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科学技术部:煤炭清洁高效利用和新型节能技术专项十项研究成果助力节能降碳

2020/6/29 10:14:40       

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,以及国务院《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》、《中国制造2025》等,科技部会同有关部门组织开展了《国家重点研发计划煤炭清洁高效利用和新型节能技术专项实施方案》编制工作,在此基础上启动“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项。


“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项总体目标是控制煤炭消费总量,实施煤炭消费减量替代,降低煤炭消费比重,全面实施节能战略,进一步解决和突破制约我国煤炭清洁高效利用和新型节能技术发展的瓶颈问题,全面提升煤炭清洁高效利用和新型节能领域的工艺、系统、装备、材料、平台的自主研发能力,取得基础理论研究的重大原创性成果,突破重大关键共性技术,并实现工业应用示范。在新型节能技术方面以系统节能为切入点,以高耗能工业等重点领域关键环节为突破口,实行世界先进水平能效标准。为此设立了工业余能回收利用、工业流程及装备节能和数据中心及公共机构节能等三个技术方向。主要任务为:


工业余能回收利用方向:高温散料与液态熔渣高效热回收技术、工业含尘废气余热回收技术、低品位余能回收技术与装备研发。


工业流程及装备节能方向:流程工业系统优化协同节能技术、气体制备与全氧/富氧冶金技术、通用机电装备节能技术、工业锅炉及窑炉节能减排技术。


数据中心及公共机构节能方向:数据中心节能技术、公共机构设备及系统节能。


专项的实施业已产生一批成果。形成高含尘烟气深度余热回收技术,开发出工业余热高效压缩式热泵和高效吸收式热泵,有望培育新兴产业增长点。突破了典型流程工业工序匹配与能质协同利用等共性关键技术,创建了短流程炼铁、大宗化产反应/分离强化、冶金-建材-化工多联产等节能新工艺。解决了数据中心冷却系统驱动瓶颈问题,可应用于高效冷源设备设计、机房级、机柜级和服务器级模块化冷却系统设计,节能效果明显。


附:成果简介


一、工业余能回收利用方向


成果1:工业含尘废气余热回收技术


单位:重庆大学


成果负责人:廖强


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


冶金、化工、建材等工业高温烟气含余能量大,但具有成分复杂、含尘量高、腐蚀性强、工况变化大等特点。


项目研发了新型颗粒表层移动床技术,实现了含凝尘烟气连续化净化与余热回收;研发了换热表面处理新技术,研制了三维超大拓展表面蓄/换热耦合及烟气净化一体化元件及装置,突破了高温高含尘烟气净化与换热难以兼顾的瓶颈;开发了高温低阻陶瓷膜支撑体制备技术,突破膜材料温度使用限制瓶颈,并研发了含亚微米尘粒烟气深度净化与高效换热一体化技术。在此基础上,在河北廊坊构建了世界首套针对复杂高温含尘烟气余热回收及净化一体化试验研究中试平台,在山西太钢不锈钢股份有限公司进行了技术集成示范,针对其工况波动大、高温、高含尘烟气,余热回收率高达82.27%,净化后烟气平均含尘浓度低至3.33mg/m?。


项目技术在十多家石化、矿业、火力发电等企业运用并取得良好效果,其进一步推广有助于提高我国工业高温含尘烟气净化效率及能源利用率,对节能减排基本国策的实施具有重要作用。


成果2:低品位余能回收及网络化利用技术


单位:上海交通大学


成果负责人:王如竹


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


我国低品位余能资源丰富,将余能高效利用并入工业流程,可在供热及供冷等方面发挥巨大效力。


项目针对低品位工业余能温度低、能量密度低且分散、回收困难和利用难度大等问题,形成大温升-高效率的增量型-升温型吸收式热泵循环体系和50MW级高效吸收式热泵技术、MW级大温升高效可靠工业用压缩式热泵技术、大温升化学热泵技术、工业热泵的广谱选型方案和应用准则及冷、热、电、储、运网络化利用技术、水蒸气高温热泵技术和高密度相变储热技术,并实现技术转化,在甘肃大唐西固热电厂供暖项目、辽宁鞍钢灵山供暖改造项目、江苏扬钢特钢低温蒸汽余热回收项目和北京延庆供暖项目建立示范工程,吸收式热泵热输出>63.57MW,压缩式热泵制热量>9MW。


