在燃烧中不断锤炼和升华——记中国科学院力学研究所李森博士

本刊记者 迟艳艳

在燃烧中不断锤炼和升华
——记中国科学院力学研究所李森博士

本刊记者 迟艳艳

专家简介：

李森，中国科学院力学研究所，高温气体动力学国家重点实验室，工学博士，副研究员，兼任国际期刊Frontiers in Energy Research编委。目前主要从事燃烧污染物排放控制与极端燃烧气、先进发动机等方面研究工作。曾获陕西省职业教育课件三等奖、校级科研二等奖等。已发表学术论文发表论文50余篇，其中SCI收录20余篇，论文被引200余次。

25年前，带着青春理想与梦想，从乡初中毕业，进入了陕西第一工业学校（现陕西国防工业职业技术学院）热能工程专业学习，这里激发他对人生理想的更高的追求，每年都获得当时学校最高奖学金、学习标兵并跳级一次，以优异的成绩报送南京理工大学继续深造；15年前，带着对知识的渴望和对科学研究浓厚兴趣，他考取西安交通大学研究生，师从徐通模教授攻读硕士和博士学位，从事燃烧污染物排放控制方向研究工作，在这里他培养了严谨求实的科学态度和精益求精的学习工作品德，多次获得校级优秀研究生；2015年10月，到美国普渡大学航空航天系进行为期3个月的高级访问学者研究；现如今，以国家重大需求为导向，以洁净高效燃烧和极端先进燃烧关键技术为科研目标，他继续在科研道路上攻坚立新勇攀高峰。

他就是中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室副研究员李森。

洁净燃烧降低污染排放不懈努力

近几十年来，随着我国经济的高速发展，日益剧增的化石能源消耗污染排放造成了巨大污染环境问题，持续的雾霾天气蔓延全国，对人们健康造成很大威胁。环境污染已成为制约国民经济可持续发展的重大问题，为此必须解决节能与环保问题。

李森在西安交通大学读研和中科院力学所工作期间，污染物的脱硫降氮成为他研究的焦点，他也在这条科研的道路上奋勇前进。在火电厂排放的烟气中，对空气环境污染最大的是氮氧化物，降低燃煤过程中的氮氧化物，利国利民。李森认为，若在燃烧过程中抑制氮氧化物的产生，“成本很大”，无疑会加大后期电厂企业的实践投入。于是他想到了“对氮氧化物还原”。

李森对关键燃烧运行参数和结构参数进行了优化分析，得出再燃煤粉细度与氮氧化物的脱除效率关系，发现中间还原层的主燃区内若存在微弱的还原气氛，则会大幅度提高煤炭燃烧过程中的脱硫能力。在还原层中脱去有害物质的气体，不会直接排放到空气中，它将会在最上面的氧化层继续燃烧，直至燃烧充分。

李森依托自然科学基金和企业合作项目等，针对针对目前制约燃煤电站锅炉燃烧深度降氮的关键科学问题，系统的提出了煤粉分级燃烧低NOx排放优化控制方法；发现主燃区处于微还原气氛有利于提高煤燃烧过程中自身脱硫能力；获得了煤粉富氧分级燃烧NOx生成机制，系统的提出了煤粉分级燃烧低NOx排放优化控制方法，获得了煤粉分级燃烧NOx生成机制。

在冶金及化工生产过程中，极易排放可燃废气，其中就包括一些氮氧化物、硫氧化物等有毒及具备强腐蚀性的气体。

针对这一旧有顽疾，李森团队展开了缜密的物理试验及化学分析，发现某些碱性金属氧化物在燃烧过程中能够产生某种程度的固硫作用，可以有效抑制氮氧化物、硫氧化物等有害气体的产生。

这一“气固流污染物的脱除规律”，能够极大助益于化石燃料、生物质及冶金化工领域的可燃废气的洁净燃烧。李森针对冶金和化工生产排放的可燃废气中有毒性和腐蚀性气体（NOx、SOx、HF、H2S等）的控制关键科学问题，提出了燃烧过程中金属氧化物催化/脱除气态污染物机制。通过试验和化学反应理论分析，获得了碱性金属氧化物（CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等）脱除有害气体的反应机制；发现了碱性氧化物固硫作用效果取决于燃烧环境、碱性氧化物的含量及其活性，燃烧气氛是固硫反应中的一个重要因素，影响钙基固硫剂的固硫能力；得到了NaOH、KOH等对燃烧污染物脱除和对CO催化燃烧路径。该研究成果为化石燃料、生物质、冶金化工可燃废气洁净燃烧提供了理论支持。李森和他的同事们利用研究成果开发超低NOx燃烧技术，实现了高钙燃煤NOx排放低于100mg/m3（目前国内燃煤燃烧NOx最低排放）。

