許濤：能源綠色蝶變進(jìn)行時

劉玉杰

生于江蘇江陰，輾轉(zhuǎn)武漢、多倫多、墨爾本，為實現(xiàn)能源的“變綠”，在能源化工和潔凈技術(shù)領(lǐng)域孜孜以求綠色高效發(fā)展之路;

在加拿大Cestoil化學(xué)公司、澳大利亞莫納什大學(xué)致力于能源熱化學(xué)轉(zhuǎn)化研究，為熱解與氣化過程的反應(yīng)機(jī)制、演化機(jī)理、遷移特性尋找密碼;

獲得澳大利亞BCIA優(yōu)秀獎勵，成功入選澳大利亞Postgraduate Publication Award（PPA獎勵），其研究成果受到國際廣泛關(guān)注，多項成果受到美國、英國、韓國、日本等國家和地區(qū)的同行專家肯定。

他就是許濤，就職于西安科技大學(xué)，目前擔(dān)任美國化工學(xué)會高級會員、國際燃燒學(xué)會會員、國際石油工程學(xué)會會員、澳大利亞工程師協(xié)會會員。十余年來輾轉(zhuǎn)各地求索，許濤只為圓一個能源綠色化的夢，如今，他把這個夢想安放在了祖國的大地上。

結(jié)緣環(huán)境工程

許濤與環(huán)境打交道，始于21世紀(jì)初。那時候，他在華中科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)攻讀學(xué)士和碩士學(xué)位。選擇環(huán)境工程，他的想法是“到祖國最需要的地方做點有意義的事”。

21世紀(jì)初，中國處于高速發(fā)展期。但是，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式帶來的生態(tài)問題越來越嚴(yán)重。高耗能、高污染，不僅消耗了大量的能源和資源，而且給經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在走向生態(tài)文明的過程中，綠色發(fā)展作為生態(tài)文明建設(shè)的模式，成為引領(lǐng)人類社會發(fā)展方式變革的方向。

許濤希望通過自己所學(xué)，為能源變綠作一點力所能及的貢獻(xiàn)。所以，在高考志愿填報書上，他堅定地選擇了環(huán)境工程專業(yè)。從此，許濤走上了綠色能源的探索之路?！熬G色發(fā)展在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域表現(xiàn)為綠色經(jīng)濟(jì)。它的一個重要特征，就是資源與環(huán)境是生產(chǎn)力發(fā)展的要素，必須把自然資源的價值和污染治理、生態(tài)恢復(fù)的成本納入GDP和國民財富核算。同時，綠色發(fā)展也不能單純追求生態(tài)而付出其他方面的極大代價，應(yīng)該實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的有機(jī)統(tǒng)一?！痹S濤娓娓道來。

在具體研究過程中，許濤的著力點是通過熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，實現(xiàn)能源的清潔、高效利用。許濤介紹：“這一技術(shù)，將含碳燃料，包括煤炭、生物質(zhì)、塑料等，通過加熱轉(zhuǎn)化成相關(guān)的燃?xì)?，如甲烷、一氧化碳、氫氣等，或轉(zhuǎn)化為相關(guān)的燃料液體，如汽油等。在此基礎(chǔ)上，還可以通過深加工轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品，如二甲醚、塑料乙烯、己二腈及其他可替代能源等?！痹谶@一領(lǐng)域，許濤的研究主攻方向：一是在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域關(guān)注生物質(zhì)燃料，如秸稈、鋸屑等，研究如何將其轉(zhuǎn)化為清潔燃料和高價值的化學(xué)品;二是低階煤的深加工，如制油等。許濤舉例說，“煤氣供熱，就是利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，把煤炭轉(zhuǎn)化成富含一氧化碳和甲烷的燃?xì)?。含碳燃料，如生物質(zhì)、固廢、秸稈等，利用熱化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成燃?xì)?、化學(xué)品、油品等，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的綠色利用”。

十多年來，許濤輾轉(zhuǎn)中國、加拿大、澳大利亞等地，在世界知名大學(xué)實驗室致力于煤與生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化研究，主持了澳大利亞褐煤創(chuàng)新組織研究項目、加拿大Cestoil公司研究項目、澳大利亞同步輻射加速器研究項目等，還參與了澳大利亞同步輻射加速器研究項目、國家原“863”計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目、湖北省自然科學(xué)基金重點項目等相關(guān)科研課題十余項，他在一線積累的扎實經(jīng)驗為后期厚積薄發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。

深耕熱轉(zhuǎn)化技術(shù)

褐煤，又名柴煤，是煤化程度低的礦產(chǎn)煤。它介于泥炭與瀝青煤之間，水分高達(dá)15%～60%，揮發(fā)成分大于40%，含游離腐植酸。在空氣中，它極易風(fēng)化碎裂，燃點低至270℃左右，儲存超過兩個月就易發(fā)火自燃。因此，它的市場利用程度很有限。