项目成果具有很高的经济、环境效益,西固电厂和鞍钢示范工程年节能约7万吨和4千吨标煤,年净收益约为3500万元和220万元。项目后续推广应用了6套压缩式热泵和26套吸收式热泵机组,并运用网络化利用技术指导了新加坡Sembcorp公司余热回收改造工程的优化。


成果3:高温固体散料余热回收利用集成技术


单位:西安交通大学


成果负责人:王秋旺


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


我国冶金、建材等行业每年产生45亿吨以上高温散料,余热量超过1亿吨标煤,目前高温固体散料存在难以直接取热、粒度/温度/产率宽阈度变化、热回收效率低等等瓶颈问题,亟待解决。


项目在高温固体散料余热回收方面,开发了基于颗粒掺混的散料传热强化技术,构建了实施宽粒径、宽温域、宽产率变化工业散料“分料—强化换热—分级组合高效取热”方法与工艺框架,可实现固体散料宽粒径、宽温阈和宽产率变化余热的高效回收(热回收率>70%)。在高温固体散料余热利用与示范工程建设方面,开发了具有自主知识产权的先进零泄漏、双压补气式、高转速、轴流透平,且实现了高转速双压轴流透平在国内低温余热发电领域的首次应用,建立了适用于温度、粒度、产率宽阈度变化的固体散料余热高效梯级回收利用系统示范工程。


项目将建成≥600吨/日的高温散料(粒径0.1-20mm)余热回收示范装置,完成百吨级-千吨级/日的散料余热高效回收利用装备的优化设计方法,加快实现冶金、建材行业节能减排,提升我国高温固体散料余热梯级回收及品位提升技术的国际竞争力。


成果4:高温液态熔渣余热回收及利用技术


单位:重庆大学


成果负责人:朱恂


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


冶金液体溶渣现有水淬工艺具有余热损失、水源浪费、环境污染等严重问题。目前,液态熔渣干法余热回收存在能耗高、粒化品质低、余能回收率低和系统集成难等瓶颈问题,亟待解决。


项目揭示了高温液态熔渣离心粒化机理及规律,研发了高效紧凑离心粒化及自适应调控技术;阐明了高温熔渣非稳态相变换热与物相演化耦合机制和规律,开发了兼顾物料品质与抑制磨损的渣粒移动床高效余热回收技术;实现了熔渣离心粒化-飞行沉降-渣粒余热回收全过程耦合模拟,提出了液态熔渣离心粒化与余热高效连续回收及利用系统集成技术,建立了系统设计准则,开发了具有自主产权的熔渣离心粒化及余热回收系统设计软件。在重庆江津区德感工业园建成我国首套高温熔渣离心粒化余热回收系统,最大处理量达12t/h、余热回收率达70%,渣粒玻璃体含量90-95%,达到国际领先水平。


项目成果的应用将加快实现冶金行业节能减排,促进相关技术开发和装备制造等新型节能企业的产生和发展,提升我国余能回收利用技术的国际竞争力。


二、工业流程及装备节能方向


成果5:钢铁生产流程系统优化及界面技术与装备


单位:北京科技大学


成果负责人:郭占成


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


钢铁工业是我国一次能源消费最大的产业,占全国工业部门一次能源消费总量的15%左右。多工序、连续半连续是其生产流程的特点,生产流程的系统优化及开发关键界面衔接技术和装备,对钢铁生产节能具有重要作用。


