通过直接光解从氢气烟道气中去除氮氧化物

为什么清理氢气尾气很重要

氢气常被宣传为清洁燃料，因为燃烧时不会释放二氧化碳。然而，即使是在普通空气中燃烧的氢焰也会产生氮氧化物——一类会刺激肺部、加剧烟雾并促成酸雨的气体。本研究考察了紫外线（人们熟悉于晒伤警示和杀菌灯）是否可以用于去除氢燃料锅炉尾气中的这些氮氧化物，从而使城市和工业用氢供热真正更清洁。

没有隐性副作用的氢供热

作为未来燃料，氢具有若干优势：能量密度高、尾气不含碳或硫，并且可以用可再生电力制得。用于建筑或工业加热时，直接在锅炉中燃烧氢气往往比采用燃料电池更便宜、更高效。问题在于，当氢在空气中燃烧时，非常高的火焰温度会使空气中通常稳定的氮与氧发生反应，生成氮氧化物（常称为“NOx”）。这些气体会损害健康和环境，因此大规模推广氢锅炉需要可靠的方法来从其烟道气中去除NOx。

为尾气清洁照亮一种新途径

现有的NOx控制技术，如催化转化器和尾气再循环，效果良好但会增加成本、复杂性和能耗。作者们探讨了另一种思路：将氢燃烧器的高温尾气直接暴露在强紫外光下，这一过程称为光解。紫外光子携带足够能量打破气体分子中的某些化学键。当氮氧化物吸收这些光子时，可裂解成更简单的碎片，如单原子的氮和氧，这些碎片随后进一步反应生成更无害的产物，如氮气、氧气或可被水或碱性溶液捕集的硝酸。研究团队特别关注高能的UVC波段，因为它在打断气体中强键方面最有效。

构建小型锅炉与紫外净化柱

为了在逼近实际的条件下检验该概念，研究者搭建了一个实验室系统，模拟在常压下运行的小型氢锅炉。氢气和氧气由电解槽共同产生，燃烧器因此获得了正确的气体配比而无需外部空气。随着氢—氧火焰在空气中燃烧，产生了含水蒸气、残余氧和氮以及少量一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）的高温尾气。该尾气向上流经一根两米高的透明柱，柱内置有一只160瓦强力汞灯紫外光源。置于不同高度的传感器测量在灯开或关、以及不同燃烧器压力和流速下气体中NO、NO₂和总NOx的残留量。

尾气发生了什么变化

开启紫外灯后，NO浓度持续下降，在某些情况下在测量范围内降至零。与此同时，NO₂的量有所增加，说明部分NO被转换而非完全销毁。总体上这种权衡是否带来更洁净的尾气，强烈依赖于起始NOx的含量以及气体通过灯区的速度。在较低的尾气流速且起始NOx较高时，系统实现了实际的净减少：在一个运行点，总NOx约下降了12%。然而在更高流速或起始NOx非常低的情况下，总NOx反而增加，表明紫外光主要是在不同形态的氮氧化物之间重新分配而非真正去除。灯对气体也有轻微的加热作用，但这种升温太小，无法仅以热效应解释化学变化。

对更清洁氢供热的意义

该研究表明，强紫外光可以改变氢锅炉尾气中氮氧化物的组成，并在适当条件下适度降低总量。本研究观察到的最佳性能——约10%的去除率——出现在起始NOx相对较高且尾气在光区滞留时间足够长的情况下。尽管这不如一些先进的等离子体方法有效，但紫外方法所需的外加能量要少得多，并且可能更容易集成到实际锅炉中。对公众而言，关键讯息是：氢供热并非自动无污染，但像紫外光解这样的新工具，如果经过精心工程设计和优化，可能有助于控制其隐含排放。

引用: Kreft, D., Szczodrowski, K. & Marszałkowski, K. Nitrogen oxides removal from hydrogen flue gas by direct photolysis. Sci Rep 16, 13238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39200-4

关键词: 氢锅炉, 氮氧化物, 紫外线处理, 烟道气净化, 空气污染控制