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科學技術部:煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項十項研究成果助力節能降碳

所屬分類:行業動態    發布時間: 2020-06-29    作者:admin
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科學技術部:煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項十項研究成果助力節能降碳
發布人:網絡    瀏覽: 26   發布時間: 2020-06-28   稿件來源:網絡

       依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》,以及國務院《能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》、《中國制造2025》等,科技部會同有關部門組織開展了《國家重點研發計劃煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項實施方案》編制工作,在此基礎上啟動“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項。

“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項總體目標是控制煤炭消費總量,實施煤炭消費減量替代,降低煤炭消費比重,全面實施節能戰略,進一步解決和突破制約我國煤炭清潔高效利用和新型節能技術發展的瓶頸問題,全面提升煤炭清潔高效利用和新型節能領域的工藝、系統、裝備、材料、平臺的自主研發能力,取得基礎理論研究的重大原創性成果,突破重大關鍵共性技術,并實現工業應用示范。在新型節能技術方面以系統節能為切入點,以高耗能工業等重點領域關鍵環節為突破口,實行世界**水平能效標準。為此設立了工業余能回收利用、工業流程及裝備節能和數據中心及公共機構節能等三個技術方向。主要任務為:

工業余能回收利用方向:高溫散料與液態熔渣高效熱回收技術、工業含塵廢氣余熱回收技術、低品位余能回收技術與裝備研發。

工業流程及裝備節能方向:流程工業系統優化協同節能技術、氣體制備與全氧/富氧冶金技術、通用機電裝備節能技術、工業鍋爐及窯爐節能減排技術。

數據中心及公共機構節能方向:數據中心節能技術、公共機構設備及系統節能。

專項的實施業已產生一批成果。形成高含塵煙氣深度余熱回收技術,開發出工業余熱高效壓縮式熱泵和高效吸收式熱泵,有望培育新興產業增長點。突破了典型流程工業工序匹配與能質協同利用等共性關鍵技術,創建了短流程煉鐵、大宗化產反應/分離強化、冶金-建材-化工多聯產等節能新工藝。解決了數據中心冷卻系統驅動瓶頸問題,可應用于高效冷源設備設計、機房級、機柜級和服務器級模塊化冷卻系統設計,節能效果明顯。

附:成果簡介

一、工業余能回收利用方向

成果1:工業含塵廢氣余熱回收技術

單位:重慶大學

成果負責人:廖強

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       冶金、化工、建材等工業高溫煙氣含余能量大,但具有成分復雜、含塵量高、腐蝕性強、工況變化大等特點。

項目研發了新型顆粒表層移動床技術,實現了含凝塵煙氣連續化凈化與余熱回收;研發了換熱表面處理新技術,研制了三維超大拓展表面蓄/換熱耦合及煙氣凈化一體化元件及裝置,突破了高溫高含塵煙氣凈化與換熱難以兼顧的瓶頸;開發了高溫低阻陶瓷膜支撐體制備技術,突破膜材料溫度使用限制瓶頸,并研發了含亞微米塵粒煙氣深度凈化與高效換熱一體化技術。在此基礎上,在河北廊坊構建了世界首套針對復雜高溫含塵煙氣余熱回收及凈化一體化試驗研究中試平臺,在山西太鋼不銹鋼股份有限公司進行了技術集成示范,針對其工況波動大、高溫、高含塵煙氣,余熱回收率高達82.27%,凈化后煙氣平均含塵濃度低至3.33mg/m3。

項目技術在十多家石化、礦業、火力發電等企業運用并取得良好效果,其進一步推廣有助于提高我國工業高溫含塵煙氣凈化效率及能源利用率,對節能減排基本國策的實施具有重要作用。


成果2:低品位余能回收及網絡化利用技術

單位:上海交通大學

成果負責人:王如竹

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       我國低品位余能資源豐富,將余能高效利用并入工業流程,可在供熱及供冷等方面發揮巨大效力。