项目以首钢京唐公司钢铁生产流程为载体,应用流程工程学的原理,针对炼铁-炼钢、炼钢-连铸、连铸-轧钢区段的工序间合理匹配与动态运行优化,结合人工智能控制技术,开发了不同单元界面的能量流与物质流优化管控系统。经首钢京唐生产在线试运行1年,取得了吨钢节能25kg左右标煤结果,节能效果显著,已具有推广应用价值。


针对炼钢出钢温度与连铸中间包钢水温度的榨窗口控制与界面衔接,成功开发了中间包电磁加热技术与装备,解决了我国钢铁生产中间包电磁加热设备的空白,经生产实践应用,取得了与进口设备相比能效提高10%以上的效果,具有世界先进水平。该技术和装备为钢铁生产流程优化和单元匹配提供了重要设备。


钢铁生产流程单元界面的能量流与物质流优化管控系统及中间包电磁加热技术与装备,为我国钢铁工业节能提供了重要技术支持,以京唐公司800万吨钢产量为例,采用该技术每年可节能20万吨标煤。


成果6:工业炉窑氧气助燃高效节能技术研发与工业示范


单位:中国科学院力学研究所


成果负责人:魏小林


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


工业炉窑是流程工业中至关重要的用能装备,能耗约占我国总能耗的1/4,是化石能源消耗和环境污染的主要源头。工业炉窑普遍存在能耗高、排放大的问题,亟需研发高能效低排放关键技术。


项目从理论研究、技术开发、系统集成等方面开展深入自主研发,开发锂基分子筛变压吸附制氧技术,攻克高浓度氧气安全存储、输送、燃烧控制等难题,在山东淄博年产8万吨玻纤熔窑上成功实现了全氧燃烧。制氧系统氧气平均纯度为93.6%(最大达到96%),氧气平均流量为3287m?/h,电耗为0.37kWh/m?。目前装置已累计运行14640小时,最长连续时间达5000小时,玻纤熔窑实际年产量达到10万吨。与空气燃烧相比,玻纤炉窑全氧燃烧技术的节能率达到30%,每年可节约天然气394万m?,NOx排放减少50%,项目取得了显著的节能与环保效果。


该技术同时在水泥炉窑等方面获得应用,为工业炉窑氧气助燃与优化燃烧的共性关键技术研发与应用提供了具有自主知识产权的新方法,推动了工业炉窑节能减排的技术进步,实现了产业升级和科学发展。


成果7:高效节能气体制备关键技术及其应用


单位:浙江大学


成果负责人:邱利民


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


空气分离设备是能源、化工、冶金等战略产业的重大核心装备,研制能耗更低、可靠性更高的高效特大型空分设备成为国际工业气体领域必争的战略制高点。


项目首创多产品规格适配的空分工艺流程图谱技术,实现面向不同需求的空分流程寻优匹配,比传统空分能耗降低10%以上。建立低温流体热模实验台,为低温精馏和换热关键部机的高效、精确设计奠定基础。提出基于压缩余热的进口空气除湿-冷却耦合预处理系统,提高空分系统综合能效。开发高效分子筛模型,基于单元材料吸附能力的优化以实现分子筛切换周期的提高,降低了分子筛再生能耗。通过多模态、非线性MPC自动控制技术实现氧氮比例柔性操作和产品负荷的快速平稳切换,显著提高空分装置自动化水平。


成果在神华宁煤、新余钢铁、昊源化工等代表性应用基地进行示范,实现钢铁企业综合制氧单耗小于0.56 kWh/Nm?,煤化工企业小于0.595kWh/Nm?;氧气放散率降低2%以上。空分智能化控制技术在神华宁煤多套10万立方空分装置成功投运,持续运行超过1年,智能化运行水平优于同期国外产品。据测算,神华宁煤一套10万等级空分相比传统空分节约高压蒸汽29.7万吨/年,节省能源开支约2970万元/年。


成果8:全氧冶金高效清洁生产技术开发及示范


单位:钢铁研究总院


成果负责人:齐渊洪


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


高炉炼铁工艺存在能源消耗高,冶炼流程长,污染物排放大等问题,全氧冶金取消了钢铁企业排放最大的焦化、烧结和球团工序,从源头减少能源消耗和污染物排放,成为未来炼铁技术发展的主要方向。


