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首批“长江学者”特聘教授郭烈锦,研究的“超临界水蒸煤”技术的产业化工程示范正在筹建中。
“我们科研工作者要有责任心和使命感,瞄准国家能源领域重大需求,杜绝低端重复、简单模仿,寻求适用于中国当前实际的能源高效洁净转化途径。”首届“全国创新争先奖”日前颁奖,西安交通大学郭烈锦教授成为获奖者之一。
从高压水/蒸汽两相流与传热研究开始,到大胆尝试超临界水煤气化制氢发电多联产技术产业化,迄今他在多相流热物理热化学研究的道路上执着追求了34年。
献身科研:几十年着眼国家发展
郭烈锦是西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任,国家杰出青年科学基金获得者,教育部首批“长江学者”特聘教授,长期从事多相流动与能质传输、化石能源和太阳能、生物质能及氢能的转化和利用。
在中学时代就对物理很感兴趣的郭烈锦,1979年考入西安交通大学锅炉专业学习,1983年大学毕业后,继续读研深造。1989年获得西安交通大学热能工程博士学位,后留校任教。
他的导师陈学俊院士是我国锅炉专业、热能工程学科创始人之一,陈院士在国内率先开展对高压及超临界水/蒸汽两相流与传热特性的研究,并搭建了国内最早的参数最高规模最大的高压汽水两相流实验台。
“扎根西部,建功报国,始终把国家发展需要作为科学研究的风向标,这是老师身体力行教授给我们的最宝贵财富。”郭烈锦说。
2016年底,西安交通大学的一个重大科研成果产业化项目——“煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术”项目产业化工作正式启动。这项重大科研成果源自郭烈锦教授率领的团队20年磨一剑的执着、持续不断的创新。
挑战质疑:领先世界尖端技术
在国家自然科学基金委1997年组织的一次能源高技术赴美考察中,一项运用超临界水气化处理有机污染物的研究引起了郭烈锦的关注,他敏锐地认识到超临界水可能是解决燃煤污染、提高煤炭资源转化能效的一个关键出路。
回国后,当他提出这个大胆设想时,迎接他的却是强烈的质疑,毕竟“煤炭通过氧化燃烧释放出化学能”已经是世界的共识和习惯做法。长期以来,高温高压的超临界水意味着危险并难以把控,是对传统流体与传热实验科学的挑战。但他凭借对超临界水特性的了解,坚定地开始做煤炭超临界水气化的研究。
“科学研究就是一个出错、试错的过程,是一个反复实践的过程、探索进取的过程,要在这个过程中充分磨炼心智并取得成功。郭老师总是这样激励团队成员,鼓励在科研中尝试别人没有尝试的事,做出别人没有做出的东西,得出有科学价值的结果。”郭烈锦的学生、现在已经成为团队骨干的金辉副教授说。
“刚开始并不顺利,在头3年里并没有取得什么实质的进展,申请立项也到处碰壁。但我坚信这个方向没有错,于是继续坚持做下去。终于在2000年研制出第一套小型连续式实验装置,2003年又在国际专业杂志上发表了相关论文,引起广泛关注。”郭烈锦说。
在国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目和创新群体项目,国家“973计划”“863计划”等系列项目的持续支持下,“超临界水蒸煤”技术的研发取得了积极的进展。
不忘初心:科研项目服务国家需求
这些年郭烈锦团队曾多次拒绝了国内外著名企业财团对早期技术买断的要求,因为他们研发这项技术的初心就是服务于国家的重大需求。
传统燃煤、煤气化锅炉及其发电技术均采用“一把火烧煤”的模式,总能效和煤电转化率低、污染严重、耗水量大,后续除尘、脱硫、脱硝和二氧化碳富集的代价高昂。
而“超临界水蒸煤”技术则成功运用超临界水的特殊物理化学性质,实现了超临界水完全吸热——还原与煤炭气化耦合的制氢反应,直接将煤炭化学能高效转化为氢能,而煤中含有的硫、氮及其他杂质因为没有像燃烧那样的高温富氧环境而不被氧化,最终可以净化沉积到反应器底部以沉渣方式排出,不再生成污染物。
这样的煤气化制氢技术若用于发电可大大提高煤电转化效率,而且从源头上解决了燃烧伴生的氧化污染物排放问题。
据核算,对百万千瓦机组来说,这项技术可较容易地将煤电转化效率提高到50%-60%以上,而我国当前燃煤发电机组的平均煤电转化效率还不足40%。
该技术已经全面完成原理性创新、实验室规律性试验研究和部分中试实验。与项目相关的多相流基础研究成果曾获国家自然科学二等奖、陕西省科学技术奖一等奖等系列奖励,并被国际超临界技术大会和国际超临界技术杂志作为最具价值和前景的技术向全球推介。
“如果能为国家能源产业发展解决重大问题,这些年来的付出也是值得的。”郭烈锦说。
现在,煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术的产业化工程示范正在紧锣密鼓的筹建中,预计大约3年时间,就能真正实现从实验室走向煤电产业化的规模化运用,一个能源清洁高效的美好蓝图渐渐可期。