項目針對低品位工業余能溫度低、能量密度低且分散、回收困難和利用難度大等問題,形成大溫升-高效率的增量型-升溫型吸收式熱泵循環體系和50MW級高效吸收式熱泵技術、MW級大溫升高效可靠工業用壓縮式熱泵技術、大溫升化學熱泵技術、工業熱泵的廣譜選型方案和應用準則及冷、熱、電、儲、運網絡化利用技術、水蒸氣高溫熱泵技術和高密度相變儲熱技術,并實現技術轉化,在甘肅大唐西固熱電廠供暖項目、遼寧鞍鋼靈山供暖改造項目、江蘇揚鋼特鋼低溫蒸汽余熱回收項目和北京延慶供暖項目建立示范工程,吸收式熱泵熱輸出>63.57MW,壓縮式熱泵制熱量>9MW。

項目成果具有很高的經濟、環境效益,西固電廠和鞍鋼示范工程年節能約7萬噸和4千噸標煤,年凈收益約為3500萬元和220萬元。項目后續推廣應用了6套壓縮式熱泵和26套吸收式熱泵機組,并運用網絡化利用技術指導了新加坡Sembcorp公司余熱回收改造工程的優化。


成果3:高溫固體散料余熱回收利用集成技術

單位:西安交通大學

成果負責人:王秋旺

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       我國冶金、建材等行業每年產生45億噸以上高溫散料,余熱量超過1億噸標煤,目前高溫固體散料存在難以直接取熱、粒度/溫度/產率寬閾度變化、熱回收效率低等等瓶頸問題,亟待解決。

項目在高溫固體散料余熱回收方面,開發了基于顆粒摻混的散料傳熱強化技術,構建了實施寬粒徑、寬溫域、寬產率變化工業散料“分料—強化換熱—分級組合高效取熱”方法與工藝框架,可實現固體散料寬粒徑、寬溫閾和寬產率變化余熱的高效回收(熱回收率>70%)。在高溫固體散料余熱利用與示范工程建設方面,開發了具有自主知識產權的**零泄漏、雙壓補氣式、高轉速、軸流透平,且實現了高轉速雙壓軸流透平在國內低溫余熱發電領域的..應用,建立了適用于溫度、粒度、產率寬閾度變化的固體散料余熱高效梯級回收利用系統示范工程。

項目將建成≥600噸/日的高溫散料(粒徑0.1-20mm)余熱回收示范裝置,完成百噸級-千噸級/日的散料余熱高效回收利用裝備的優化設計方法,加快實現冶金、建材行業節能減排,提升我國高溫固體散料余熱梯級回收及品位提升技術的國際競爭力。


成果4:高溫液態熔渣余熱回收及利用技術

單位:重慶大學

成果負責人:朱恂

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       冶金液體溶渣現有水淬工藝具有余熱損失、水源浪費、環境污染等嚴重問題。目前,液態熔渣干法余熱回收存在能耗高、?;焚|低、余能回收率低和系統集成難等瓶頸問題,亟待解決。

項目揭示了高溫液態熔渣離心?;瘷C理及規律,研發了高效緊湊離心?;白赃m應調控技術;闡明了高溫熔渣非穩態相變換熱與物相演化耦合機制和規律,開發了兼顧物料品質與抑制磨損的渣粒移動床高效余熱回收技術;實現了熔渣離心?;?飛行沉降-渣粒余熱回收全過程耦合模擬,提出了液態熔渣離心?;c余熱高效連續回收及利用系統集成技術,建立了系統設計準則,開發了具有自主產權的熔渣離心?;坝酂峄厥障到y設計軟件。在重慶江津區德感工業園建成我國首套高溫熔渣離心?;酂峄厥障到y,.大處理量達12t/h、余熱回收率達70%,渣粒玻璃體含量90-95%,達到國際..水平。

項目成果的應用將加快實現冶金行業節能減排,促進相關技術開發和裝備制造等新型節能企業的產生和發展,提升我國余能回收利用技術的國際競爭力。


二、工業流程及裝備節能方向

成果5:鋼鐵生產流程系統優化及界面技術與裝備

單位:北京科技大學

成果負責人:郭占成

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

      鋼鐵工業是我國一次能源消費.大的產業,占全國工業部門一次能源消費總量的15%左右。多工序、連續半連續是其生產流程的特點,生產流程的系統優化及開發關鍵界面銜接技術和裝備,對鋼鐵生產節能具有重要作用。