辯證統(tǒng)一是事物的特性。褐煤也不例外。在澳大利亞維多利亞州，褐煤資源極其豐富。為了解決單純?nèi)紵l(fā)電帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題，維多利亞成立了褐煤創(chuàng)新研究中心。許濤在澳大利亞所做的事，就是跟隨莫納什大學(xué)的導(dǎo)師，為褐煤的清潔利用尋找可持續(xù)發(fā)展路徑。

“低階煤的利用與轉(zhuǎn)化，就是將褐煤通過熱化學(xué)過程如氣化，轉(zhuǎn)化為更高價值的清潔能源”，許濤喜歡用極簡方式講述他的研究。在莫納什大學(xué)化工系研究期間，許濤正是遵循這樣一條路徑進(jìn)行探索的。他將研究重點定位在1000℃～1400℃條件下褐煤的氣流床氣化特性，尤其是顆粒運(yùn)動模式、溫度、反應(yīng)氣濃度和停留時間對碳轉(zhuǎn)化率、合成氣產(chǎn)量和組成的影響。

氣化過程是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化最關(guān)鍵的過程之一。許濤從研究高溫氣流床的氣化過程入手，研究褐煤的綠色利用。他設(shè)計了比較的方法：通過對比兩種不同的氣化方式，許濤首次定量分析出氣流床氣化過程中各化學(xué)反應(yīng)對最終氣化產(chǎn)物與氣化效率的具體貢獻(xiàn);通過對比中國、澳大利亞、美國等世界三大主流褐煤的氣流床煤粉氣化特性，發(fā)現(xiàn)3個國家的褐煤在1200℃都能達(dá)到很高的碳轉(zhuǎn)化率，澳大利亞褐煤在氣化過程中釋放了最少的HCN、NH3和H2S，而美國與中國褐煤分別釋放了最多的NH3和H2S。這項研究為中國、美國與澳大利亞褐煤的大型工業(yè)化氣化生產(chǎn)提供了有用數(shù)據(jù)，也為設(shè)計國際通用化，尤其是能適應(yīng)不同國家煤種的商業(yè)化氣化系統(tǒng)提供了有利依據(jù)。

第二項重點研究是低階煤熱解與氣化過程中無機(jī)礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)變與顆粒物化特性的變化?！斑@涉及對氣流床氣化過程中無機(jī)物反應(yīng)規(guī)律的理解，”許濤解釋，“對了解褐煤礦物質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化過程具有重要價值?！毖芯窟^程中，許濤對不同溫度下熱解與氣化產(chǎn)生的固體產(chǎn)物進(jìn)行了定性與定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低階煤里的無機(jī)礦物質(zhì)主要在1000℃～1400℃的高溫條件下發(fā)生轉(zhuǎn)變反應(yīng)，揭示了氣流床褐煤熱解與氣化過程中，無機(jī)礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)途徑與顆粒物化特性的變遷規(guī)律。這一研究成果，得到了美國肯塔基大學(xué)應(yīng)用能源研究中心教授的充分肯定。

此外，為了深入理解煤熱解過程，提高褐煤的利用效率。許濤還選擇官能團(tuán)進(jìn)行解剖式研究?！肮倌軋F(tuán)是決定有機(jī)化合物化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán)，對有機(jī)物的性質(zhì)起決定作用。”許濤認(rèn)為在熱解過程中，官能團(tuán)起重要作用。他利用同步加速器原位紅外色譜，研究低階煤熱解過程中官能團(tuán)的遷移釋放規(guī)律。澳大利亞技術(shù)與工程學(xué)院院士Ranjith Pathegama Gamage教授在Fuel期刊上對許濤的研究成果高度認(rèn)同，指出其“為分析檢測熱解過程提供了新方法和新工具，也為熱解過程的研究提供了新思路”。

通過褐煤的綠色發(fā)展研究，許濤在煤炭綠色轉(zhuǎn)化技術(shù)的仿真模擬、實驗測試以及理論研究等方面做了大量艱苦的工作?！八鉀Q了煤基氣流床熱解和氣化研究中的相關(guān)難題，特別是對煤基氣流床氣化的化工過程和熱解機(jī)理方面有較大的突破和創(chuàng)新，”多位煤化工專家如是說，“其研究成果對于實現(xiàn)煤炭資源的高效清潔深度開發(fā)具有重要理論和現(xiàn)實意義，為提高煤基替代能力提供了科技支撐?！?/p>

挖礦“富油煤”

能源是現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動力。但是，中國的石油對外依存度卻超過70%，成為全球最大的石油進(jìn)口國。如何改變這一局面？