项目搭建了粉矿深度自还原实验装置,优化了预还原反应器结构;开展了全氧冶炼反应器设计及高能量密度冶炼模拟研究,设计得到了全氧冶炼工业化试验反应器结构和氧气风口及氧煤喷枪结构形式;开展了低成本制氧工艺流程优化及CO2吸附剂开发,制备得到了高性能吸附剂;设计完成了粉矿-粉煤全氧冶炼示范线的总图及施工图,在四川省攀枝花市建成了年产铁水10万吨的全氧短流程冶炼试验线。示范线已完成两次全流程工业化试验,打通了工艺技术流程,铁水冶炼能耗可以减少10%-30%,污染物排放可以减少50%-80%,煤粉燃尽率≥90%,煤气CO2脱除率≥90%,达到炼铁流程高效节能。


该技术的推广应用可以降低炼铁生产能耗、提高生产效率和能源能利用效率,提升我国低碳冶金技术发展水平,为建设国际领先的低碳冶金钢铁企业提供技术支撑。


成果9:冶金、化工炉窑及系统节能减排关键技术


单位:北京科技大学


成果负责人:姜泽毅


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


我国冶金、化工行业年耗能13.8亿吨标准煤,其中90%以上能源消耗在原料煅烧、高温熔炼和坯材加热工序中,而这些工序的炉窑平均热效率不足40%,且污染排放比较严重、控制水平有待提高。


项目揭示炉窑内多物理过程耦合关系,形成加热/反应体系热质传递协同强化理论;揭示NOx、CO2、CO、粉尘等的生成规律,结合排放物资源化回收,建立多排放物协同治理策略;提出炉窑系统热力学评价与工序装备间协调匹配方法,构建绿色炉窑理论体系,形成绿色炉窑通用节能评价通则及典型炉窑绿色生产技术标准。完成了产物气载热循环和资源化回收的石灰煅烧新工艺中试实验,CO2回收率超过96%;完成了强化传递和能级匹配的电石熔炼炉工业示范,平均熔炼电耗小于2680kWh/t;完成了轧钢加热炉低氮燃烧工业实验,NOx排放浓度小于90mg/Nm?,各项指标均达到国际领先水平。


项目构建了高能效-低排放-智能型绿色炉窑理论体系,项目成果的应用将加快实现冶金、化工炉窑节能减排,为形成工业炉窑能效提升与污染减排的系统解决方案做出贡献。


三、数据中心及公共机构节能方向


成果10:数据中心多尺度自驱动两相回路冷却技术


单位:清华大学


成果负责人:张兴


所属专项:煤炭清洁高效利用和新型节能技术


成果简介


数据中心是现代社会快速发展的重要基础设施,冷却系统是制约其能效的主要环节。我国目前数据中心冷却系统多以集中式送风、机房级冷却模式为主,存在气流掺混、局部热点现象严重以及耗能高等问题,亟待解决。


本项目揭示了数据中心冷却系统吸热端、输配段和冷源端的相互影响规律,基于场协同原理建立了全局能效优化新理论和新方法;阐明了数据中心功率密度与冷却尺度之间的匹配问题,研发了适用于不同功率密度的自驱动多尺度两相回路冷却技术,开发了机房级、机柜级和服务器级模块化冷却系统,完成样机开发并实现批量生产。并基于以上技术开发了自然冷却和主动制冷联合运行的高效冷源利用设备。在中石油吉林数据中心落地应用示范,示范机房包含机房级、机柜级和服务器级的自驱动两相回路冷却系统及高效供配电系统,经测试该数据中心全年能耗比(PUE)达1.13,其中冷却能耗比(CLF)为0.12,在同样安全等级情况下,达到世界先进数据中心能效水平。


项目成果的应用将加快实现数据中心行业节能减排,有效推动我国5G、边缘计算以及大型数据中心向绿色节能方向发展,助力“新基建”的建设实施。


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