院士介绍

　　中共中央、国务院印发的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》（以下简称《意见》）指出，要深入打好蓝天保卫战，并就着力打好重污染天气消除攻坚战、着力打好臭氧污染防治攻坚战、持续打好柴油货车污染治理攻坚战等工作提出具体要求。那么，在碳达峰、碳中和的背景下，深入打好蓝天保卫战将面临怎样的挑战？最亟待解决的问题是什么？应对措施有哪些？未来的科研创新应该朝什么方向发展？2022年8月17日，《环境保护》杂志记者专访了中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心副主任贺泓，请他就上述问题与读者分享他的思考与见解。

　　PM2.5和O3协同控制的任务将更加艰巨

　　《环境保护》：《意见》提出要深入打好蓝天保卫战，您认为此项工作将面临怎样的挑战？对于应对措施又有哪些建议呢？

　　?贺泓：近年来，我国空气质量显著改善，但是还有一些城市的大气细颗粒物（PM2.5）浓度尚未达到国家环境空气质量二级标准35μg/m3，更远高于一级标准15μg/m3和世界卫生组织（WHO）的指导值5μg/m3。秋冬季重污染天气仍时有发生。2013—2019年，我国74个重点城市PM2.5和二氧化硫（SO2）浓度分别下降了47%和75%，而二氧化氮（NO2）浓度仅下降了23%。氮氧化物（NOx）控制效果不理想，成为PM2.5污染进一步改善的重要限制因素。一方面，NOx在大气中转化为硝酸盐，已成为很多城市PM2.5中浓度最高的单一组分。另一方面，城市高浓度NOx还是提高大气非均相反应氧化能力的重要因素，是PM2.5爆发式增长的重要驱动力。

　　回顾大气污染防治中PM2.5大幅下降的过程，不难发现，我国对燃煤产生的SO2排放进行了有效控制，使其大幅削减，从而带动了PM2.5的快速下降。虽然煤炭、石油、天然气燃烧过程导致的NOx排放也在下降，但是其下降幅度远远赶不上SO2的下降幅度。为什么会出现这种情况呢？一方面，因为湿法脱硫是更早推广的技术，而选择性催化还原（SCR）脱硝技术是后来才应用的，两种技术的推广应用有一个时间差，因此NOx减排效果还没有完全显现出来。另一方面，NOx的来源除了化石燃料等固定源之外，还有移动源，其污染控制技术和湿法脱硫相比复杂性更高。NOx的控制效果正在显现过程中，今后仍具有很大减排潜力。与此同时，机动车NOx排放控制取得了长足进步。例如，汽油车采用三效催化技术实现尾气中NOx、碳氢化合物和一氧化碳的同时净化，柴油车采用尿素选择性催化还原氮氧化物（尿素-SCR）技术实现NOx高效净化。NOx主要来自固定燃烧源和移动源内燃机排放，因此NOx减排与碳达峰、碳减排目标高度一致。

　　根据对中国环境监测总站全国空气质量大数据的分析，在SO2大幅减排之后，现阶段我国PM2.5对NO2的敏感性远高于SO2。也就是说，削减单位浓度NO2带来的PM2.5下降的量远大于削减单位浓度SO2带来的PM2.5下降的量。另外，在大气化学过程中，NOx对大气氧化性以及臭氧（O3）的形成还起到了一个非常核心的作用。NOx是PM2.5和O3的共同前体物，是治理二者的决定性因素之一。

　　夏季O3污染凸显，O3成为PM2.5之外的主要大气污染物。O3是在光化学循环过程中产生的，其前体物主要包括NOx和挥发性有机物（VOCs）。O3的质量并不直接来自前体物，其前体物就像是催化剂一样，不需要很多，只要光照足够强，就能够通过循环反应活化空气中的氧气产生O3。所以，O3污染控制的任务会比PM2.5更加艰巨。原因就在于只有把它的两个关键前体物浓度控制得非常低，才有可能抑制O3污染。VOCs的来源非常广泛，其控制技术虽然有很多，但是还没有像SCR这样特别成熟并可以普遍推广应用的技术。所以与NOx控制相比，VOCs的控制效果有更多的不确定性，目前还没有得到有效的控制。另外，还有很多VOCs都是自然源排放，没有找到有效的控制方法。在这种情况下，我们研究团队提出以NOx深度减排为抓手，推动PM2.5和O3协同的解决方案。该方案是基于现有研究成果和科学认知的基础上提出的比较现实的一种大气污染协同防治手段。

