書科研正氣 引學術先鋒
發表時間 2018-03-20 09:54 來源 本站原創

  導語:任何國家和地區的發展都離不開能源。我國既是一個能源生產大國,同時又是一個能源消費大國,在國家的工業發展中離不開對能源的開發和利用。而煤炭在我國的一次性能源生產和消費結構中長期占據了三分之二以上的比例。因此,如何有效利用煤炭能源,同時減少其燃燒所帶來的污染,保護生態環境,實現清潔技術的應用,已成為有志科學家為之不懈努力的方向。中國工程院院士、清華大學的岳光溪教授,長期從事循環床燃燒、污染控制和煤氣化方面的研究和技術開發,是國內外聞名遐邇的清潔煤技術專家,在清潔煤利用領域為國家做出了開創性的貢獻,為行業的發展開辟了一條先鋒道路。

  逆境中成長

  岳光溪院士1945年10月出生在北京,談及自己,他笑稱:“我是個合格的中學畢業生,不合格的大學畢業生,沒有任何研究生學位。清華還能夠容我在這兒工作,為我提供很好的工作條件,讓我能夠長期從事感興趣的科研,并作出點成果來。真的非常感謝清華大學的包容性。”

  因為勤奮好學,1958年小學畢業即考入當時的名校-北京男四中,1964年,岳光溪又順利考入清華大學動力農機系。清華園里濃郁的學術氛圍為他營造了良好的成長條件,然而,剛剛完成兩年基礎課學習即趕上文化大革命,中斷了學業。在本該畢業的1970年又因對四人幫的不滿言論被打成“反革命學生”。扣在學校勞改三年后,1973年給“分配”到山西最貧窮的呂梁地區嵐縣。

  回憶當年,岳光溪將這段經歷稱為自己“青年期的第一次大沖擊”。但是,逆境沒有令他絕望,他的第一個工作是在一個離縣城20里的普明鎮任高中教師。文革期間,大學停止招生,看到貧苦的農民孩子只能畢業后回家務農,岳光溪在擔任了多門自然科學學科教學之外,專們自編教材給學生開了農用機電課。用岳光溪自己的話說“這些孩子哪怕不能進大學必須回村里,也要做個有知識的農民,當個拖拉機手或農村電工都行”。四十年后岳光溪返回山西嵐縣參加了這個高中班的聚會,看到這個班多數成為干部甚至大學教師等等,感慨萬千。同時這個班級也為有一個院士做過他們的教師而引以為傲。當年岳光溪教學生農用機電這件事引起縣工業部門的注意,誤以為岳光溪是學電氣專業的。因此他任教一年多又被調入嵐縣電機廠做技術員。當時的嵐縣電機廠主業是農用變壓器和電機的修理。因為缺乏基本技術知識,農用變壓器和電機修一個燒毀一個。陷于資不抵債的地步。在那段日子里,他通過自學,很快掌握了電機學及相關知識,不僅適應徹底解決了電器修理的技術的規范化,而且“為電機廠開發了高壓電機硬線圈備件產品”,使這個偏僻山溝里的電機廠扭虧為盈,當年就成為地方效益最好的國企。多年后,岳光溪回憶這段經歷說“我一個北京城里長大的學生,如果沒去山西的山溝里,永遠不懂得什么是中國,不懂什么是中國的農民。也不懂得自己”

  1978年四人幫倒臺,國家撥亂反正。岳光溪在政治上得以平反。清華大學為解決專業基礎課師資缺乏問題,在1979年組織專業基礎課師資班,從1969屆以后的三屆畢業生中招收學員,進修學習二年,補充師資。岳光溪得以在四取一的嚴酷競爭中再次考回清華大學,就讀“熱力學與傳熱學進修班”。

  “那是專門給清華熱能系培養師資的,也是我當時能回北京的唯一機會。1200多名原清華畢業生僅錄取314人,競爭相當激烈。”,“畢業后也僅僅批準了兩個學員留校。”岳光溪回憶。他成為當時留校的兩人之一,畢業后留在清華熱能系熱工學教研組。