“推進(jìn)煤炭清潔、高效利用，提升油氣自給能力，是一條可持續(xù)發(fā)展之路”，計劃回國后，許濤就開始聚焦國家發(fā)展需要，將自己的研究目標(biāo)定位到“優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展清潔、低碳能源，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系”。通過調(diào)查研究，許濤看到“相對于中國豐富的煤炭資源，發(fā)展高效低碳的煤制油技術(shù)是煤炭清潔利用和能源安全戰(zhàn)略的重要方向。但是，當(dāng)前煤制油技術(shù)存在產(chǎn)物收率低、焦油品質(zhì)差、系統(tǒng)易堵塞等問題”。因此，他希望從豐富的煤炭資源中找到能源可持續(xù)發(fā)展的綠色之路。

說干就干。2019年，許濤回國發(fā)展。他選擇到礦業(yè)工程、采礦工程、供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程等領(lǐng)域具有優(yōu)勢的西安科技大學(xué)能源學(xué)院，將研究重點定位在低階煤綠色分質(zhì)加工與轉(zhuǎn)化的技術(shù)研究上，重點關(guān)注富油煤熱解制油和碳基材料高效轉(zhuǎn)化相關(guān)的C-H鍵和C-O鍵的催化活化及C-C偶聯(lián)等反應(yīng);同時探索碳基能源創(chuàng)新利用，重點優(yōu)化反應(yīng)歷程，開展西部煤炭深度利用的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

在研究過程中，許濤帶領(lǐng)團(tuán)隊創(chuàng)新化工方法，“反彈琵琶”，將與“熱轉(zhuǎn)化技術(shù)”相對的“超低溫冷凍技術(shù)”應(yīng)用于煤制油領(lǐng)域，同時將現(xiàn)有最大加熱速度即閃速加熱提高一個數(shù)量級至超高速加熱，提出“超低溫冷凍+超高速熱解”煤制油新方法，服務(wù)于能源領(lǐng)域的發(fā)展。

富油煤在許濤看來，是提升油氣自給能力的富礦。“我國西部鄂爾多斯盆地富油煤資源豐富，已查明的富油煤儲量就達(dá)6500多億噸，”許濤說，“根據(jù)煤田地質(zhì)學(xué)的定義，焦油產(chǎn)率大于7%的煤炭為富油煤。如果能將豐富的富油煤高效轉(zhuǎn)化為液體燃料，將實現(xiàn)中國石油的完全自給，重塑全球能源格局。”中國工程院院士王雙明非常支持許濤的觀點，他說：“富油煤不僅是煤，更是煤基的油氣資源。若在煤炭熱解技術(shù)和規(guī)模化發(fā)展上取得突破，西部地區(qū)豐富的煤炭資源可替代1～2個大油田。”

許濤算了一筆賬，“按富油煤10%的煤制油轉(zhuǎn)化率和當(dāng)前中國7億噸/年的石油消耗量計算，富油煤將滿足中國90多年的石油需求”。許濤堅信，開發(fā)清潔高效的富油煤制油技術(shù)具有重要社會經(jīng)濟(jì)意義，也是我國能源戰(zhàn)略安全的重要保障。因此，他聚焦煤制油的前沿問題，針對西部富油煤清潔高效利用的重大需求，重點開展富油煤解聚提油創(chuàng)新性研究，為煤炭的低碳高效利用與轉(zhuǎn)化提供獨特的解決方案。

許濤以西部富油煤為實驗對象，采用真空低溫冷凍技術(shù)預(yù)處理+閃速熱解的煤制油新方法，研究不同冷凍溫度和冷凍速度下煤物理-化學(xué)-分子結(jié)構(gòu)特性演化，分析煤真空冷凍預(yù)處理后熱解性能與熱解產(chǎn)物的演變，確定溫度和加熱速度對低溫煤一次熱解反應(yīng)與二次氣相反應(yīng)的影響機(jī)制，建立低溫煤閃速熱解反應(yīng)動力學(xué)模型，為煤炭清潔高效利用提供新途徑。

解決“卡脖子”技術(shù)的同時，許濤堅持科研與教學(xué)兩條腿走路，他知道，未來的科技發(fā)展要靠人才。在本科生和研究生的教學(xué)過程中，他關(guān)注新方向、新動態(tài)，為同學(xué)們引進(jìn)國外最新權(quán)威教材，同步國際能源類學(xué)科最近研究進(jìn)展，拓寬能源學(xué)院在礦業(yè)工程學(xué)科的科研領(lǐng)域，增強(qiáng)行業(yè)影響力，為綠色能源發(fā)展培養(yǎng)后備人才。

思路清晰、思維活躍、創(chuàng)新力強(qiáng)，是許濤的科研伙伴對他最深的印象;刻苦鉆研、團(tuán)結(jié)互助、尊師愛生，是許濤的老師、學(xué)生深愛他的理由。多年來，奮戰(zhàn)在綠色環(huán)保一線，許濤的夢想是“綠水青山”。作為能源化工和潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域的科研新星，他一直踐行的，就是“祖國哪里需要我，我就到哪里”。

為能源變綠護(hù)航，征途漫長，許濤整裝再出發(fā)……