奥运会最环保的主火炬与中国氢能发展现状和未来

Lv.20 DNA

8周年🎂

“航天科技”的冬奥火炬有那些科技含量科技日报记者专访科技冬奥重点专项“冬奥会手持火炬关键技术系统”项目负责人、航天科技集团六院11所（京）热能工程（节能环保）事业部总经理宋晓峰，为大家揭秘北京冬奥会火炬“飞扬”背后的科技含量！“我们主要做液体火箭发动机，氢氧发动机尤其是我们的强项。”项目负责人宋晓峰说奥运点火仪式举行，出人意料，火炬手手中的火炬就是主火炬，这是最小的主火炬了，它搭乘一朵雪花，升起在鸟巢中央，体现了环保低碳理念。冰火相约，氢舞飞扬。中空开放的形态、纯氢燃烧零碳排放、内外飘带缠绕、碳纤维材料首次应用……所有元素统一于火炬这个光明而充满生机的意象，让人不得不称赞，“飞扬”火炬真是集“科技”与“美貌”于一身！宋晓峰：当我们看到火炬“飞扬”时，最吸引大家的应该是它绚丽的外观和惊艳的设计。火炬的“高颜值”与它动感的造型关系密切，它是由两条“飘带”组成，银白色的部分被称作外飘带，红色的部分被称作内飘带，两条飘带相互缠绕，向上飘舞，激情昂扬！很多观众第一次见“飞扬”火炬都会纳闷儿，造型上看并没有出火口，火焰是从哪里冒出来的？答案就在内外飘带的间隙里。火炬在设计时有一个浪漫的想法，火焰的造型作为火炬外形的延伸与火炬完美融合在一起。除此之外，还有一个引人注目的特点是，“飞扬”火炬采用的燃料不是传统燃料丙烷，而是氢燃料，可以说“外有颜值，内有科技”。科技日报记者：北京冬奥会火炬传递时天气严寒，各赛区不仅寒冷多风，还有可能遇到降雪天气。请问“飞扬”火炬燃烧系统是如何实现抗拒风雪的同时还能达到燃烧稳定、外形美观？宋晓峰：冬奥会与夏奥会不同，火炬工作的环境温度很低，我们选用的高压储氢方案，具有天然的低温优势，能够保证火炬在低温环境下稳定释放氢气。在延庆赛区、张家口赛区，火炬传递时的温度有可能达到-20摄氏度甚至更低。为保证火炬传递万无一失，设计之初我们就提出在极限低温-40摄氏度时火炬燃料依旧能稳定燃烧的要求，这是合金储氢方案、丙烷燃料方案所无法很好适应的。高压储氢虽然工艺难度更大，但是我们在研发过程中做了大量实验，将极易飘逸、极易扩散、极易泄露的氢燃料“驯服”在储气瓶内，实现了氢燃料在燃烧过程中的安全释放，最终保证氢燃料在低温环境下稳定燃烧。而且，“飞扬”火炬的外形曲面复杂，火焰造型作为火炬外形的延伸，被强加了很多限制，我们提出采用曲面格栅结构作为稳焰措施，既兼顾了外形设计师的创意，又达到稳定燃烧的目的。大量可靠性测试显示，高压储氢方案不但能够保证火炬在100公里/小时的风速、50毫米/小时的雨雪天气下保持稳定燃烧（即能抗10级大风），而且火焰的飘动性、飘逸性也能得到完美体现。科技日报记者：氢燃料的使用有一个“显而易见”的弊端，强光照射下火炬的火焰是“透明”的，这将严重影响火炬传递的观感。请问团队是如何成功为火焰“上色”，又通过哪些设计与技术手段保障火炬燃料的安全性？宋晓峰：的确，氢火焰在阳光照射状态下，火焰是透明的，我们只能看到热气流的折射现象。为了给火焰加颜色，团队费了很多周折。我们选择焰色反应作为实现火焰颜色改变的技术手段。焰色反应的原理是“电子跃迁”的能量以光的形式释放出来，这个过程是物理过程，不是化学过程，不会有新的物质产生，也不会导致环境的污染，这与我们利用清洁能源的愿景是一致的。完成这个“变魔术”般的物理过程，需要两个前提。第一，寻找一种合适的焰色反应剂配方，能够实现较为明显的焰色改变，使火焰呈现黄色；第二，探索更为合适的反应剂加载方式，能够使反应的加载工艺便利、易于实现，抗雨水冲刷能力。我们测试了大量的碱金属配方，最终将注意力集中在以钠盐为基础的配方上，实现了通过焰色明亮、加载工艺简单、抗雨水冲刷能力好的焰色改变技术。手持火炬的安全性由储氢装置安全性、氢密封能力、火炬整体安全性三个维度组成。火炬的氢燃料放置在一个小气瓶中，因为结构受限，一定要做到高压，不然氢气储存量不足，火炬燃烧的时间就达不到要求。为此，团队专门制定了针对性的企业标准，并通过国家评标委评审。按照标准规定严格执行了水压试验、爆破试验、疲劳试验、火烧试验等十余项测试，以保证储氢装置的安全性。而且，氢气难以进行密封，我们团队在氢密封方面做了大量工作，能够保证瓶口阀的氢泄漏率≤0.2mg/h（即每小时小于0.2毫克），这意味着即使在一个相对较小的空间内，氢气的爆炸浓度也达不到它的爆炸极限，如此低的泄漏率给火炬的安全存放和运输提供了保障。此外，火炬整体安全如何考量？答案是，在综合环境模拟试验平台进行实验测试，包括低温、风、雨雪、高海拔等使用环境的测试，也包含跌落、倒置、大幅轮转等安全性测试。所有测试通过，才能确保冬奥会手持火炬安全可靠。科技日报记者：手持火炬的个头不大，存放燃料的空间更加有限，请问我们在内部设计中，是如何保障燃料够用？宋晓峰：火炬外形设计力求“苗条”，这极大地压缩了内部燃料的储存空间，需要整个燃烧系统全面改进。初次的匹配结果让团队很有压力，燃料储存的空间根本不能满足燃烧5分钟的有效传递时间。怎么办？我们燃烧系统团队的工程师放弃假期、加班加点迭代图纸，不放过任何1mm的尺寸缩减，最终我们突破此前设计的极限，把燃烧系统的总体尺寸缩减了1/3，为完成匹配打下基础。科技日报记者：据了解，飞扬火炬的外壳是用碳纤维与树脂形成的复合材料制作而成，也是世界首创。为什么要选择这种材料制作火炬，它给火炬带来了哪些优越性？为什么碳纤维材料的火炬外壳不惧高温？宋晓峰：密度只有钢的1/4，强度却是钢的6至7倍，轻而强是碳纤维最大的特点。中国氢能发展现状和未来我国是世界第一产氢大国，具有丰富的氢源基础，能够为燃料电池汽车的发展提供保障；同时由于我国正处于能源转型关键期，对减碳也作出了庄严承诺：将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右；采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。