钢铁行业作为国民经济的重要基础产业,同时也是煤炭消耗第二大用户和高能耗行业,年耗煤6.2亿吨。目前我国钢铁产量居世界第一,其中2017年我国钢铁产量8.3亿吨,约占世界钢产量的50%,年排CO2 ?20亿吨、CO 8亿立方米、NOx ?104万吨、烟尘357万吨,污染减排压力巨大。2016年11月,工信部出台《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》,明确提出到“十三五”末,钢铁行业以降低能源消耗、减少污染物排放为目标,全面实施节能减排升级改造,构建钢铁制造与社会和谐发展新格局。2018年,国务院提出打赢蓝天保卫战,是党的十九大作出的重大决策部署,事关国民经济高质量发展的大事。
多年来,中国科学院力学研究所“洁净燃烧与余热利用”创新团队正致力于攻关炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术。
洁净燃烧与热能利用创新团队合照(中国科学院力学研究所主楼)
一、高水平多学科的人才团队
中国科学院力学研究所“洁净燃烧与余热利用”创新团队成立于2006年,主要从事燃料洁净燃烧、热能高效利用、高压富氧燃烧三个方向的基础研究与技术研发。团队依托中国科学院力学研究所“高温气体动力学国家重点实验室”,在吴承康院士指导下,经过10余年的工作积累,形成了20多人的科研团队,其中研究员2人、副研究员3人。
以魏小林研究员作为学术带头人,李森、李腾、宾峰、潘利生、李博、葛逸飞、赵京、姚远等为主要研究骨干。魏小林研究员于1995年在西安交通大学能源与动力工程学院获博士学位后,进入中国科学院力学研究所作博士后,留所至今。2000年获得德国洪堡基金会资助,在斯图加特大学工作两年。魏小林一直从事固体燃料洁净燃烧与工业炉窑节能减排方面的研究与开发工作,2006年负责国家863目标导向类课题,针对冶金余热间歇性、多尘性和爆炸性等共性问题,研发了关键技术并应用于示范工程,目前在此领域负责中国科学院A类战略性先导科技专项课题;在水泥炉窑节能减排方面,他作为项目负责人承担一项国家重点研发计划项目。他深入研究了固体燃料中氯、碱金属的释放以及燃烧污染物的生成,2017年起负责相关的国家自然科学基金重点项目。他发表期刊论文达170篇(英文论文70篇),授权专利40项;获国家教委科技进步奖二等奖和三等奖等,近年来入选中科院王宽诚率先人才计划(产研人才)、中国科学院特聘研究员,获得国务院政府特殊津贴。
目前,力学所“洁净燃烧与余热利用” ?创新团队已形成以洁净燃烧与余热利用为研究优势和特色、以重大(重要)研究项目为支撑、以国家重点实验室为研究平台,年龄结构合理、多学科交叉融合的长期稳定团队。团队一直致力于洁净燃烧与余热利用理论基础及应用的研究,承担了国家863计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点/面上项目、中科院重大科研装备研制项目、中科院A类战略性先导科技专项课题等几十项,取得了一系列在国内外具有影响力的研究成果,产生了重要的经济和社会效益。创新团队授权专利40余项,发表论文约200篇。同时,通过项目合作,与西安交通大学、华中科技大学、南京工业大学、中国科学院工程热物理研究所等科研院所,以及国电南瑞科技股份有限公司、上海环境集团股份有限公司、中信重工机械股份有限公司、烟台龙源电力技术股份有限公司、中国电力国际发展有限公司等央企形成了紧密的合作研究关系。
二、高能效低排放的研发创新
依托中国科学院战略性先导科技专项“变革性洁净能源关键技术与示范”项目,瞄准节约能源和保护环境的紧迫需求,力学所“洁净燃烧与余热利用”创新团队从基础理论研究、关键技术开发和工程技术集成等方面开展系统深入的技术研发创新与工程应用。
2016年,创新团队承担国家重点研发计划“水泥炉窑的高能效低排放关键技术研发与工业示范”。基于节点计算法,建立了一种工业炉窑物质流与能量流匹配的数学模型,获得了典型工业炉窑不同部位的能量收支情况,安装了工业炉窑节能管控平台。他们研究了富氧燃烧对窑内温度的影响,证明水泥窑内煤粉富氧燃烧可以明显提高窑内火焰温度及窑内整体温度,并完成了1100 ?Nm3/h富氧煅烧系统的设计和现场安装工作;提出水泥分解炉C5出口炉外喷氨脱硝方案以及分解炉下锥体喷氨脱硝方案并实施了现场改造,研发了水泥分解炉三次风煤粉气化炉并实现了现场示范;建立离子液体吸收解吸CO2实验平台,开展了[APMim][NTf2]离子液体吸收/解吸CO2特性实验。2018年9月底,该项目顺利通过了科技部高技术研究发展中心组织的项目中期检查。
2019年,承担中国科学院A类战略性先导科技专项课题“炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术”。针对转炉煤气间歇性、易爆性、多尘性等难题,创新团队提出研究炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术。他们通过间歇性煤气高效低氮燃烧技术研发,建立煤气生成预测模型,研发高效洁净燃烧技术,实现间歇性煤气前后段高效燃烧NOx超低排放;通过放散煤气自持催化燃烧技术,研发转炉放散煤气自持催化燃烧系统及其连续运行的控制策略,实现转炉放散煤气CO近零排放;通过转炉煤气全干法显热稳定高效利用技术,建立全干法显热利用设计方法,研发动态参数复杂变化显热回收技术。目前,该项目正在进行现场示范工程的调试运行。
三、高预期强效果的经济社会效益
技术创新,不是从纸面到纸面的著书立说,不是单纯地研制先进的测绘仪器,也不能仅仅满足于填补国内空白,更重要的是研制成果必须转化为现实生产力。魏小林带领的研究团队在取得丰硕研究成果的同时,还完成了理论研究向应用实践的转化,该团队中不少创新技术已投入工程应用。2013年7月建成国内首座转炉余热蒸汽拖动2.24MW除尘风机示范工程,截至目前,该示范工程已连续稳定运行近6年。2018年9月在金刚(集团)白山水泥有限公司3200t/d水泥熟料生产线进行工业示范,完成了节能管控平台、富氧煅烧系统、分解炉SNCR与煤粉气化脱硝技术改造等,实现了水泥炉窑的高能效、低排放。
一系列应用实践带来了显著的经济效益。我国80%的钢来自于转炉炼钢,大型转炉有800-1000座。通常的转炉煤气处理采用OG法或LT法,即喷水/水雾降温,浪费了800-900℃以下的煤气显热。团队研发转炉煤气全干法除尘技术,取消喷水/水雾工艺,煤气显热利用率由50%提升至80%以上,通过催化燃烧等方式,CO达到近零排放和NOx超低排放,大大减少烟气处理的费用。
同时,新技术带来的社会效益也十分瞩目。研究团队推动具有自主知识产权的炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术的发展,为我国钢铁行业全面实施节能减排升级改造及进一步提升提供了理论指导和技术支撑,对深入践行《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》,推进节能减排,实现打赢蓝天保卫战国家战略具有重大意义。
钢铁生产的技术进步必须与环境协调发展,为提高炼钢能源绿色高效转换、实现钢铁冶炼无污染和超低排放,发展转炉煤气高效洁净燃烧节能革新技术已成为必然趋势。力学所“洁净燃烧与余热利用”团队的研究创新对我国钢铁工业产业升级转型提供突破性关键革新技术,将对实现打赢蓝天保卫战国家战略作出贡献。