　　NOx深度减排是深入打好蓝天保卫战的关键一环

　　《环境保护》：近年来，全国环境空气质量持续改善，其中科技力量发挥了怎样的支撑作用？在实现碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）的背景下，大气污染防治工作将有怎样的变化？

　　?贺泓：近年来，我国大气污染防治取得很大成效，蓝天数量明显增多。这是大家有目共睹的。在这个过程中，科技发挥了重要的支撑作用。比如，从硬件来说，监测技术和设备有了长足发展。以前，我国很多监测设备依靠进口，现在监测设备国产化率稳步提升，同时监测手段也更加有力，准确性大大提高。从软件来说，污染的成因机理、溯源分析以及清单技术都取得了很大进展。在这个基础上，我国的重点大气污染源控制技术也有了非常大的进步，并且在污染防治方面发挥了重要作用。比如，煤电行业已经普及除尘、脱硫、脱硝技术，烟气实现超低排放。目前，这些科研成果逐渐从燃煤电厂的锅炉烟气净化辐射推广到非电行业。但是氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）技术在非电行业（钢铁、有色、水泥、玻璃、陶瓷等）烟气净化应用中存在低温催化活性不足、低温硫中毒等瓶颈问题，亟须研发新型低温SCR技术和其他适应性技术。在机动车方面，我国从2000年开始对机动车尾气排放进行控制，由国一标准发展到国六标准，在每一次的标准提升过程中，机动车尾气污染排放都有大幅下降。从国一标准到国三标准，污染排放控制主要是通过燃烧优化和机内净化技术实现，包括废气再循环等技术。从国四标准到国六标准，还需要加上尿素-SCR等后处理技术。可以说，每一次标准提升的背后都是控制技术的巨大进步，否则大气污染防治的效果很难达到现在的水平。

　　随着“双碳”目标的提出，我国大气污染防治工作进入一个新的阶段。如果说之前对污染物排放的控制，主要实施以末端治理为主的手段，也就是污染物排放以后再去治理和净化。那么，在新的阶段，将从源头、从根本上解决大气污染问题。大气污染问题与化石能源的利用密切相关。比如，二氧化硫、氮氧化物的排放大部分来自化石能源燃烧过程。实际上，实现“双碳”目标对大气污染防治来说是一个根本之策，是一个釜底抽薪的做法，是要从根本上解决大气污染问题。习近平总书记指出：“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。”实现“双碳”目标的过程，其实就是倒逼我国社会经济高质量发展、可持续发展的过程。粗放式的、以追求GDP高速增长为目标的发展方式已经成为过去时，而人与自然和谐共生的发展理念与发展路线将会愈发深入人心。

　　实际上，NOx与碳排放密切相关，NOx与CO2同根同源，削减碳排放必然会从源头上同步削减NOx的排放。近期，WHO更新了全球空气质量指导值，大幅降低了NO2浓度的指导值，由40μg/m3降为10μg/m3，下调幅度为75%，NO2是下调幅度最大的一种污染物。这充分表明无论是从空气质量改善还是从人体健康防护的角度出发，深度减排NOx已成为国际共识，也是一种国际趋势。NO2浓度指导值的调整与PM2.5和O3协同控制不谋而合，和“双碳”目标也完全一致，所以说NOx的深度减排是PM2.5和O3协同控制的重要抓手，也是深入打好蓝天保卫战的关键一环。

　　燃煤烟气治理水平国际领先

　　《环境保护》：目前，我国固定源污染治理技术与装备处在怎样的水平？未来的科研创新方向是什么？或者是您对此有哪些展望，可否具体描述一下？

　　?贺泓：我国历来都非常重视燃煤电厂等固定源大气污染治理技术与装备的开发和应用。尤其是“十二五”“十三五”以来，我国不断加强电力、钢铁、有色、建材、石化、化工等重点行业固定源大气污染高效治理技术研究，取得了显著进展。

