煤炭被人们称为是黑色的金子,是人类的主要能源之一。煤炭不仅牵动着经济的发展,而且由于煤炭能源与其他能源相比,是一种蕴藏量十分丰富的能源,同时具备价格相对低廉、性质稳定的特点,可以说是很多国家都用得起的能源,因此煤炭能源在大部分国家的能源结构中有着不可替代的地位。

任何事物都具有矛盾性,煤炭也不例外。虽然煤炭对人类社会发展以及经济发展有着重要的推动作用,但在煤炭的开采、运输乃至燃烧过程中会产生很多的环境污染问题。燃烧煤炭时,煤炭会排放很多废气,漫天灰尘,煤炭中的固体颗粒物会散发到空气里,导致空气质量变差,空气污染非常严重,也给环境带来了很大的压力。同时,煤炭燃烧排放的固体悬浮物还会损害人的身体健康,有些颗粒物还是空气中有害气体的催化剂,能够加剧酸雨的形成和危害。居民在烧煤炉子的时候,也可能会因为煤炭燃烧不充分而吸入一氧化碳中毒。

因此,如何走好煤炭产业的绿色发展之路成为人们以及社会关注的重点。其中,来自西安科技大学的许涛老师,十余年来为探究煤炭能源绿色化辗转各地求索,先后主持了澳大利亚褐煤创新组织研究项目、加拿大Cestoil公司研究项目、澳大利亚同步辐射加速器研究项目等,还参与了澳大利亚同步辐射加速器研究项目、国家原“863”计划、国家自然科学基金面上项目、湖北省自然科学基金重点项目等相关科研课题十余项。目前担任美国化工学会高级会员、国际燃烧学会会员、国际石油工程学会会员、澳大利亚工程师协会会员,为我国煤炭绿色新发展的转型之路作出了巨大的贡献。

漫漫“绿色”探究路

自19世纪第一次工业革命以来,煤炭能源便与人类社会发展以及文明进步紧紧地“绑”在了一起。有了煤炭的助力,工业得到迅速发展,人类文明也进入了一个新阶段。经过百年的发展,人类社会的工业文明已经高度发达,社会物质资源得到了极大丰富。但环境污染问题也随之出现,从上世纪五十年代英国伦敦烟雾污染事件开始,人们开始逐渐认识到煤炭不仅是经济与文明发展的“助推剂”,也是环境的一大“杀手”。在走向生态文明的过程中,绿色发展作为生态文明建设的模式,成为引领人类社会发展方式变革的方向。

本世纪初,空气污染成为我国环境污染的主要问题。许多科学家们为寻求经济生产与环境保护的平衡做了许多探索与研究。年轻的许涛受此鼓励,内心暗暗下定决心要通过自己的努力,为能源的绿色发展之路做一点力所能及的贡献。

于是,高考结束后,许涛选择报考华中科技大学的环境工程专业。也是在此,许涛正式踏入了绿色能源的探索之路。在华中科技大学求学期间,许涛对专业学习始终饱含热忱,最终获得了华中科技大学环境工程专业的学士和硕士学位。

从华中科技大学毕业之后,许涛先后来到多伦多、墨尔本在能源化工和洁净技术领域进行深造探究。之后许涛在加拿大Cestoil化学公司、澳大利亚莫纳什大学致力于能源热化学转化研究,成功解决热解与气化过程的反应机制、演化机理、迁移特性等项目难题,获得了澳大利亚BCIA优秀奖励,并成功入选澳大利亚Postgraduate ﻪPublication Award。许涛对于绿色能源高效利用的研究成果受到国际广泛关注,得到了美国、英国、日本等国家和地区的同行专家的肯定。

许涛主要的研究成果是通过热转化技术,来实现能源的清洁化以及达到高效利用的效果。热转化技术就是在加热条件下,用化学手段将物质转化成热能和生物燃料的技术。可分为直接燃烧、气化、热解和直接液化四种技术,可获得热量、可燃性气体、多元醇等化合物。针对能源部分,许涛介绍到:“通过该技术可以将含碳燃料,包括煤炭、生物质、塑料等,通过加热转化成相关的燃气,如甲烷、一氧化碳、氢气等,或转化为相关的燃料液体,如汽油等。在此基础上,还可以通过深加工转化为化工产品,如二甲醚、塑料乙烯、己二腈及其他可替代能源等。”