項目以首鋼京唐公司鋼鐵生產流程為載體,應用流程工程學的原理,針對煉鐵-煉鋼、煉鋼-連鑄、連鑄-軋鋼區段的工序間合理匹配與動態運行優化,結合人工智能控制技術,開發了不同單元界面的能量流與物質流優化管控系統。經首鋼京唐生產在線試運行1年,取得了噸鋼節能25kg左右標煤結果,節能效果顯著,已具有推廣應用價值。

針對煉鋼出鋼溫度與連鑄中間包鋼水溫度的榨窗口控制與界面銜接,成功開發了中間包電磁加熱技術與裝備,解決了我國鋼鐵生產中間包電磁加熱設備的空白,經生產實踐應用,取得了與進口設備相比能效提高10%以上的效果,具有世界**水平。該技術和裝備為鋼鐵生產流程優化和單元匹配提供了重要設備。

鋼鐵生產流程單元界面的能量流與物質流優化管控系統及中間包電磁加熱技術與裝備,為我國鋼鐵工業節能提供了重要技術支持,以京唐公司800萬噸鋼產量為例,采用該技術每年可節能20萬噸標煤。


成果6:工業爐窯氧氣助燃高效節能技術研發與工業示范

單位:中國科學院力學研究所

成果負責人:魏小林

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       工業爐窯是流程工業中至關重要的用能裝備,能耗約占我國總能耗的1/4,是化石能源消耗和環境污染的主要源頭。工業爐窯普遍存在能耗高、排放大的問題,亟需研發高能效低排放關鍵技術。

項目從理論研究、技術開發、系統集成等方面開展深入自主研發,開發鋰基分子篩變壓吸附制氧技術,攻克高濃度氧氣安全存儲、輸送、燃燒控制等難題,在山東淄博年產8萬噸玻纖熔窯上成功實現了全氧燃燒。制氧系統氧氣平均純度為93.6%(.大達到96%),氧氣平均流量為3287m3/h,電耗為0.37kWh/m3。目前裝置已累計運行14640小時,.長連續時間達5000小時,玻纖熔窯實際年產量達到10萬噸。與空氣燃燒相比,玻纖爐窯全氧燃燒技術的節能率達到30%,每年可節約天然氣394萬m3,NOx排放減少50%,項目取得了顯著的節能與環保效果。

該技術同時在水泥爐窯等方面獲得應用,為工業爐窯氧氣助燃與優化燃燒的共性關鍵技術研發與應用提供了具有自主知識產權的新方法,推動了工業爐窯節能減排的技術進步,實現了產業升級和科學發展。


成果7:高效節能氣體制備關鍵技術及其應用

單位:浙江大學

成果負責人:邱利民

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       空氣分離設備是能源、化工、冶金等戰略產業的重大核心裝備,研制能耗更低、可靠性更高的高效特大型空分設備成為國際工業氣體領域必爭的戰略制高點。

項目首創多產品規格適配的空分工藝流程圖譜技術,實現面向不同需求的空分流程尋優匹配,比傳統空分能耗降低10%以上。建立低溫流體熱模實驗臺,為低溫精餾和換熱關鍵部機的高效、..設計奠定基礎。提出基于壓縮余熱的進口空氣除濕-冷卻耦合預處理系統,提高空分系統綜合能效。開發高效分子篩模型,基于單元材料吸附能力的優化以實現分子篩切換周期的提高,降低了分子篩再生能耗。通過多模態、非線性MPC自動控制技術實現氧氮比例柔性操作和產品負荷的快速平穩切換,顯著提高空分裝置自動化水平。

成果在神華寧煤、新余鋼鐵、昊源化工等代表性應用基地進行示范,實現鋼鐵企業綜合制氧單耗小于0.56 kWh/Nm3,煤化工企業小于0.595kWh/Nm3;氧氣放散率降低2%以上??辗种悄芑刂萍夹g在神華寧煤多套10萬立方空分裝置成功投運,持續運行超過1年,智能化運行水平優于同期國外產品。據測算,神華寧煤一套10萬等級空分相比傳統空分節約高壓蒸汽29.7萬噸/年,節省能源開支約2970萬元/年。


成果8:全氧冶金高效清潔生產技術開發及示范

單位:鋼鐵研究總院

成果負責人:齊淵洪

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       高爐煉鐵工藝存在能源消耗高,冶煉流程長,污染物排放大等問題,全氧冶金取消了鋼鐵企業排放.大的焦化、燒結和球團工序,從源頭減少能源消耗和污染物排放,成為未來煉鐵技術發展的主要方向。

