尿素-SCR）技術實現(xiàn)NOx高效凈化。NOx主要來自固定燃燒源和移動源內(nèi)燃機排放，因此NOx減排與碳達峰、碳減排目標高度一致。根據(jù)對中國環(huán)境監(jiān)測總站全國空氣質(zhì)量大數(shù)據(jù)的分析，在SO2大幅減排之后，現(xiàn)階段我國PM2.5對NO2的敏感性遠高于SO2。也就是說，削減單位濃度NO2帶來的PM2.5下降的量遠大于削減單位濃度SO2帶來的PM2.5下降的量。另外，在大氣化學過程中，NOx對大氣氧化性以及臭氧（O3）的形成還起到了一個非常核心的作用。NOx是PM2.5和O3的共同前體物，是治理二者的決定性因素之一。夏季O3污染凸顯，O3成為PM2.5之外的主要大氣污染物。O3是在光化學循環(huán)過程中產(chǎn)生的，其前體物主要包括NOx和揮發(fā)性有機物（VOCs）。O3的質(zhì)量并不直接來自前體物，其前體物就像是催化劑一樣，不需要很多，只要光照足夠強，就能夠通過循環(huán)反應活化空氣中的氧氣產(chǎn)生O3。所以，O3污染控制的任務會比PM2.5更加艱巨。原因就在于只有把它的兩個關鍵前體物濃度控制得非常低，才有可能抑制O3污染。VOCs的來源非常廣泛，其控制技術雖然有很多，但是還沒有像SCR這樣特別成熟并可以普遍推廣應用的技術。所以與NOx控制相比，VOCs的控制效果有更多的不確定性，目前還沒有得到有效的控制。另外，還有很多VOCs都是自然源排放，暫時沒有找到有效的控制方法。在這種情況下，我們研究團隊提出以NOx深度減排為抓手，推動PM2.5和O3協(xié)同的解決方案。該方案是基于現(xiàn)有研究成果和科學認知的基礎上提出的比較現(xiàn)實的一種大氣污染協(xié)同防治手段。NOx深度減排是深入打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的關鍵一環(huán)《環(huán)境保護》：近年來，全國環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善，其中科技力量發(fā)揮了怎樣的支撐作用？在實現(xiàn)碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）的背景下，大氣污染防治工作將有怎樣的變化？賀泓：近年來，我國大氣污染防治取得很大成效，藍天數(shù)量明顯增多。這是大家有目共睹的。在這個過程中，科技發(fā)揮了重要的支撐作用。比如，從硬件來說，監(jiān)測技術和設備有了長足發(fā)展。以前，我國很多監(jiān)測設備依靠進口，現(xiàn)在監(jiān)測設備國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升，同時監(jiān)測手段也更加有力，準確性大大提高。從軟件來說，污染的成因機理、溯源分析以及清單技術都取得了很大進展。在這個基礎上，我國的重點大氣污染源控制技術也有了非常大的進步，并且在污染防治方面發(fā)揮了重要作用。比如，煤電行業(yè)已經(jīng)普及除塵、脫硫、脫硝技術，煙氣實現(xiàn)超低排放。目前，這些科研成果逐漸從燃煤電廠的鍋爐煙氣凈化輻射推廣到非電行業(yè)。但是氨選擇性催化還原氮氧化物（NH3-SCR）技術在非電行業(yè)（鋼鐵、有色、水泥、玻璃、陶瓷等）煙氣凈化應用中存在低溫催化活性不足、低溫硫中毒等瓶頸問題，亟須研發(fā)新型低溫SCR技術和其他適應性技術。在機動車方面，我國從2000年開始對機動車尾氣排放進行控制，由國一標準發(fā)展到國六標準，在每一次的標準提升過程中，機動車尾氣污染排放都有大幅下降。從國一標準到國三標準，污染排放控制主要是通過燃燒優(yōu)化和機內(nèi)凈化技術實現(xiàn)，包括廢氣再循環(huán)等技術。從國四標準到國六標準，還需要加上尿素-SCR等后處理技術�？