在燃燒中不斷錘煉和升華

遲艷艷

李森，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工學(xué)博士，副研究員，兼任國(guó)際期刊Frontiers in Energy Research編委。目前主要從事燃燒污染物排放控制與極端燃燒氣、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)等方面研究工作。曾獲陜西省職業(yè)教育課件三等獎(jiǎng)、校級(jí)科研二等獎(jiǎng)等。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文發(fā)表論文50余篇，其中SCI收錄20余篇，論文被引200余次。

專家簡(jiǎn)介：

25年前，帶著青春理想與夢(mèng)想，從鄉(xiāng)初中畢業(yè)，進(jìn)入了陜西第一工業(yè)學(xué)校（現(xiàn)陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）熱能工程專業(yè)學(xué)習(xí)，這里激發(fā)他對(duì)人生理想的更高的追求，每年都獲得當(dāng)時(shí)學(xué)校最高獎(jiǎng)學(xué)金、學(xué)習(xí)標(biāo)兵并跳級(jí)一次，以優(yōu)異的成績(jī)報(bào)送南京理工大學(xué)繼續(xù)深造；15年前，帶著對(duì)知識(shí)的渴望和對(duì)科學(xué)研究濃厚興趣，他考取西安交通大學(xué)研究生，師從徐通模教授攻讀碩士和博士學(xué)位，從事燃燒污染物排放控制方向研究工作，在這里他培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和精益求精的學(xué)習(xí)工作品德，多次獲得校級(jí)優(yōu)秀研究生；2015年10月，到美國(guó)普渡大學(xué)航空航天系進(jìn)行為期3個(gè)月的高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者研究；現(xiàn)如今，以國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，以潔凈高效燃燒和極端先進(jìn)燃燒關(guān)鍵技術(shù)為科研目標(biāo)，他繼續(xù)在科研道路上攻堅(jiān)立新勇攀高峰。

他就是中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員李森。

潔凈燃燒降低污染排放不懈努力

近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，日益劇增的化石能源消耗污染排放造成了巨大污染環(huán)境問(wèn)題，持續(xù)的霧霾天氣蔓延全國(guó)，對(duì)人們健康造成很大威脅。環(huán)境污染已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題，為此必須解決節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題。

李森在西安交通大學(xué)讀研和中科院力學(xué)所工作期間，污染物的脫硫降氮成為他研究的焦點(diǎn)，他也在這條科研的道路上奮勇前進(jìn)。在火電廠排放的煙氣中，對(duì)空氣環(huán)境污染最大的是氮氧化物，降低燃煤過(guò)程中的氮氧化物，利國(guó)利民。李森認(rèn)為，若在燃燒過(guò)程中抑制氮氧化物的產(chǎn)生，“成本很大”，無(wú)疑會(huì)加大后期電廠企業(yè)的實(shí)踐投入。于是他想到了“對(duì)氮氧化物還原”。

李森對(duì)關(guān)鍵燃燒運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出再燃煤粉細(xì)度與氮氧化物的脫除效率關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中間還原層的主燃區(qū)內(nèi)若存在微弱的還原氣氛，則會(huì)大幅度提高煤炭燃燒過(guò)程中的脫硫能力。在還原層中脫去有害物質(zhì)的氣體，不會(huì)直接排放到空氣中，它將會(huì)在最上面的氧化層繼續(xù)燃燒，直至燃燒充分。

李森依托自然科學(xué)基金和企業(yè)合作項(xiàng)目等，針對(duì)針對(duì)目前制約燃煤電站鍋爐燃燒深度降氮的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，系統(tǒng)的提出了煤粉分級(jí)燃燒低NOx排放優(yōu)化控制方法；發(fā)現(xiàn)主燃區(qū)處于微還原氣氛有利于提高煤燃燒過(guò)程中自身脫硫能力；獲得了煤粉富氧分級(jí)燃燒NOx生成機(jī)制，系統(tǒng)的提出了煤粉分級(jí)燃燒低NOx排放優(yōu)化控制方法，獲得了煤粉分級(jí)燃燒NOx生成機(jī)制。

在冶金及化工生產(chǎn)過(guò)程中，極易排放可燃廢氣，其中就包括一些氮氧化物、硫氧化物等有毒及具備強(qiáng)腐蝕性的氣體。

針對(duì)這一舊有頑疾，李森團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了縝密的物理試驗(yàn)及化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)某些堿性金屬氧化物在燃燒過(guò)程中能夠產(chǎn)生某種程度的固硫作用，可以有效抑制氮氧化物、硫氧化物等有害氣體的產(chǎn)生。

這一“氣固流污染物的脫除規(guī)律”，能夠極大助益于化石燃料、生物質(zhì)及冶金化工領(lǐng)域的可燃廢氣的潔凈燃燒。李森針對(duì)冶金和化工生產(chǎn)排放的可燃廢氣中有毒性和腐蝕性氣體（NOx、SOx、HF、H2S等）的控制關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，提出了燃燒過(guò)程中金屬氧化物催化/脫除氣態(tài)污染物機(jī)制。通過(guò)試驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)理論分析，獲得了堿性金屬氧化物（CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等）脫除有害氣體的反應(yīng)機(jī)制；發(fā)現(xiàn)了堿性氧化物固硫作用效果取決于燃燒環(huán)境、堿性氧化物的含量及其活性，燃燒氣氛是固硫反應(yīng)中的一個(gè)重要因素，影響鈣基固硫劑的固硫能力；得到了NaOH、KOH等對(duì)燃燒污染物脫除和對(duì)CO催化燃燒路徑。該研究成果為化石燃料、生物質(zhì)、冶金化工可燃廢氣潔凈燃燒提供了理論支持。李森和他的同事們利用研究成果開(kāi)發(fā)超低NOx燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高鈣燃煤NOx排放低于100mg/m3（目前國(guó)內(nèi)燃煤燃燒NOx最低排放）。

