为北京冬奥会保驾护航的化工科技

　　北京时间2021年10月18日下午，2022北京冬奥会圣火采集仪式在希腊古奥林匹亚赫拉神庙遗址前举行。10月20日上午，冬奥会火种空运抵达北京。在北京奥林匹克塔举行的冬奥会火种欢迎仪式上，引火棒从火种灯引火点燃北京冬奥会火炬，为期100多天的2022北京冬奥会火种展示活动正式开启。
　　2022北京冬奥会是我国举办的重大标志性活动，既是展现冰雪运动跨越式发展的赛场，也是显示我国科学技术实力的舞台。而技术赋能的科技冬奥离不开化工科技。氢燃料、碳纤维、丙烷燃料、可回收铝合金材料、氨制冷、二氧化碳直冷制冰、气凝胶保温材料各种先进的化工技术产品纷纷登场亮相。
　　零碳氢燃料和轻便碳纤维制成的火炬飞扬
　　由碳纤维制成的北京冬奥会火炬飞扬成为举世瞩目的焦点。
　　火炬飞扬由火炬外壳和燃烧装置组成。
　　北京冬奥组委文化活动部副部长王向豫表示，火炬使用氢燃料，火炬燃烧时碳排放为零，体现出绿色办奥理念和科技冬奥成果。除了环保属性，还考虑到冬奥会火炬接力需要在低温环境中进行，氢燃料的特性保证了火炬能在极寒天气中使用。
　　据参与研发的中国航天科技集团高级工程师韩宗捷介绍，火炬研制过程中还解决了火焰颜色与稳定性、高压储氢、氢能安全利用等多项技术难题，可抗风10级并在极寒天气中使用，减压比高达几百倍。
　　飞扬的另一大技术亮点是火炬外壳采用了重量轻的耐高温碳纤维材料，火炬燃烧罐也以碳纤维材质为主。碳纤维专家、中石化上海石化股份公司副总经理黄翔宇介绍道，火炬外壳由碳纤维及其复合材料制造而成，呈现出轻、固、美的特点。轻，碳纤维复合材料与同体积的铝合金比，轻了20以上。固，这一材料具有高强度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、耐紫外线辐射等特点。美，应用了具有国际先进水平的三维立体编织成型技术，将高性能纤维编织成目前这样具有复杂形状的优美整体。
　　据悉，高校、科研院所和科创企业协同努力，攻克了一系列难题，解决了碳纤维复合材料在极端条件下的应用瓶颈，实现了火炬外壳在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用，破解了火炬外壳在1000摄氏度高温制备过程中的起泡、开裂等难题。
　　丙烷燃料和可回收铝合金保障的火种灯
　　火种灯不仅有深厚的人文内涵和文化底蕴，也被赋予了很多高科技手段。据北京冬奥会火炬设计者李剑叶介绍，火种灯的功能是能够保证火种在各个不同的地点之间运输，而且必须保证不熄灭。
　　火种灯设计团队成员洪文明说，器具设计上用了一些科技手段，前提是以保安全、稳定为主，另外尝试应用了一些环保科技。火种灯采用了双层的结构设计，在内外灯罩之间设计了一个导流通道，导流通道能够在风吹时产生正压和负压，达到有效泄压的作用，减小风力对火种灯火焰的影响，保障在5至6级风速下火焰不熄灭。其次，火种灯设计了一个比较有效的气体补充通道，能够让火焰的高度适中并充分燃烧不产生黑烟和异味，保持火种灯清洁、透亮。洪文明说。
　　据了解，火种灯的这种双层结构是首创，但带来的问题是，火种燃烧初期废气是上升的，如果风自上向下吹，会让二氧化碳在腔体内沉积，导致火焰缺氧熄灭。研发团队利用双层结构，将空间自上向下全部打通，上面有气压产生时，腔体内的二氧化碳废气可以从侧壁空间排出去。
