02

历时20余载,捕捉驯服PM2.5 华科大徐明厚教授团队获国家自然科学奖二等奖 2024年08月09日

湖北日报全媒记者 方琳 通讯员 高翔 实习生 尹秀元

“我国蓝天天数不断增加,越发体现了我们工作的价值。”7月22日下午,在华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧与低碳利用全国重点实验室,徐明厚教授自豪地说。他办公桌的显眼位置,摆放着前不久从全国科技大会领回的国家自然科学奖二等奖证书。

中国是能源大国,也是煤炭消费大国。20多年来,徐明厚始终面向国家重大需求,率领科研团队对煤/生物质燃烧过程中PM2.5颗粒物的生成与调控开展了系统而深入的攻关研究。

自称“烧锅炉”的他,持续追梦,不仅揭开了PM2.5的神秘面纱,还锻造了捕捉并驯服它的利器。项目成果已在大型燃煤/生物质发电机组示范应用,实现了颗粒物和有毒痕量元素的高效联合脱除。

常去火电厂钻锅炉

清瘦的徐明厚是土生土长的“华科大人”:武汉人,1982年考入华中工学院(华中科技大学前身),从本科读到博士,1992年留校,在煤燃烧与低碳利用全国重点实验室(原煤燃烧国家重点实验室)工作至今。

当年填报高考志愿,徐明厚是在高中学长的建议下,选择了电厂热能专业,并不清楚这专业具体做啥。进了大学,接触到煤、锅炉,他才逐渐意识到自己工作的重要意义。“我当时成绩很好,保研后继续求学,发现我的专业和国家能源发展紧密相连。学得越多,越觉得有意思。”

留校后,徐明厚虽然在实验室工作,但经常要到一线去了解电厂锅炉运行情况。庞大的锅炉有二三十层楼高,从炉门孔爬进去,感受着热乎乎的风,不好受,还很危险,时常一身黑,和“烧锅炉”一样。

锅炉看多了,疑问越来越深:为什么同一家电厂的锅炉,即使燃用同样的燃料,排放的物质的比例也不一样?是工人操作的问题,还是另有原因?他迫切感受到,要通过基础研究来解决这些问题。

1997年,徐明厚作为访问学者赴葡萄牙,从事燃烧过程的数学模拟研究,两年后回国。彼时,国内开始意识到颗粒物污染防治的重要性,国家973项目集结了一批专家学者攻关,徐明厚便是其中一员。

访学期间,徐明厚曾被一份报告吸引。报告提到了PM2.5如何采样和检测,却没有谈到它的生成机理。“我们之前接触的污染物都是硫氧化物、氮氧化物等常规的气态污染物,燃烧生成的颗粒物对我来说很新鲜,我特别想深入了解它。”然而,当时国外研究也起步不久,国内还没有关于颗粒物污染生成机理的资料可供借鉴。一切都要从头开始。

怎样对PM2.5采样分析,团队摸索了很长时间,渐渐发现了规律:燃烧过程中总有比较容易挥发和不太容易挥发的元素,它们与颗粒物的生成息息相关,寻找到特征元素,是重要一环。徐明厚说,在与国外学者的交流中,他发现将化学领域的量化计算引入到燃烧学科,可能有极大帮助,团队随即与当时国内该领域领先的四川大学团队合作,果然取得突破。

2003年,这项科研成果在燃烧领域顶级期刊上发表,也奠定了徐明厚一往无前的方向。

“剥洋葱”溯源PM2.5

今天,人们对于PM2.5非常熟悉,但在十几年前几乎一无所知。

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。2010年以后,雾霾天气频发,学术界聚焦于更难捕捉、更细小的PM2.5。它不仅会引发雾霾,还是酸雨、全球气候变化和臭氧层破坏等问题的主要原因,而化石燃料(煤和石油)、生物质燃料的燃烧是排放大气细颗粒物的最重要来源。

“973项目第一批成果出来时,正是国内雾霾爆发的高峰期,这表明我们的工作确实有价值,也确实超前。我们必须为雾霾治理工作加快科研进度。”973项目攻关不断向前推进,研究对象从PM10逐渐转向PM2.5。

徐明厚和团队继续探索。

这是不断“剥洋葱”的过程。实验室里度过无数枯燥的日夜:排除、重来、再排除。“幸好我们团队的人比较多,大家一起共同努力,不是我一个人的功劳。”徐明厚不止一次强调。

2000年,他带着4名硕士研究生组建团队,如今团队已有十多位老师、上百名研究生。“团结的集体、战斗的集体”让这个大家庭活力十足。

从2014年起,团队赴广东一些电厂,进行采样分析和示范推广工作,研究成果首次在国内单机容量最大的1000MW燃煤机组和50MW生物质燃烧机组得到示范应用,实现了颗粒物高效脱除。业内评价,这一成果为近年来我国大气环境质量的持续改善作出了重要贡献。

“这些年,我见证了我国火电技术达到国际领先水平的历程,可以说既自豪,又深感责任重大。身为科研工作者,解决国家急需是责任,探究学术前沿是本能,我很高兴,能有幸将两者结合起来。”徐明厚说,如何耦合新能源减少煤炭使用量,如何对二氧化碳进行资源化利用,为中国实现“双碳”目标作出贡献,是他和团队继续奋斗的方向。