余热利用高效节能工作坚持到底

李森告诉记者，现在我国冶金行业存在大量的间歇性余热，具有回收的很大潜力，然而由于目前人们对这些余热的波动特性还没有完全掌握，同时缺乏具有针对性的关键余热回收技术，这些余热被白白排放而浪费，十分可惜。冶金炉（转炉、电炉和铁合金炉等）冶炼产生大量中低温炉气(烟气)，由于其具有间歇性、多尘性和爆炸性等特点，其显热有效利用和回收难度大。为了安全高效回收炉气(烟气)显热，必须研究冶金炉炉气(烟气)变化特性。为此，李森和他的同事们现场调研了大量冶炼企业，获得了丰富的一手资料，对其进行了深入分析，探索其中的规律。

李森面向国家冶金工业节能减排重大需求，针对冶金炉余热间歇性和爆炸性等特点使其显热有效利用和回收的难题，以化学反应动力学和流动动力学作为理论描述的基础，从气-液反应、液-液反应、氧枪射流特征等出发，全面剖析转炉冶炼反应机理，完整的建立了氧气顶吹转炉冶炼炉气生成数学模型，并得到实际验证，为余热安全高效回收系统设计提供了重要的理论依据。

利用该研究成果，对余热发电示范工程和转炉蒸汽拖动风机节能技改项目中余热锅炉和蓄能器设计提供了依据，有效地保障间歇式余热安全高效回收利用。余热发电示范工程目前年节约标准煤1.9万吨，年减排CO2达4.4万吨。

与时俱进，研制出发动机原理样机

李森说，科研是要为国家、为社会服务，否则就丧失了它固有的意义。近两年，他开始涉及航空航天领域内发动机的燃烧试验。

传统发动机内，燃料在燃烧过程中极易出现有毒气体，污染环境，影响人类身体健康。但即便如此，目前却并未得到实质性的改变。那么，针对这些问题，新型发动机该如何研制呢？

“我们只能是在实际试验过程中，通过局部的点点改变，来进行反复调配”，他利用流体力学和气动热化学理论，在碳氢燃料燃烧过程中，对雾化、着火及燃烧的各种特性进行一点一点地试验，发现了燃烧压力与着火延迟、碳烟及火焰稳定之间的作用关系，成功研制出了先进液体火箭发动机原理样机。

虽然取得了阶段性的实践成果，但未来的巨大压力仍然让李森感到“担子很重”，因为“创新性的理论成果并未取得”。

这意味着，未来的路还很长，很长……

任重道远，助力航空航天新发展

历经20余年研究探索，李森在科研这条路上可谓成绩斐然。荣获众多科研奖项，撰写发表20多篇SCI论文，主持多项自然科学基金项目，同时也与电厂、锅炉厂、化工企业等开展项目合作……但这一系列科研成果的取得，并未让他驻足。

为满足国家航空航天高性能先进发动机的研制需求，今后将会对空天液体发动机展开探索性研究。

燃烧过程中涉及到射流雾化、蒸发、混合及燃烧化学反应等多个过程，在极端热力学条件下，由于燃烧停留时间极短，很容易产生复杂的湍流燃烧。针对目前发展状态，李森认为，在未来的科研当中，将会面临“燃烧过程中的积碳、不稳定燃烧”等巨大的技术难题。

因此，突破技术壁垒，打破现有僵局，“开展碳氢燃料高压富氧燃烧涉及高温高压化学反应、复杂传热传质以及流体运动等过程”研究将成为攻克先进发动机研制难题的“有利武器”。

回顾以往，展望未来。忙于科研的同时，李森并没有忘记团队的组建，打造一支行动力强、思维活跃、团结协作的团队是他的目标。今后，他依然会一步一个脚印，脚踏实地的走下去。因为坚信，所以坚守。