本刊記者 遲艷艷

在燃燒中不斷錘煉和升華
——記中國科學院力學研究所李森博士

本刊記者 遲艷艷

專家簡介：

李森，中國科學院力學研究所，高溫氣體動力學國家重點實驗室，工學博士，副研究員，兼任國際期刊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、先進發(fā)動機等方面研究工作。曾獲陜西省職業(yè)教育課件三等獎、校級科研二等獎等。已發(fā)表學術論文發(fā)表論文50余篇，其中SCI收錄20余篇，論文被引200余次。

25年前，帶著青春理想與夢想，從鄉(xiāng)初中畢業(yè)，進入了陜西第一工業(yè)學校（現(xiàn)陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院）熱能工程專業(yè)學習，這里激發(fā)他對人生理想的更高的追求，每年都獲得當時學校最高獎學金、學習標兵并跳級一次，以優(yōu)異的成績報送南京理工大學繼續(xù)深造；15年前，帶著對知識的渴望和對科學研究濃厚興趣，他考取西安交通大學研究生，師從徐通模教授攻讀碩士和博士學位，從事燃燒污染物排放控制方向研究工作，在這里他培養(yǎng)了嚴謹求實的科學態(tài)度和精益求精的學習工作品德，多次獲得校級優(yōu)秀研究生；2015年10月，到美國普渡大學航空航天系進行為期3個月的高級訪問學者研究；現(xiàn)如今，以國家重大需求為導向，以潔凈高效燃燒和極端先進燃燒關鍵技術為科研目標，他繼續(xù)在科研道路上攻堅立新勇攀高峰。

他就是中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室副研究員李森。

潔凈燃燒降低污染排放不懈努力

近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(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)境問題，持續(xù)的霧霾天氣蔓延全國，對人們健康造成很大威脅。環(huán)境污染已成為制約國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題，為此必須解決節(jié)能與環(huán)保問題。

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

李森對關鍵燃燒運行參數(shù)和結構參數(shù)進行了優(yōu)化分析，得出再燃煤粉細度與氮氧化物的脫除效率關系，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，則會大幅度提高煤炭燃燒過程中的脫硫能力。在還原層中脫去有害物質(zhì)的氣體，不會直接排放到空氣中，它將會在最上面的氧化層繼續(xù)燃燒，直至燃燒充分。

李森依托自然科學基金和企業(yè)合作項目等，針對針對目前制約燃煤電站鍋爐燃燒深度降氮的關鍵科學問題，系統(tǒng)的提出了煤粉分級燃燒低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程中自身脫硫能力；獲得了煤粉富氧分級燃燒NOx生成機制，系統(tǒng)的提出了煤粉分級燃燒低NOx排放優(yōu)化控制方法，獲得了煤粉分級燃燒NOx生成機制。

在冶金及化工生產(chǎn)過程中，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腐蝕性的氣體。

針對這一舊有頑疾，李森團隊展開了縝密的物理試驗及化學分析，發(fā)現(xiàn)某些堿性金屬氧化物在燃燒過程中能夠產(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)及冶金化工領域的可燃廢氣的潔凈燃燒。李森針對冶金和化工生產(chǎn)排放的可燃廢氣中有毒性和腐蝕性氣體（NOx、SOx、HF、H2S等）的控制關鍵科學問題，提出了燃燒過程中金屬氧化物催化/脫除氣態(tài)污染物機制。通過試驗和化學反應理論分析，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機制；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中的一個重要因素，影響鈣基固硫劑的固硫能力；得到了NaOH、KOH等對燃燒污染物脫除和對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發(fā)超低NOx燃燒技術，實現(xiàn)了高鈣燃煤NOx排放低于100mg/m3（目前國內(nèi)燃煤燃燒NOx最低排放）。

余熱利用高效節(jié)能工作堅持到底

李森告訴記者，現(xiàn)在我國冶金行業(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這些余熱的波動特性還沒有完全掌握，同時缺乏具有針對性的關鍵余熱回收技術，這些余熱被白白排放而浪費，十分可惜。冶金爐（轉爐、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，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)場調(diào)研了大量冶煉企業(yè)，獲得了豐富的一手資料，對其進行了深入分析，探索其中的規(guī)律。

李森面向國家冶金工業(yè)節(jié)能減排重大需求，針對冶金爐余熱間歇性和爆炸性等特點使其顯熱有效利用和回收的難題，以化學反應動力學和流動動力學作為理論描述的基礎，從氣-液反應、液-液反應、氧槍射流特征等出發(fā)，全面剖析轉爐冶煉反應機理，完整的建立了氧氣頂吹轉爐冶煉爐氣生成數(shù)學模型，并得到實際驗證，為余熱安全高效回收系統(tǒng)設計提供了重要的理論依據(jù)。

利用該研究成果，對余熱發(fā)電示范工程和轉爐蒸汽拖動風機節(jié)能技改項目中余熱鍋爐和蓄能器設計提供了依據(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)約標準煤1.9萬噸，年減排CO2達4.4萬噸。

與時俱進，研制出發(fā)動機原理樣機

李森說，科研是要為國家、為社會服務，否則就喪失了它固有的意義。近兩年，他開始涉及航空航天領域內(nèi)發(fā)動機的燃燒試驗。

傳統(tǒng)發(fā)動機內(nèi)，燃料在燃燒過程中極易出現(xiàn)有毒氣體，污染環(huán)境，影響人類身體健康。但即便如此，目前卻并未得到實質(zhì)性的改變。那么，針對這些問題，新型發(fā)動機該如何研制呢？

“我們只能是在實際試驗過程中，通過局部的點點改變，來進行反復調(diào)配”，他利用流體力學和氣動熱化學理論，在碳氫燃料燃燒過程中，對霧化、著火及燃燒的各種特性進行一點一點地試驗，發(fā)現(xiàn)了燃燒壓力與著火延遲、碳煙及火焰穩(wěn)定之間的作用關系，成功研制出了先進液體火箭發(fā)動機原理樣機。

雖然取得了階段性的實踐成果，但未來的巨大壓力仍然讓李森感到“擔子很重”，因為“創(chuàng)新性的理論成果并未取得”。

這意味著，未來的路還很長，很長……

任重道遠，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斐然。榮獲眾多科研獎項，撰寫發(fā)表20多篇SCI論文，主持多項自然科學基金項目，同時也與電廠、鍋爐廠、化工企業(yè)等開展項目合作……但這一系列科研成果的取得，并未讓他駐足。

為滿足國家航空航天高性能先進發(fā)動機的研制需求，今后將會對空天液體發(fā)動機展開探索性研究。

燃燒過程中涉及到射流霧化、蒸發(fā)、混合及燃燒化學反應等多個過程，在極端熱力學條件下，由于燃燒停留時間極短，很容易產(chǎn)生復雜的湍流燃燒。針對目前發(fā)展狀態(tài)，李森認為，在未來的科研當中，將會面臨“燃燒過程中的積碳、不穩(wěn)定燃燒”等巨大的技術難題。

因此，突破技術壁壘，打破現(xiàn)有僵局，“開展碳氫燃料高壓富氧燃燒涉及高溫高壓化學反應、復雜傳熱傳質(zhì)以及流體運動等過程”研究將成為攻克先進發(fā)動機研制難題的“有利武器”。

回顧以往，展望未來。忙于科研的同時，李森并沒有忘記團隊的組建，打造一支行動力強、思維活躍、團結協(xié)作的團隊是他的目標。今后，他依然會一步一個腳印，腳踏實地的走下去。因為堅信，所以堅守。