梢哉f，每一次標準提升的背后都是控制技術的巨大進步，否則大氣污染防治的效果很難達到現(xiàn)在的水平。隨著“雙碳”目標的提出，我國大氣污染防治工作進入一個新的階段。如果說之前對污染物排放的控制，主要實施以末端治理為主的手段，也就是污染物排放以后再去治理和凈化。那么，在新的階段，將從源頭、從根本上解決大氣污染問題。大氣污染問題與化石能源的利用密切相關。比如，二氧化硫、氮氧化物的排放大部分來自化石能源燃燒過程。實際上，實現(xiàn)“雙碳”目標對大氣污染防治來說是一個根本之策，是一個釜底抽薪的做法，是要從根本上解決大氣污染問題。習近平總書記指出：“實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革。”實現(xiàn)“雙碳”目標的過程，其實就是倒逼我國社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的過程。粗放式的、以追求GDP高速增長為目標的發(fā)展方式已經(jīng)成為過去時，而人與自然和諧共生的發(fā)展理念與發(fā)展路線將會愈發(fā)深入人心。實際上，NOx與碳排放密切相關，NOx與CO2同根同源，削減碳排放必然會從源頭上同步削減NOx的排放。近期，WHO更新了全球空氣質(zhì)量指導值，大幅降低了NO2濃度的指導值，由40μg/m3降為10μg/m3，下調(diào)幅度為75%，NO2是下調(diào)幅度最大的一種污染物。這充分表明無論是從空氣質(zhì)量改善還是從人體健康防護的角度出發(fā)，深度減排NOx已成為國際共識，也是一種國際趨勢。NO2濃度指導值的調(diào)整與PM2.5和O3協(xié)同控制不謀而合，和“雙碳”目標也完全一致，所以說NOx的深度減排是PM2.5和O3協(xié)同控制的重要抓手，也是深入打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的關鍵一環(huán)。《環(huán)境保護》：目前，我國固定源污染治理技術與裝備處在怎樣的水平？未來的科研創(chuàng)新方向是什么？或者您對此有哪些展望，可否具體描述？賀泓：我國歷來都非常重視燃煤電廠等固定源大氣污染治理技術與裝備的開發(fā)和應用。尤其是“十二五”“十三五”以來，我國不斷加強電力、鋼鐵、有色、建材、石化、化工等重點行業(yè)固定源大氣污染高效治理技術研究，取得了顯著進展。我國研發(fā)了燃煤電廠超低排放技術，實現(xiàn)了燃煤煙氣顆粒物、SO2、NOx等主要污染物的排放濃度低于國家規(guī)定的天然氣發(fā)電廠排放濃度限值要求，并得到規(guī)�；こ虘茫苿雍椭瘟宋覈济弘姀S超低排放戰(zhàn)略實施。同時，我國非電工業(yè)行業(yè)大氣污染治理技術創(chuàng)新也取得了很大發(fā)展，研發(fā)了燃煤工業(yè)鍋爐煙氣多污染物超低排放、鋼鐵行業(yè)多工序多污染物超低排放、有色和建材行業(yè)大氣多污染物全過程高效控制耦合等一批關鍵技術。截至2021年年底，我國約10.3億kW煤電機組實現(xiàn)超低排放（約占全國煤電總裝機容量的93.0%），建成世界最大規(guī)模的清潔煤電供應體系；同時，全國約1.45億t粗鋼產(chǎn)能完成全流程超低排放改造，約5.36億t粗鋼產(chǎn)能正在實施超低排放改造，已完成和正在實施改造的鋼鐵產(chǎn)能占全國粗鋼產(chǎn)能的65%左右�？梢哉f，固定源大氣污染高效治理技術與裝備的產(chǎn)業(yè)化推廣應用，為我國打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)提供了重要支撐。但也要看到，我國三氧化硫、VOCs等非常規(guī)污染物的治理起步相對較晚，總體技術水平與國際先進水平仍有一定差距，尚難以滿足我國環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善的需求。