化学工程学报（Chemical Engineering Journal）于2023年2月19日在线发表了一篇题为《Catalytic removal of nitrogen oxides (NO, NO2, N2O) from ammonia-fueled combustion exhaust: a review of applicable technologies》的综述论文。该论文由Young-Kwon Park和Beom-Sik Kim撰写，作者分别来自韩国首尔大学环境工程学院和位于浦项的工业科学与技术研究所氢气研究中心。本综述聚焦于氨燃料燃烧尾气中氮氧化物（NOx，包括NO、NO2和N2O）的催化去除技术，并详尽讨论了各种适用的去氮氧化物（DeNOx）催化技术。
氨（Ammonia）因其优异的燃烧性能、可再生能源来源的大规模合成能力，以及通过现有商业基础设施便捷储存和运输的特性，成为替代传统化石燃料并减少CO2排放的重要候选燃料。然而，氨燃烧会产生大量NOx，造成空气质量下降及健康问题。因此，研究合适的DeNOx技术对控制NOx排放至关重要。这篇综述旨在探讨氨燃烧过程中NOx排放的特性，全面解析现有催化去NOx技术以及催化剂材料的反应机制，同时分析每种催化过程的催化剂设计与未来技术发展的挑战和方向。
氨作为一种无碳燃料引发广泛关注，其燃烧过程不产生CO2排放，但其实际使用仍面临技术性障碍。氨燃烧所排放的NOx（主要为NO和NO2）以及少量N2O已成为主要污染问题。这些气体因其对酸雨、光化学烟雾、细颗粒（PM2.5）和温室效应的贡献受到全球严格管控。此外，不完全燃烧还可能释放未燃尽氨，对人体健康有害。直接将氨应用于燃料领域需开发有效的技术以显著降低这些排放物质的浓度。
NOx的形成机制分为三类：
- 热NOx（Thermal NOx）：高温（>1500°C）下空气中的氮气与氧气或羟基自由基反应生成；
- 燃料NOx（Fuel NOx）：燃烧含氮燃料时生成，包含大量NO；
- 快速NOx（Prompt NOx）：燃烧火焰中HCN等中间产物急速反应生成。
氨燃烧的完全氧化反应理论上不会生成NOx：
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O，
但实际上极难实现完全反应，这导致燃料NOx成为氨燃烧的主要排放特性。此外，当与含硫燃料共燃时，NO与SO2可能反应生成附加的N2O。
研究指出，氨燃烧过程中NO、NO2和N2O的产生远大于传统碳氢燃料，而未经处理的尾气氨燃烧NOx浓度可能高达数千ppm。例如，日本实验表明50kW级氨燃料燃气轮机中，燃烧纯氨时产生的NOx可超过1100ppm。通过采用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技术，NOx浓度可减少至10ppm以下。
综述论文详细评估了包括SCR与N2O分解在内的各种催化去NOx技术：
SCR是通过还原剂选择性地将NOx转化为无害的N2和H2O。在氨燃烧尾气中，主要的SCR反应包括：
- 标准SCR（Standard SCR）：4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
- 快速SCR（Fast SCR）：NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
SCR技术的优势在于应用成熟，特别是在商业化的V/W/Ti基催化剂技术中。但是，现有催化剂在低温活性范围、抗硫性及高温水蒸气环境中的耐久性方面尚存挑战。论文指出Cu交换的沸石型催化剂（如Cu-SSZ-13）在高温SCR中展现出较佳性能，特别适用于天然气轮机及车辆尾气处理。然而，这些催化剂的成本相对较高，主要在特殊领域应用。
H2-SCR技术使用H2作为还原剂去除NOx。其主要反应如下：
- 2NO + 4H2 + O2 → 2N2 + 4H2O
理论上，H2是清洁的还原剂，不会产生二次污染物。然而该技术在NO还原与自身H2燃烧反应之间存在竞争机制。目前，铂族金属（如Pt、Pd）催化剂表现出较好的低温切NOx活性，但水蒸气等会显著降低其催化效率。
N2O是一种温室效应潜力（GWP）为CO2 310倍的气体，在无催化剂的情况下需高温（>800°C）才能分解。论文综述了贵金属催化剂（Rh、Ru等）和尖晶石结构催化剂（如Co3O4）的发展情况。贵金属铑（Rh）在低温下表现卓越，但面对O2、H2O等抑制性气体时效率大幅降低。因此，研发低成本、低温适用且抗中毒性强的非贵金属催化剂是未来研究的重点。
本综述全面系统地总结了氨燃料燃烧尾气催化去除NOx和N2O的技术现状，为研究人员提供了实践和理论指导。文章不仅探讨了现有技术的瓶颈和不足，还指明了未来研发方向，尤其是低温SCR催化剂的开发、低成本H2-SCR技术的工业化以及高效N2O分解催化剂的探索。
这种技术指导对于氨燃料作为下一代清洁能源的商业化应用意义重大。尽管氨燃烧技术仍处于发展初期，但其清洁能源潜力和脱碳价值已获得各界重视。本论文的系统性评估将大大推动相关技术的优化与落地。