  岳老謙遜地說:“實際上,我之前沒有學到什么專業知識,兜了一大圈又回到原來的專業,大都靠進了教研組后自學。”因為熱工學教研組的方向是專業基礎課,他認為自己“學歷不高”,但是曾在企業工作多年,所以希望能夠更多地從事應用研究。恰逢在鍋爐教研組從事流化床研究的張緒祎教授交給他一個課題。岳光溪出色地完成了課題研究。最終在1995年轉入鍋爐教研組,即現在的熱能工程教研組任職。

  “任何事情都是一分為二的。當初的經歷也許算是壞事,我與同屆留校的同學在業務上差了11年。但如果不經歷這么多事,我反而不易理解如何做科研。從這個意義而言,我反而是因禍得福了。”岳光溪豁達地表示。他決心“以自學和接觸工業實際兩條路作突破口,追趕失掉的11年”。

  1987年,岳光溪幸運的被選派出國,到麻省理工學院進修深造,進入了心目中的學術殿堂。師從美國工程院院士-Adel Sarofim和國際燃燒領域的世界名師Janos Beer,在化工系的從事流化床燃燒反應動力學的研究。良好的學習與研究環境激發了岳光溪如饑似渴的學習熱情。一個月就通讀了一本英文的書籍:《非均相反應器設計》,進入角色。第二個月完成了首個流化床試驗臺設計與搭建,四個月完成了全部實驗。他說“外國人總認為中國人缺乏動手能力,其實我看他們差的遠”。看到岳光溪的能力,他的導師把岳光溪當成他們的助手,每當他們的研究生遇到問題,就指派岳光溪協助這個研究生,不出一周必定解決問題。以致Adele Sarofim教授讓岳光溪一再延期回國,并承諾為其辦理美國綠卡。直至1990年,清華大學副校長倪維斗院士來MIT與Adele Sarofim協商,讓岳光溪盡早返回了中國。三年的留學經歷,打開了岳光溪的學術和人生眼界,也看到了中美之間的差距。

  奮發圖強 為國家需要而戰

  回國后,岳光溪對比發達資本主義國家和中國的研發機制,認識到任何一個國家的大學教育,科研機構的核心目標主要都是為本國的發展服務的。而一個國家的研發機制是為適應該國家的經濟水平和管理結構而形成的,并根據經濟水平和管理結構的演變不斷調整的。

  工程應用科研,與基礎研究有很大的區別。真正的基礎科研目的是發現為什么,而并不關心研究結果的可用性,屬于人類為探求認識大自然的活動,得到的知識屬于全世界。應用科研則是有明確應用目的的研究活動,主要是為了本國工業進步的。有時工程科研也需要探索為什么,但僅僅是尋求更合理的工程問題解決方案。在發達國家工程科研的主力是公司,企業。大專院校,科研機構承擔的往往是基礎研究或者工程開發的前端理論研究。而我國由于正處于工業化階段,多數企業和公司沒有應用研發能力。因此科研單位和大專院校,不得不,也必須承擔行業的產品研究和發展任務。這就是說我國的科研單位和大學主要是國內本領域的公用R&D部門。這是中國在工業化階段的必然結果。在很長一段時間內,我國的大學和科研機構必須將主要力量投入到中國急需解決的工業技術問題。少數人從事服務于人類對未知世界的認識這類基礎研究問題。

  岳光溪選擇了清潔煤技術應用科研領域作為研究方向,也拉開了為清潔煤技術長達三十年奮斗歷程的帷幕。有鑒于此,岳光溪教授領導的科研團隊一直努力尋求一條符合國情的研究發展道路:第一,在中國現有條件下,對工程開發人員有比國外更高的要求。一個成功的工程科研帶頭人必須具備商業頭腦,能看到本領域的長項市場需求,以確定科研方向。他又必須具備工程人員素質和經驗,能夠判斷創新思想的工程可實現性。最后才是具備科學家的敏銳眼光,能夠找到解決技術問題的關鍵。第二,充分認識產品研發是個大的系統工程,理解科研,產品設計,樣機使用信息反饋的研發全過程中各個角色的作用。科研的帶頭人還必須善于組織產學研的大團隊,在完成大學老師所應做的前端理論研究同時還要去鏈接和組織制造企業,用戶完成產品的試制,示范,完善化,乃至最終形成產業化。