項目搭建了粉礦深度自還原實驗裝置,優化了預還原反應器結構;開展了全氧冶煉反應器設計及高能量密度冶煉模擬研究,設計得到了全氧冶煉工業化試驗反應器結構和氧氣風口及氧煤噴槍結構形式;開展了低成本制氧工藝流程優化及CO2吸附劑開發,制備得到了高性能吸附劑;設計完成了粉礦-粉煤全氧冶煉示范線的總圖及施工圖,在四川省攀枝花市建成了年產鐵水10萬噸的全氧短流程冶煉試驗線。示范線已完成兩次全流程工業化試驗,打通了工藝技術流程,鐵水冶煉能耗可以減少10%-30%,污染物排放可以減少50%-80%,煤粉燃盡率≥90%,煤氣CO2脫除率≥90%,達到煉鐵流程高效節能。

該技術的推廣應用可以降低煉鐵生產能耗、提高生產效率和能源能利用效率,提升我國低碳冶金技術發展水平,為建設國際..的低碳冶金鋼鐵企業提供技術支撐。


成果9:冶金、化工爐窯及系統節能減排關鍵技術

單位:北京科技大學

成果負責人:姜澤毅

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       我國冶金、化工行業年耗能13.8億噸標準煤,其中90%以上能源消耗在原料煅燒、高溫熔煉和坯材加熱工序中,而這些工序的爐窯平均熱效率不足40%,且污染排放比較嚴重、控制水平有待提高。

項目揭示爐窯內多物理過程耦合關系,形成加熱/反應體系熱質傳遞協同強化理論;揭示NOx、CO2、CO、粉塵等的生成規律,結合排放物資源化回收,建立多排放物協同治理策略;提出爐窯系統熱力學評價與工序裝備間協調匹配方法,構建綠色爐窯理論體系,形成綠色爐窯通用節能評價通則及典型爐窯綠色生產技術標準。完成了產物氣載熱循環和資源化回收的石灰煅燒新工藝中試實驗,CO2回收率超過96%;完成了強化傳遞和能級匹配的電石熔煉爐工業示范,平均熔煉電耗小于2680kWh/t;完成了軋鋼加熱爐低氮燃燒工業實驗,NOx排放濃度小于90mg/Nm3,各項指標均達到國際..水平。

項目構建了高能效-低排放-智能型綠色爐窯理論體系,項目成果的應用將加快實現冶金、化工爐窯節能減排,為形成工業爐窯能效提升與污染減排的系統解決方案做出貢獻。


三、數據中心及公共機構節能方向

成果10:數據中心多尺度自驅動兩相回路冷卻技術

單位:清華大學

成果負責人:張興

所屬專項:煤炭清潔高效利用和新型節能技術

成果簡介

       數據中心是現代社會快速發展的重要基礎設施,冷卻系統是制約其能效的主要環節。我國目前數據中心冷卻系統多以集中式送風、機房級冷卻模式為主,存在氣流摻混、局部熱點現象嚴重以及耗能高等問題,亟待解決。

本項目揭示了數據中心冷卻系統吸熱端、輸配段和冷源端的相互影響規律,基于場協同原理建立了全局能效優化新理論和新方法;闡明了數據中心功率密度與冷卻尺度之間的匹配問題,研發了適用于不同功率密度的自驅動多尺度兩相回路冷卻技術,開發了機房級、機柜級和服務器級模塊化冷卻系統,完成樣機開發并實現批量生產。并基于以上技術開發了自然冷卻和主動制冷聯合運行的高效冷源利用設備。在中石油吉林數據中心落地應用示范,示范機房包含機房級、機柜級和服務器級的自驅動兩相回路冷卻系統及高效供配電系統,經測試該數據中心全年能耗比(PUE)達1.13,其中冷卻能耗比(CLF)為0.12,在同樣安全等級情況下,達到世界**數據中心能效水平。

       項目成果的應用將加快實現數據中心行業節能減排,有效推動我國5G、邊緣計算以及大型數據中心向綠色節能方向發展,助力“新基建”的建設實施。


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