余熱利用高效節(jié)能工作堅(jiān)持到底

李森告訴記者，現(xiàn)在我國(guó)冶金行業(yè)存在大量的間歇性余熱，具有回收的很大潛力，然而由于目前人們對(duì)這些余熱的波動(dòng)特性還沒(méi)有完全掌握，同時(shí)缺乏具有針對(duì)性的關(guān)鍵余熱回收技術(shù)，這些余熱被白白排放而浪費(fèi)，十分可惜。冶金爐（轉(zhuǎn)爐、電爐和鐵合金爐等）冶煉產(chǎn)生大量中低溫爐氣（煙氣），由于其具有間歇性、多塵性和爆炸性等特點(diǎn)，其顯熱有效利用和回收難度大。為了安全高效回收爐氣（煙氣）顯熱，必須研究冶金爐爐氣（煙氣）變化特性。為此，李森和他的同事們現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了大量冶煉企業(yè)，獲得了豐富的一手資料，對(duì)其進(jìn)行了深入分析，探索其中的規(guī)律。

李森面向國(guó)家冶金工業(yè)節(jié)能減排重大需求，針對(duì)冶金爐余熱間歇性和爆炸性等特點(diǎn)使其顯熱有效利用和回收的難題，以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)作為理論描述的基礎(chǔ)，從氣-液反應(yīng)、液-液反應(yīng)、氧槍射流特征等出發(fā)，全面剖析轉(zhuǎn)爐冶煉反應(yīng)機(jī)理，完整的建立了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉爐氣生成數(shù)學(xué)模型，并得到實(shí)際驗(yàn)證，為余熱安全高效回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

利用該研究成果，對(duì)余熱發(fā)電示范工程和轉(zhuǎn)爐蒸汽拖動(dòng)風(fēng)機(jī)節(jié)能技改項(xiàng)目中余熱鍋爐和蓄能器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，有效地保障間歇式余熱安全高效回收利用。余熱發(fā)電示范工程目前年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.9萬(wàn)噸，年減排CO2 達(dá)4.4萬(wàn)噸。

與時(shí)俱進(jìn)，研制出發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)

李森說(shuō)，科研是要為國(guó)家、為社會(huì)服務(wù)，否則就喪失了它固有的意義。近兩年，他開(kāi)始涉及航空航天領(lǐng)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒試驗(yàn)。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，燃料在燃燒過(guò)程中極易出現(xiàn)有毒氣體，污染環(huán)境，影響人類身體健康。但即便如此，目前卻并未得到實(shí)質(zhì)性的改變。那么，針對(duì)這些問(wèn)題，新型發(fā)動(dòng)機(jī)該如何研制呢？

“我們只能是在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)局部的點(diǎn)點(diǎn)改變，來(lái)進(jìn)行反復(fù)調(diào)配”，他利用流體力學(xué)和氣動(dòng)熱化學(xué)理論，在碳?xì)淙剂先紵^(guò)程中，對(duì)霧化、著火及燃燒的各種特性進(jìn)行一點(diǎn)一點(diǎn)地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了燃燒壓力與著火延遲、碳煙及火焰穩(wěn)定之間的作用關(guān)系，成功研制出了先進(jìn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)。

雖然取得了階段性的實(shí)踐成果，但未來(lái)的巨大壓力仍然讓李森感到“擔(dān)子很重”，因?yàn)椤皠?chuàng)新性的理論成果并未取得”。

這意味著，未來(lái)的路還很長(zhǎng)，很長(zhǎng)……

任重道遠(yuǎn)，助力航空航天新發(fā)展

歷經(jīng)20余年研究探索，李森在科研這條路上可謂成績(jī)斐然。榮獲眾多科研獎(jiǎng)項(xiàng)，撰寫(xiě)發(fā)表20多篇SCI論文，主持多項(xiàng)自然科學(xué)基金項(xiàng)目，同時(shí)也與電廠、鍋爐廠、化工企業(yè)等開(kāi)展項(xiàng)目合作……但這一系列科研成果的取得，并未讓他駐足。

為滿足國(guó)家航空航天高性能先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，今后將會(huì)對(duì)空天液體發(fā)動(dòng)機(jī)展開(kāi)探索性研究。

燃燒過(guò)程中涉及到射流霧化、蒸發(fā)、混合及燃燒化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)過(guò)程，在極端熱力學(xué)條件下，由于燃燒停留時(shí)間極短，很容易產(chǎn)生復(fù)雜的湍流燃燒。針對(duì)目前發(fā)展?fàn)顟B(tài)，李森認(rèn)為，在未來(lái)的科研當(dāng)中，將會(huì)面臨“燃燒過(guò)程中的積碳、不穩(wěn)定燃燒”等巨大的技術(shù)難題。

因此，突破技術(shù)壁壘，打破現(xiàn)有僵局，“開(kāi)展碳?xì)淙剂细邏焊谎跞紵婕案邷馗邏夯瘜W(xué)反應(yīng)、復(fù)雜傳熱傳質(zhì)以及流體運(yùn)動(dòng)等過(guò)程”研究將成為攻克先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制難題的“有利武器”。

回顧以往，展望未來(lái)。忙于科研的同時(shí)，李森并沒(méi)有忘記團(tuán)隊(duì)的組建，打造一支行動(dòng)力強(qiáng)、思維活躍、團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)是他的目標(biāo)。今后，他依然會(huì)一步一個(gè)腳印，腳踏實(shí)地的走下去。因?yàn)閳?jiān)信，所以堅(jiān)守。endprint