  1993年,岳光溪接替退休的張緒禕教授擔任了科研團隊的負責人,自此后岳光溪在三十余年的歲月里始終奮斗在潔凈煤技術研發的第一線。連續參加、主持了國家“七五”到“十二五”關于循環流化床燃燒技術的攻關任務,長期從事循環流化床燃燒,污染控制方面的研究和技術開發。岳光溪正是以厚積薄發的精神,在這個領域腳踏實地的奮斗多年,在循環流化床的研究與開發方面取得了世界水平的成果。得到了國內外的肯定,并于2009年當選為中國工程院院士。

  突破創新 創世界一流技術

  中國是燃煤大國,一次能源70%以上來自煤炭,而且這個局面在相當長的歷史階段無法改變。我國大量燃煤引發的粉塵和氣體污染物(主要是二氧化硫和氮氧化物)已經造成了嚴重的問題,因此解決劣質煤燃燒利用和燃煤污染控制的問題已經十分迫切。而循環流化床燃燒恰是解決這兩個問題的關鍵所在。

  循環流化床燃燒技術是上個世紀70年代出現的新型低污染燃煤技術。由于國外公司的強大開發能力,很快形成了多種半成熟的技術流派。而我國盡管同步開始研發,但是失敗多于成功。中國政府試圖購買國外的循環流化床設計技術遭到拒絕。有鑒于此,岳光溪帶領的科研團隊下決心將循環流化床的設計理論拿到手,從根本上建立中國自己的循環流化床燃燒裝置開發基礎問題。

  歷經20余年努力,他們在本世紀初,通過實踐-理論研究-實踐的反復,對循環流化床的氣固兩相流,燃燒,傳熱,污染控制諸方面對傳統認識做了全面的修正,提出了系列核心創新觀點形成了我國獨立的循環流化床燃燒理論體系。

  尤為重要的是,岳光溪教授將新的理論體系推向應用,形成了循環流化床鍋爐設計體系。新的設計體系的核心是他提出的“定態設計”的概念和他給出的循環化床流態設計選擇“圖譜”。簡單的講“定態設計”指的是循環流化床燃燒鍋爐不同于傳統煤燃燒裝置,而是一種氣固兩相流的化工反應器,所以設計一個循環流化床鍋爐首先要確定一個正確的氣固兩相流的流化狀態作為鍋爐設計的基準。進一步岳光溪又給出一個確定循環流化床鍋爐流化狀態的指導圖譜作為工具或導圖。該三坐標的流化狀態圖譜標識了循環床鍋爐流化狀態可選擇區域和世界所有循環床技術在圖譜中的位置。揭示了某些國外技術在中國條件下不適應的根本原因。進而優化出一個性能優異、適合中國條件的流態設計區域。從而使循環床流態設計從必然王國進入自由王國。相關論文在國際會議上發表時引起了轟動。國外循環流化床鍋爐公司的負責人感嘆“參加會議的多數人不明白這個圖譜的重要性”。

  而后的十余年,中國大多數鍋爐廠接受了岳教授提出的設計理論,完成了從75t/h中壓到1000t/h亞臨界多個容量國產循環床研發任務,并實現了產業化,已運行數百臺。燃料涵蓋了中國主要煤種。帶來百億以上的產值。運行的鍋爐為我國減排氮氧化物,二氧化硫做出了巨大貢獻。他還為國內多家循環床發電廠提供了技術指導。他的設計理論同樣在對國外循環床鍋爐技術改造中也得到驗證。例如:對中石化引進的2×220t/h燃用油頁巖循環床所作的燃料更換技改方案研究,在世界沒有先例的情況下,他應用“定態設計”概念,提出了簡單改造方案,否定了國外公司的更換鍋爐建議,挽回了4000萬美元的重大經濟損失。另外哈爾濱鍋爐廠根據他的循環床流態圖譜對引進德國EVT循環床技術進行流態優化,成功完成了燃用福建無煙煤的4×135MW循環床項目,拓展了EVT技術的煤種使用范圍,實現了技術國產化。

  他實現了中國第一次循環床設計技術出口(日本IHI公司),IHI采用清華技術在日本設計制造了多臺循環流化床鍋爐,建立了良好的聲譽。岳光溪無償為國內許多企業解決了技術難題,并被公認為在循環床燃燒技術方面最有經驗的專家。