　　谈到环保，洪文明介绍说：火种灯和火种盆的材质都采用了可回收的铝合金。火种盆顶部用了环保的水性陶瓷涂料，这种涂料耐火、无烟、无毒。火种燃料是丙烷气体，燃烧后产生的二氧化碳和水属于清洁燃料。可以这么说，我们的研发是以减碳为目标去做的。
　　国家跳台滑雪中心
　　混凝土基础和氨制冷剂铺就的赛道
　　国家雪车雪橇中心位于北京2022冬奥会延庆赛区西南侧，是冬奥会中设计难度最高、施工难度最大、施工工艺最为复杂的新建比赛场馆之一。建成后，它将成为国内唯一一条雪车雪橇赛道，也是亚洲第三条、全球第十七条雪车雪橇赛道。赛道垂直落差121米，长度1975米，设置16个弯道及世界上独具特色的360度回旋弯道，是世界唯一建设在阳坡的赛道。
　　自2018年中冶上海宝冶北京分公司承建国家雪车雪橇中心项目以来，项目团队成功研制完成高强度、高性能的赛道专用喷射混凝土并自行完成喷射任务，填补了国内空白；采用氨制冷系统和赛道制冰修冰技术，快速安装近12万米制冷蒸发管道，开启国内首创。
　　国家雪车雪橇中心采用制冷效率高、绿色环保的自然工质氨直接蒸发制冷系统，可将制冷剂液氨安全稳定地输送到整个赛道管系中，利用液氨高效的蒸发吸热特性，不停降低赛道温度达到制冰前置条件。该设计难度和施工难度极高，国际同类项目赛道一次充氨量约4070吨，国家雪车雪橇中心一次充氨量约80吨。
　　去年11月9日，国际奥委会在官网发布消息，北京冬奥会的雪车雪橇场地认证成功。
　　国家速滑馆
　　二氧化碳直冷制冰武装的速滑馆冰丝带
　　冬奥会唯一新建的冰上竞赛场馆国家速滑馆冰丝带去年12月建成完工。该馆在2008年北京夏季奥运会临时比赛场馆曲棍球场原址新建。国家速滑馆冰丝带的名称恰如其分地体现了其亮丽造型。特别是在白色穹顶之下，一块1。2万平方米的巨大冰面令人叹为观止。这座宏大的室内冰场，是北京冬奥会速度滑冰的比赛场地。
　　室内冰场因为制冰和维持低温的需要，能源消耗巨大。而国家速滑馆作为全球第一座使用二氧化碳跨临界直冷制冰系统的速度滑冰馆，成为全球同类型室内冰场在节能和环保方面的典范，为奥运会树立了绿色新标杆。
　　据国家速滑馆制冰系统设计负责人马进介绍，采用环保性和安全性最佳的二氧化碳取代传统对环境负面影响较大的冷媒氟利昂，其破坏臭氧层潜能值为0，全球变暖潜能值为1，无异味、不可燃、不助燃，是可持续性最好的冷媒之一。与传统制冷系统比，能效提升2030以上。
　　高速滑冰项目对冰面的稳定性要求很高。温度高的冰面过软，减缓运动员的速度，温度低的冰面过硬蹬不住冰，容易打滑阻碍滑行。二氧化碳制冰温度恒定，每一寸冰面的温差不超0。5摄氏度，最大限度降低意外因素的影响，保证比赛的公平性与安全性。
　　二氧化碳跨临界直冷制冰技术是当前国际上冬季运动场馆最先进、最环保、最高效的制冰技术之一。除了国家速滑馆之外，首都体育馆、五棵松体育馆、首钢园等场馆共计7块冰面均使用了二氧化碳跨临界直冷制冰技术。
　　二氧化碳跨临界直冷制冰技术还可实现制冰过程中的余热全部回收利用。余热通过冷热联供一体化设计进行回收利用，用于场馆的热水、浇冰、除湿等场景。例如，国家速滑馆将场馆制冷产生的余热用于运动员生活热水、融冰池融冰、冰面维护浇冰等，一年可节省200万度电。首都体育馆利用二氧化碳制冰所产生的热源，每年可以节省100多万度电，极大地提升了场馆的绿色属性。