　　我国研发了燃煤电厂超低排放技术，实现了燃煤烟气颗粒物、SO2、NOx等主要污染物的排放浓度低于国家规定的天然气发电厂排放浓度限值要求，并得到规模化工程应用，推动和支撑了我国燃煤电厂超低排放战略实施。同时，我国非电工业行业大气污染治理技术创新也取得了很大发展，研发了燃煤工业锅炉烟气多污染物超低排放、钢铁行业多工序多污染物超低排放、有色和建材行业大气多污染物全过程高效控制耦合等一批关键技术。截至2021年年底，我国约10.3亿kW煤电机组实现超低排放（约占全国煤电总装机容量的93.0%），建成世界最大规模的清洁煤电供应体系；同时，全国约1.45亿t粗钢产能完成全流程超低排放改造，约5.36亿t粗钢产能正在实施超低排放改造，已完成和正在实施改造的钢铁产能占全国粗钢产能的65%左右。可以说，固定源大气污染高效治理技术与装备的产业化推广应用，为我国打赢蓝天保卫战提供了重要支撑。

　　但也要看到，我国三氧化硫、VOCs等非常规污染物的治理起步相对较晚，总体技术水平与国际先进水平仍有一定差距，尚难以满足我国环境空气质量持续改善的需求。在“双碳”背景下，固定源大气污染治理技术的发展趋势是更加清洁、更加低碳、更加智能。而重点行业固定源常规污染物和非常规污染物全流程高效协同治理、氨等次生污染物高效治理、烟气污染物和温室气体协同减排、烟气治理过程智能调控、二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）、非二氧化碳温室气体减排与替代等技术和装备的研发需求日益凸显。未来固定源大气污染治理技术与装备的发展目标是高水平实现减污降碳协同增效，助力美丽中国建设和“双碳”目标实现。

　　柴油机综合热效率有望达到60%，主要污染物近零排放

　　《环境保护》：请您详细介绍一下，柴油车排放污染控制方面的科研成果、应用实践及未来的发展趋势？

　　?贺泓：柴油车尾气净化经历了从国一标准到国六标准的六个阶段。从国一标准到国三标准阶段，柴油车尾气净化基本依靠机内净化，即通过优化发动机的燃烧来调整。柴油车排放NOx和颗粒物两大污染物。NOx和颗粒物浓度可以通过调控发动机的燃烧同步下降；还可以通过对发动机燃烧的调整，让其中的一个下降，而另一个上升。在国一标准、国二标准实施阶段，柴油车通过机内调整让NOx和颗粒物两种污染物排放量同步下降就能达标。在国三标准实施阶段，柴油车需要将一部分尾气送回到发动机中再进行燃烧，以便减少NOx排放。但这项技术是有代价的，即废气再循环会带来燃烧效率的下降，也就是说会消耗更多的燃油，也导致更多的CO2排放。

　　在国四标准实施阶段，柴油车尾气净化需要使用排放后处理技术。排放后处理技术主要有SCR和颗粒过滤器（DPF）两条技术路线。采用DPF技术路线会造成CO2排放的增加。我们团队作为柴油车尾气净化研究方面的“国家队”，从国四标准出台开始就提出采用SCR技术路线，避免排放更多的CO2。采取这一技术路线后，一方面发动机燃油燃烧的效率提高了，另一方面NOx排放量下降了，实现减污降碳双赢。国五标准实施阶段延续了国四标准的技术路线。到了国六标准实施阶段，柴油车尾气中NOx和颗粒物排放量都要求大幅度下降，排放后处理系统只加一个装置已不能满足排放要求。在这一阶段，需同时安装SCR和DPF两个系统，同时还要配合废气再循环技术。进一步，我们还提出了一个高效SCR的技术路线，就是省掉废气再循环环节，使用高效SCR和DPF系统，进一步降低CO2的排放，同时使NOx和颗粒物的排放量都大幅下降，实现更高效率的减污降碳。