  “國外的循環流化床燃燒設計理論基本是經驗性的,實際上從基礎理論到設計方法,他們并沒有完全掌握。”岳光溪說,“我們的這套理論體系是完全獨立的循環流化床燃燒理論,研究清楚了循環流化床鍋爐設計背后的道理,揭示了國外技術的缺陷和不適應中國條件的根本原因,使循環流化床鍋爐設計從純經驗方式轉向了理論指導方式。”

  岳教授表示,在像清潔煤技術這樣一個傳統的研究領域,想創新就必須站在前人的肩膀上,要對前人的東西有非常深入和直接的認識,“創新需要一個漫長的掌握別人東西的過程”。岳光溪始終強調,面向應用的科研要抓住市場需求,找到能夠長期做下去的研究領域,這樣才能獲得持久的支持,使研究者能夠形成完整的認識過程,繼而去創新。

  在岳光溪院士帶領下,中國的循環流化床技術在世界的位置從學生走向老師的引領地位。 2009年,國際流化床燃燒會議在中國召開,由于岳光溪在循環床理論與實踐方面取得的成果,他被選為大會主席。同年,他被選為中國工程院院士。

  放眼未來推動團隊走向世界領先

  岳光溪院士說:“有句話我記了一輩子,也讓我跟外國人賭了20年。”他說的是在上世紀90年代初期,中國循環流化床技術處于幼稚期。芬蘭奧斯龍公司的循環流化床技術比較先進,曾向中國出售了幾臺循環流化床鍋爐。中國一直想引進他們的技術,卻被一句玩笑話“只賣蘋果不賣樹”予以回絕。這句話深深地刺痛了岳光溪教授,為此他潛心于循環流化床技術研究,他說:“我就不信我們‘種不出自己的蘋果樹來!”潛心奮斗20余載,用實際行動研發了適合中國自己的煤種條件的循環流化床鍋爐產品。

  這里不得不提到岳光溪院士引領我國開發的世界最大容量超臨界參數循環流化床鍋爐發電示范工程是如何實現超越的。2000年,在承擔執行國家十五科技攻關“135MW再熱循環流化床鍋爐方案設計”時,岳光溪即向科技部提出應當開展超臨界循環流化床燃煤電站鍋爐的前瞻性研究。當時世界范圍僅有四篇文章提到過這個概念,用于提高循環流化床鍋爐的發電效率。但是沒有做任何有價值的研究。經科技部同意,岳光溪指導自己的第一個在職博士呂俊復(后來成為科研團隊下一代帶頭人)做了中國第一個關于超臨界循環流化床鍋爐可能性的博士論文。論文的結論證實超臨界水循環有可能與循環流化床燃燒結合。進而岳光溪力推呂俊復擔綱2003年的863項目,研究超臨界循環流化床鍋爐的難點和關鍵技術何在。到2005年,國家認識到超臨界循環流化床燃煤發電對我國的清潔煤利用的重要性,科技部和發改委同時立項實現世界最大容量最高發電效率的600MW超臨界循環流化床發電示范工程。岳光溪支持年輕的呂俊復教授全面負責項目。到2013年這個示范工程投運。運行參數全面超過設計值。性能遠高于國外同期開發的波蘭460MW超臨界循環流化床鍋爐。而且超臨界循環流化床技術在中國全面開花,并走向世界。2017年該成果榮獲國家科技進步一等獎。岳光溪院士欣慰的說“這個獎是對我國所有從事循環流化床的研究,技術開發所有工程技術人員多年奮斗,走到世界領先的肯定。榮譽是屬于所有人的。”岳光溪院士僅把自己排在獲獎人的最后一名。他認為盡管自己在指引研究方向上做了貢獻,但更重要的是真正在第一線實現突破的年輕人。的確,他的學生呂俊復在超臨界水動力學與燃燒的結合方面走的更遠。而呂俊復教授也進而運用了從開發超臨界循環流化床鍋爐得到的心得,獨立開發了可直接利用廢水的油田注汽循環流化床鍋爐,在新疆克拉瑪依油田得到大規模推廣應用,并獲得了省部級科技進步一等獎。

  “技術開發的過程,就是從理論到實踐,再從實踐到理論,來回反復,逐步提高。”這是岳光溪最常說的一句話。數十載的科研生涯,讓他積累了豐富的經驗,歷經風雨的磨礪也讓他充滿信心,“盡管現在我們已經走到世界前列,但我還有更大雄心——我們要絕對領先。”