　　为了节能、环保和高效利用，国家速滑馆在设计时还考虑到了冰面的分区管理问题。传统上，速度滑冰馆的巨大冰面很难做到高效利用，一旦制冰就必须对整块冰面进行制冰。国家速滑馆在设计时就将冰面分成了6个区域，可以分区制冰和分区使用。
　　新能源和氢燃料驱动的汽车
　　福田新能源汽车和氢燃料大巴将用于运动员和服务人员的接驳。和夏季奥运会相比，北京冬奥会不仅考验福田电动客车与氢燃料的环保技术，也从极端气候等因素上对福田汽车新能源和氢燃料产品技术提出了更高要求。
　　资料显示，此次北京冬奥会场地最低气温可达零下20度，对三电技术有着极高要求，同时对氢燃料电池技术正常运转提出了新的命题。为了保障此次任务完成，福田汽车在动力电池快速加热技术等三电技术上实现了自有、自研、自制，实现低温情况下保障电池充放电，同时应用10年30万公里的电驱动总成模块耐用技术，彻底解决极端天气下电动客车的使用问题。
　　对于赛事期间的低温运营环境，福田汽车早有应对之策。氢燃料电池客车采用人机工程学中央操控台配置，可实现至少零下30摄氏度低温启动、零下40摄氏度低温存放和停机自动保护。福田全气候纯电动客车早在2019年便顺利通过车辆低温启动试验、车辆低温行驶试验、车辆爬坡试验等多项高寒测试。
　　同时，福田氢燃料电池客车实现零排放，发动机产物仅为电、热、水；使用高效便捷动力电池新型热管理技术、共享式电池热管理及整车一体化热管理系统，提高电池启动性能、降低能量耗散的同时实现单车减重35千克；使用世界领先干膜技术燃料电池及氢电碰撞多重耦合技术，单次加氢仅需1015分钟、保障续航里程达400公里以上。
　　初步估算，由于冬奥会场馆到驻地距离较远，同时为保障车内温度，电动大巴与氢燃料大巴每天电池续航需求平均达到150公里。按照12米传统动力城间客车百公里油耗18升左右计算，一台新能源大巴车每天减少二氧化碳排放67。5公斤。
　　气溶胶监测和气凝胶保温的辅助系统
　　据北京市中关村科学城管委会产业促进二处处长何建吾介绍，在首都体育馆、五棵松体育馆应用了气溶胶新冠病毒监测系统，将智能显示场馆、酒店内的空气中是否含有新冠病毒。
　　为减少服务人员的数量，提升工作效率与准确性，机器人将为北京冬奥会服务。消毒机器人可以取代人工，智能化完成相关场所的消杀。户外巡查机器人可以实现异常情形识别、智慧安全防卫管理、人员口罩识别、重点区域管理等。
　　在往届冬奥会中，曾因为现场寒冷引来不少抱怨。国家重点研发计划科技冬奥重点专项课题赛道环境营造及观赛环境保障技术研究团队研发的成果，在寒冷环境下能够将人体体感温度提升1015摄氏度，为冬奥会赛事期间现场观众和工作人员提供热舒适保障。课题负责人清华大学建筑学院副教授曹彬及其团队开展了一系列基础研究和设备研发。在热舒适保障措施的设计上，研究人员一方面注重应用新型功能材料，包括气凝胶保温隔热材料、柔性石墨烯发热材料、金属氧化物半导体发热材料等；另一方面，考虑观赛区的实际场景和观众的观赛行为，对热舒适保障措施的形式进行了创新设计。研究团队开发出兼具防风、保温和加热效果的高性能防寒加热服，在外衣整体保温性能提升的基础上进行再升级，对人体部位提供持续稳定的局部加热。
　　化工科技令即将到来的北京冬奥会更加炫目。