　　从国一标准到国六标准，机动车污染物排放量前后经过五次大幅度下降之后，已经达到一个非常低的程度，几乎做到了近零排放。在这种情况下，继续让CO2排放量大幅度下降应该怎么办呢？我们团队结合我国国情、自身研究积累和国际先进经验提出双SCR后处理系统的设计思路，就是将一个SCR系统前置与发动机进行紧密耦合实现对NOx的净化，再后置一个SCR系统以实现更高的NOx净化效率。双SCR后处理系统能够支持发动机内实现最佳的燃烧状态，进一步提高热效率。当前，我国商用柴油发动机热效率最高水平已达50%，走在了世界的前列，下一步的目标则是达到60%的热效率，这需要混合动力汽车热管理系统等相关技术相互配合与支撑。未来的国七标准，虽然相关的政策和标准还没有正式出台，但是目标方向已经有了，就是要在推动CO2减排的同时，让污染物达到近零排放。

　　NOx深度净化与CO2减排协同推进

　　《环境保护》：如您所言，以NOx深度减排为抓手，推动PM2.5和O3协同控制是促进全国环境空气质量持续改善的一项有力措施。那么，在制定NOx深度减排相关政策方面您有怎样的想法和建议？

　　?贺泓：首先，加快非电行业高效NOx排放控制技术研发。一是进一步发展高效、稳定的中低温SCR技术，突破选择性非催化还原法（SNCR）-SCR、SNCR-氧化脱硝等耦合脱硝技术，实现低成本高效脱硝，并推动其规模化工程应用，为非电行业NOx超低排放提供技术支撑。二是研发契合窑炉温度分布特性的嵌入式脱硝技术，降低煤、气、电等能源输入，从而实现NOx深度净化与CO2减排的协同。三是针对钢铁、有色等长流程、多工序行业，优化产业结构，研发短流程清洁冶炼、炉料结构优化等技术，通过全流程全局优化，实现氮—碳协同减排。

　　其次，制定重点行业超低排放限值，加强评估和监管。一是针对不同非电行业烟气排放特征，加快制定建材、有色等行业超低排放限值及NOx排放源的最佳控制技术指南。二是对钢铁行业全面实施超低排放后的现状进行综合评价，明晰不同NOx超低排放技术路线在钢铁行业应用的技术经济性，总结经验和不足，为提出和完善适合不同非电行业NOx超低排放控制的技术路线和方案提供借鉴。三是结合我国经济发展和能源消耗趋势，对我国未来NOx排放进行总量及行业分布预测，科学评估我国各行业NOx减排潜力及环境效应。

　　最后，推进柴油车清洁化关键技术研发，加强车油路联合管控。一是加快发动机及后处理控制系统、高压共轨燃油系统、增压系统和后处理催化剂等瓶颈技术研发，实现柴油车清洁化核心技术的全链条自主可控。二是尽快启动我国柴油车、非道路柴油机、船舶下一阶段排放标准制定，推动技术升级，进一步降低柴油机污染物排放；同时制定实施更严格的清洁油品、添加剂和润滑油标准，确保清洁柴油车的高效稳定运行。三是加强柴油车排放远程在线诊断、遥感和便携监测技术的研发，建立数字化、智能化移动源监管系统，实现远程排放监控—执法—维修的闭环管控。

　　从长远来看，应大力发展基于绿氢的碳中和燃料合成、利用柴油机替代技术，实现CO2和大气污染物的协同减排。柴油发动机由于油耗低和具备优良的动力性能，在相当长的时间内仍将是公路和水路交通运输的主要动力来源。通过广泛调研综合各方意见，我们提出未来我国公路、水路交通运输实现碳中和应该分三步走。一是柴油机的短期目标：进一步提升热效率，使用机内和机外技术同时降低CO2和污染物的排放，实现主要污染物（NOx和PM2.5）的近零排放；二是中长期目标：开发碳中和燃料绿色合成及应用技术，实现动力内燃机传统化石燃料部分乃至完全替代；三是中远期目标：实现新动力源对内燃机的演替（如氢燃料电池、电动货车、电动轮船）。

文/本刊记者 郭媛媛 于宝源