在“雙碳”背景下，固定源大氣污染治理技術的發(fā)展趨勢是更加清潔、更加低碳、更加智能。而重點行業(yè)固定源常規(guī)污染物和非常規(guī)污染物全流程高效協(xié)同治理、氨等次生污染物高效治理、煙氣污染物和溫室氣體協(xié)同減排、煙氣治理過程智能調(diào)控、二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）、非二氧化碳溫室氣體減排與替代等技術和裝備的研發(fā)需求日益凸顯。未來固定源大氣污染治理技術與裝備的發(fā)展目標是高水平實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效，助力美麗中國建設和“雙碳”目標實現(xiàn)。柴油機綜合熱效率有望達到60%，主要污染物近零排放《環(huán)境保護》：請您詳細介紹柴油車排放污染控制方面的科研成果、應用實踐及未來的發(fā)展趨勢？賀泓：柴油車尾氣凈化經(jīng)歷了從國一標準到國六標準的六個階段。從國一標準到國三標準階段，柴油車尾氣凈化基本依靠機內(nèi)凈化，即通過優(yōu)化發(fā)動機的燃燒來調(diào)整。柴油車排放NOx和顆粒物兩大污染物。NOx和顆粒物濃度可以通過調(diào)控發(fā)動機的燃燒同步下降；還可以通過對發(fā)動機燃燒的調(diào)整，讓其中的一個下降，而另一個上升。在國一標準、國二標準實施階段，柴油車通過機內(nèi)調(diào)整讓NOx和顆粒物兩種污染物排放量同步下降就能達標。在國三標準實施階段，柴油車需要將一部分尾氣送回到發(fā)動機中再進行燃燒，以便減少NOx排放。但這項技術是有代價的，即廢氣再循環(huán)會帶來燃燒效率的下降，也就是說會消耗更多的燃油，也導致更多的CO2排放。在國四標準實施階段，柴油車尾氣凈化需要使用排放后處理技術。排放后處理技術主要有SCR和顆粒過濾器（DPF）兩條技術路線。采用DPF技術路線會造成CO2排放的增加。我們團隊作為柴油車尾氣凈化研究方面的“國家隊”，從國四標準出臺開始就提出采用SCR技術路線，避免排放更多的CO2。采取這一技術路線后，一方面發(fā)動機燃油燃燒的效率提高了，另一方面NOx排放量下降了，實現(xiàn)減污降碳雙贏。國五標準實施階段延續(xù)了國四標準的技術路線。到了國六標準實施階段，柴油車尾氣中NOx和顆粒物排放量都要求大幅度下降，排放后處理系統(tǒng)只加一個裝置已不能滿足排放要求。在這一階段，需同時安裝SCR和DPF兩個系統(tǒng)，同時還要配合廢氣再循環(huán)技術。進一步，我們還提出了一個高效SCR的技術路線，就是省掉廢氣再循環(huán)環(huán)節(jié)，使用高效SCR和DPF系統(tǒng)，進一步降低CO2的排放，同時使NOx和顆粒物的排放量都大幅下降，實現(xiàn)更高效率的減污降碳。從國一標準到國六標準，機動車污染物排放量前后經(jīng)過五次大幅度下降之后，已經(jīng)達到一個非常低的程度，幾乎做到了近零排放。在這種情況下，繼續(xù)讓CO2排放量大幅度下降應該怎么辦呢？我們團隊結(jié)合我國國情、自身研究積累和國際先進經(jīng)驗提出雙SCR后處理系統(tǒng)的設計思路，就是將一個SCR系統(tǒng)前置與發(fā)動機進行緊密耦合實現(xiàn)對NOx的凈化，再后置一個SCR系統(tǒng)以實現(xiàn)更高的NOx凈化效率。雙SCR后處理系統(tǒng)能夠支持發(fā)動機內(nèi)實現(xiàn)最佳的燃燒狀態(tài)，進一步提高熱效率。當前，我國商用柴油發(fā)動機熱效率最高水平已達50%，走在了世界的前列，下一步的目標則是達到60%的熱效率，這需要混合動力汽車熱管理系統(tǒng)等相關技術相互配合與支撐。未來的國七標準，雖然相關的政策和標準還沒有正式出臺，但是目標方向已經(jīng)有了，就是要在推動CO2減排的同時，讓污染物達到近零排放。