  我國大量燃煤引發的污染引起了國家高度重視。近年提出了世界最嚴格的燃煤污染排放標準。傳統循環流化床燃煤技術已經達不到新的所謂超低排放標準。而沿用煤粉燃燒尾部煙氣污染控制技術所付出的代價及二次污染是我國中小熱電和供熱循環流化床鍋爐無法承受的。岳光溪院士帶領團隊的年輕教師面對這個新挑戰,回頭重新認識岳光溪院士提出的循環流化床定態設計理論。發現循環流化床流態三維圖譜仍然有潛力可以挖掘。2007年,通過改變圖譜的縱軸-物料循環量可以實現降低廠用電,提高燃燒效率。這個發現形成了基于流態重構節能型循環流化床鍋爐的新產品。進而又發現改變圖譜第三軸-循環物料粒度的設置,可以實現鍋爐在燃燒過程中就可以實現氮氧化物和二氧化硫同時達到超低排放標準。并與太原鍋爐廠合作開發出世界從來沒有的超低排放循環流化床鍋爐產品,正好解決了我國大量燃煤熱電廠和供熱廠污染控制的市場需求。太原鍋爐廠依此技術,產值直線上升到20億,成為山西省少數的明星企業。而該技術的消息傳到國外,引起了學術界的震動。他們說這是對循環流化床燃燒理論認知上的突破。岳光溪院士也榮獲了國際循環流化床及流態化技術成就獎。

  他的另外一個博士生張建勝教授,在2000年畢業留校進入他的科研團隊之際,岳光溪建議他轉向國內正在開展的煤氣化技術開發領域。張建勝欣然接受了岳光溪的建議,從零開始研究煤氣化基本反應動力學和氣化爐的基本工程經驗。得到結論是煤氣化反應與燃燒領域的欠氧燃燒基本相同。因此我們搞燃燒的完全有信心進入煤氣化這個領域。通過市場和國外技術的調研,選取了當時相對技術成熟度比較高的高壓純氧水煤漿氣流床氣化技術作為入門,并與當時的山西豐喜肥業(后來歸屬到陽煤集團)開始的長達17年的合作,技術開發研究。先后開發了三代清華氣化爐技術。這些技術分別克服了國外德士古水煤漿氣化爐霧化噴嘴壽命短,煤種適應性窄,內部絕熱耐火磚壽命短,熱效率低的缺點,取得了關鍵技術突破。在國內外市場迅速得到推廣。成為國內知名的技術流派。在國際會議上曾在德士古工作的專家感嘆自己從事德士古水煤漿氣化技術研究和改進多年也沒有想到清華煤氣化技術的改進思路。岳光溪院士的結論很簡單,外方專家僅專注于煤氣化技術自身,從來沒有想到應借鑒燃燒領域豐富經驗。岳光溪認為,清華煤氣化三代技術的快速形成,一方面是得益于將燃燒領域的經驗引進煤氣化爐,另一得益于研究起步就堅持了科研團隊產學研結合的傳統。

  岳光溪院士常說,在高校作科研,尤其是工科,必須走一條產學研結合的道路。研究者不到第一線去,不親自操作,永遠得不到真知。他表示:“潔凈煤技術對我們國家非常重要,我也很喜歡干這個,所以還會在這個領域繼續做下去。”讓他倍感欣慰的是,課題組的年輕人也已成長起來,為我們國家清潔煤技術事業的明天帶來了無限生機和希望。

  岳光溪,研究員,博士生導師,清華大學熱能工程系教授,中國工程院院士,太原理工大學雙聘任院士。帶領科研團隊在循環流化床和煤氣化方面得到中國專利四十余項,合作發表文章300余篇,培養博士30名、碩士70名。2009年起擔任第20屆國際流化床燃燒會議主席,2010年擔任國際能源組織IEA-CFB的中方代表。相關科研成果先后于2004年獲教育部科技進步一等獎;2006年獲國家科技進步二等獎;2008年獲中國工程院第七屆光華工程獎;2009年獲中國石油和化工學會科技進步一等獎,同年獲教育部科技進步一等獎。2011年獲國際循環流化床及流態化技術成就獎。2017年榮獲國家科技進步一等獎。

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