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追寻化石燃料的“绿色梦”

发布时间:2019-04-27 22:14 来源:澳门新濠天地

  化石能源是现阶段社会高速发展的重要基础,攸关国计民生和国家战略竞争力,但化石燃料的燃烧容易带来污染。如何让化石燃料实现绿色燃烧是科学界一直在努力的方向。近年来,中国科学院工程热物理研究所(以下简称工程热物理所)循环流化床实验室研究员田振玉团队一直在这个领域进行耕耘与探索,取得了不少引人注目的成果。

  截至今年11月,田振玉团队在燃烧和环境领域的国际知名期刊上发表论文100余篇,并出版了英文专著2章,申请发明专利5项。“化石燃料的燃烧总会让人想到污染,但通过工艺和技术的处理,化石燃料燃烧也可以是绿色的。”日前,田振玉在接受《中国科学报》采访时表示。

  国家能源局《煤炭清洁高效利用行动计划(20152020年)》和科技部“十三五”《煤炭清洁高效利用和新型节能技术》中均明确提出进一步提高煤炭清洁高效利用水平的要求。因此,开展支撑我国煤炭清洁高效利用的创新技术及系统解决方案的研发具有重要的战略意义。

  工程热物理所循环流化床实验室针对煤及煤的衍生燃料、生物质、液体燃料等多种燃料,开展技术研发及工程热物理基础研究,包括高效清洁燃烧、热解气化转化、综合节能减排技术,以及多相流动及诊断、模型燃料燃烧化学及催化燃烧、反应过程定量分析及应用等。

  其中,田振玉团队从事的燃烧和氧化反应动力学研究直接关系到化石燃料,特别是液体燃料的燃烧和点火特性。田振玉解释道,点火特性是表征燃料燃烧特性的重要基础数据,同时也是验证燃烧反应动力学模型及其模型简化的关键依据。另外,液体燃料的不完全燃烧会产生挥发性有机化合物(VOC),包括未反应的燃料和部分氧化产物,而VOC是大气灰霾的重要来源之一,对自然环境和人类健康危害极大,迫切需要进行非均相催化脱除。这也是田振玉课题的研究方向之一。

  田振玉说:“开展化石燃料在宽压力范围内的均相和非均相低温氧化动力学研究,对于理解其点火特性及污染物生成和脱除机理具有重大的战略意义。”

  航空煤油是军用和民用航空动力装置的常规燃料,研发出能够准确描述其燃烧特性的详细动力学模型,对提高航空煤油燃烧效率和减少污染物排放至关重要。

  为此,田振玉团队在原位诊断方面发展了用于研究航空模型燃料低温氧化的常压和高压射流搅拌反应器(HPJSR)系统,通过与色谱和分子束质谱等设备结合,系统研究了烷基苯燃料的氧化动力学,并分析了燃料结构对中间产物和反应动力学的影响规律。

  团队先后设计了用于研究气体和固体燃料燃烧动力学的携带流反应器和研究催化反应的集成装置,后者包括一个催化射流搅拌反应器和原位漫反射装置。这也让循环流化床实验室成为国际上首个开展相关研究的实验室。

  在燃烧动力学模拟方面,田振玉团队发展了较大单环芳烃的氧化机理,构建了航空模型燃料的点火机理,特别是从动力学角度分析了负温度效应对燃料转化的影响规律,该结果对于理解和发展新的航空模型燃料具有重要的指导作用。

  田振玉团队另外一个研究领域是催化燃烧。团队建立了利用超声分子束质谱和原位漫反射分别研究催化燃烧气相和表面反应机理的方法,该方法为理解催化燃烧反应路径和建立精确的催化燃烧模型提供了实验数据库。

  “虽然我们关于催化燃烧的研究偏重基础理论,但等离子体催化方法也能用于空气净化系统,将来我们可以尝试将此方法推广到应用领域。”这是田振玉对未来的展望。

  2008年,田振玉在中国科学技术大学国家同步辐射实验室获取博士学位后,同年加入法国南锡大学从事博士后研究工作,并于2011年3月加入德国比勒菲尔德大学PCI实验室,担任化学气相沉积小组负责人。

  田振玉在德国比勒菲尔德大学做洪堡学者期间,深受德国科学院院士和国际燃烧学会主席Kohse教授的器重。“Kohse教授很希望我继续留在比勒菲尔德大学,但当我提出自己的回国规划之后,她未加阻拦,还给我写了一封很有分量的推荐信。”谈到当初回国的决定时,田振玉非常感谢Kohse教授的宽容和举荐。

  田振玉加入循环流化床实验室后开始自己带团队。“我们这个团队有近三分之一的外籍研究人员。”他告诉《中国科学报》,“我们开会都是用英文,感觉跟之前在国外开小组讨论会一样。”

  身为“80后”研究员,田振玉对自己和团队都有着一份执着的信念。他说:“科研不应该只是一份谋生的工作,而是一份事业。我是一名普通的科研人员,身为科学院的一分子,我和团队的成员对待每项工作都会尽力去做好。”

  “一个人若想将工作做到国际前沿,一定要学会站在巨人的肩膀上看问题,此时前人的工作和团队的协作显得极为重要。”这样的科研理念也打动着团队中的外籍科研人员。“之前我在德国有一位来自非洲的合作伙伴,如今他又推荐自己的学生来我这里做访问学者。”田振玉希望自己这支国际化的科研团队能产出一批有影响力的成果,将化石燃料燃烧的绿色特性推广应用。



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