许涛在攻克了许多能源热转化技术的难题后,将目光放在了热转化技术与生物质燃料的结合制造绿色清洁燃料,以及低阶煤的深加工,通过使用热转化技术实现煤气供热这两大问题上。

热转化技术与煤炭的巧妙结合

低阶煤,也就是煤化程度低的矿产煤。作为低阶煤的一种,介于泥炭与沥青煤之间的褐煤(柴煤),由于含有较高的水分,并且易挥发,因此在空气中,它极易风化碎裂,且燃度较低。这种不稳定的物理性质极大限制了褐煤在生产生活中的应用。

许涛在澳大利亚深造期间,在其莫纳什大学导师的引导下便开接触并探索褐煤的清洁利用路径。经过大量的研究,许涛得出“低阶煤的利用与转化,就是将褐煤通过热化学过程如气化,转化为更高价值的清洁能源”这一结果,于是他着眼于在高温条件下褐煤的气流床气化特性,以及褐煤颗粒运动模式、温度、反应气浓度和停留时间对碳转化率、合成气产量和组成的影响。

确定研究思路之后,许涛从研究高温气流床的气化过程入手,通过对比中国、澳大利亚、美国等世界三大主流褐煤的气流床煤粉气化特性,发现3个国家的褐煤在相同的高温条件下都能达到很高的碳转化率,同时分许出了3个国家褐煤所释放气体浓度上的不同。这项研究为能适应不同国家煤种的商业化气化系统的国际化通用提供了有利依据。

其次,许涛在研究过程中发现低阶煤里的无机矿物质主要在1000℃～1400℃的高温条件下发生转变反应,这揭示了气流床褐煤热解与气化过程中,无机矿物质的转化反应途径与颗粒物化特性的变迁规律。此外,为了深入理解煤热解过程,提高褐煤的利用效率。许涛以官能团为切入点,利用同步加速器原位红外色谱,以此研究低阶煤热解过程中官能团的迁移释放规律。

通过这些研究,许涛为褐煤的绿色应用发展做出了巨大贡献,也为其他类型的煤炭资源的绿色应用与发展提供了借鉴之处。

“冷热法”制煤油

富油煤是指焦油产率的分级在7%～12%的煤炭。它是一种公认的特殊煤炭资源。我国富油煤资源主要集中在陕西、新疆、内蒙古等地,将其直接作为燃料非常可惜,有效价值未得到高效利用。因此,开发清洁高效的富油煤制油技术具有重要社会经济意义,也是我国能源战略安全的重要保障。

回国后,许涛不忘为国家能源绿色发展献力的初心,聚焦我国煤炭能源现状,通过调查研究发现当前我国存在煤制油技术存在产物收率低、焦油品质差、系统易堵塞等问题。为此,许涛将研究重点定位在低阶煤绿色分质加工与转化的技术研究上,同时探索碳基能源创新利用,重点优化反应历程,开展西部煤炭深度利用的基础与应用基础研究。

针对煤制油问题,许涛带领其团队创新化工方法,提出将低温冷冻技术应用于煤制油领域,并与超高速热解技术相结合,也就是同时将现有最大加热速度即闪速加热提高一个数量级至超高速加热,以此达到煤制油的高效开发效果。

其次,许涛还聚焦于煤制油的前沿问题,他认为清洁高效的富油煤制油技术的开发具有巨大的社会经济效益,也是我国能源战略安全的重要保障。因此,许涛着力于富油煤解聚提油的创新性研究,实现煤炭的低碳高效利用与转化。在研究过程中,许涛以西部富油煤为实验对象,在确定了温度和加热速度对低温煤一次热解反应与二次气相反应的影响机制下,建立了低温煤闪速热解反应动力学模型,为我国煤炭清洁高效利用做出了新发展。

绿水青山就是金山银山。经济在发展,社会在变化,唯有不变的就是“环境保护”的主题与原则。许涛不忘初心,求学探索十余载,将自己的所学全部回报于能源绿色发展事业,为我国的煤炭资源的开发利用做出了贡献。他也将继续为此而奋斗下去!

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