《環(huán)境保護》：如您所言，以NOx深度減排為抓手，推動PM2.5和O3協(xié)同控制是促進全國環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善的一項有力措施。那么，在制定NOx深度減排相關政策方面您有怎樣的想法和建議？賀泓：首先，加快非電行業(yè)高效NOx排放控制技術研發(fā)。一是進一步發(fā)展高效、穩(wěn)定的中低溫SCR技術，突破選擇性非催化還原法（SNCR）-SCR、SNCR-氧化脫硝等耦合脫硝技術，實現(xiàn)低成本高效脫硝，并推動其規(guī)�；こ虘茫瑸榉请娦袠I(yè)NOx超低排放提供技術支撐。二是研發(fā)契合窯爐溫度分布特性的嵌入式脫硝技術，降低煤、氣、電等能源輸入，從而實現(xiàn)NOx深度凈化與CO2減排的協(xié)同。三是針對鋼鐵、有色等長流程、多工序行業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，研發(fā)短流程清潔冶煉、爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術，通過全流程全局優(yōu)化，實現(xiàn)氮—碳協(xié)同減排。其次，制定重點行業(yè)超低排放限值，加強評估和監(jiān)管。一是針對不同非電行業(yè)煙氣排放特征，加快制定建材、有色等行業(yè)超低排放限值及NOx排放源的最佳控制技術指南。二是對鋼鐵行業(yè)全面實施超低排放后的現(xiàn)狀進行綜合評價，明晰不同NOx超低排放技術路線在鋼鐵行業(yè)應用的技術經(jīng)濟性，總結(jié)經(jīng)驗和不足，為提出和完善適合不同非電行業(yè)NOx超低排放控制的技術路線和方案提供借鑒。三是結(jié)合我國經(jīng)濟發(fā)展和能源消耗趨勢，對我國未來NOx排放進行總量及行業(yè)分布預測，科學評估我國各行業(yè)NOx減排潛力及環(huán)境效應。最后，推進柴油車清潔化關鍵技術研發(fā)，加強車油路聯(lián)合管控。一是加快發(fā)動機及后處理控制系統(tǒng)、高壓共軌燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和后處理催化劑等瓶頸技術研發(fā)，實現(xiàn)柴油車清潔化核心技術的全鏈條自主可控。二是盡快啟動我國柴油車、非道路柴油機、船舶下一階段排放標準制定，推動技術升級，進一步降低柴油機污染物排放；同時制定實施更嚴格的清潔油品、添加劑和潤滑油標準，確保清潔柴油車的高效穩(wěn)定運行。三是加強柴油車排放遠程在線診斷、遙感和便攜監(jiān)測技術的研發(fā)，建立數(shù)字化、智能化移動源監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程排放監(jiān)控—執(zhí)法—維修的閉環(huán)管控。從長遠來看，應大力發(fā)展基于綠氫的碳中和燃料合成、利用柴油機替代技術，實現(xiàn)CO2和大氣污染物的協(xié)同減排。柴油發(fā)動機由于油耗低和具備優(yōu)良的動力性能，在相當長的時間內(nèi)仍將是公路和水路交通運輸?shù)闹饕獎恿碓础Ｍㄟ^廣泛調(diào)研綜合各方意見，我們提出未來我國公路、水路交通運輸實現(xiàn)碳中和應該分三步走。一是柴油機的短期目標：進一步提升熱效率，使用機內(nèi)和機外技術同時降低CO2和污染物的排放，實現(xiàn)主要污染物（NOx和PM2.5）的近零排放；二是中長期目標：開發(fā)碳中和燃料綠色合成及應用技術，實現(xiàn)動力內(nèi)燃機傳統(tǒng)化石燃料部分乃至完全替代；三是中遠期目標：實現(xiàn)新動力源對內(nèi)燃機的演替（如氫燃料電池、電動貨車、電動輪船）。
文/本刊記者 郭媛媛 于寶源
