立足创新 攀登科技发展前沿

——记清华大学循环流化床燃烧技术研究

  能源问题是国民经济的命脉。我国能源以煤为主,大量燃煤引发的大气污染是我国可持续发展的根本障碍。循环流化床燃烧技术是解决这一问题的重要出路。多年来,清华大学着眼于国民经济发展的需要,面向国民经济的主战场,推动民族产业的发展,立足创新,在循环流化床燃烧技术研究方面始终站在国内外学术前沿。

  清华大学早在上世纪60年代中期,借鉴化工中的反应器原理,发展了中国第一台沸腾燃烧锅炉。从此,鼓泡流化床锅炉在中国得到大量推广使用。到1980年,我国自主知识产权的鼓泡床燃烧锅炉,锅炉容量覆盖了6-130t/h,投运台数达到4000台。清华流化床课题组完成了中国自己的鼓泡流化床锅炉的设计理论和设计标准。在上世纪80年代刚刚改革开放时,中国4000台沸腾炉运行的报道震动了国际燃烧界。

  上世纪80年代后清华大学又注意到国际上新提出的循环流化床燃烧技术比鼓泡流化床在燃烧效率、污染排放控制及大型化潜力方面具有的优势,因此1983年后,在国内首先开展循环流化床燃煤技术的研发。在国家四个五年计划攻关项目的支持下,通过20年的连续科研开发,突破了国外的技术封锁,实现了循环流化床燃烧技术从理论、工程设计、到自主知识产权产品的突破。

  独立构建了世界上新的循环流化床燃烧基本理论体系

  燃煤循环流化床锅炉物料平衡理论。该理论纠正了国际流行的循环流化床锅炉上部仅是局部颗粒团聚的观点。证明了燃煤循环流化床锅炉内的两相流态是下部鼓泡床、上部为快速床的叠加。该理论证明循环流化床锅炉是一个一进二出的开口物料系统。该理论可完整地解释和预测循环流化床锅炉物料平衡的各种现象。法国电力公司(EDF )用此理论对法国两台大型循环流化床锅炉的灰平衡进行预测,结果与实际运行数据惊人的一致。

  循环流化床燃烧理论。提出了循环流化床锅炉内沿高度一维燃烧份额分配的概念。本概念是循环流化床锅炉燃料拉度设计的理论根据。发现了循环流化床锅炉密相区燃烧为欠氧状态。并以此解释了循环流化床锅炉密相区燃烧份额远低于鼓泡床的原因。本发现之前国际上始终无法解决循环流化床锅炉燃烧计算模型中的密相区热平衡矛盾,本发现彻底解决了这个计算矛盾.在国内外首次建议了循环流化床锅炉飞灰含碳量与煤种性质的简单关联式。该关联式后来为国内大量运行的循环流化床锅炉所证实,成为锅炉厂提供性能担保的基准。同时通过研究,在国际上首次发现了循环流化床锅炉内影响煤焦燃尽的新因素。该理论已经为国内外广泛接受,成为循环流化床锅炉设计二次风的准则之一。

  循环流化床锅炉传热理论。证明了用颗粒对流和颗粒团辐射表征与受热面的主要传热机制用于工程计算已足够精确,形成可适用于工业设计的循环流化床锅炉燃烧室和换热床传热计算工具。

  独立建构了流化床设计理论、设计导则和计算软件

  清华大学作为国际知名的循环流化床燃烧技术研发中心之一,其重要功能是把理论研究的成果向工程转化。即用对循环流化床燃烧机理的系统新认识,构建循环流化床锅炉设计理论、工程设计标准和设计计算平台。本项目组在循环流化床燃烧基本理论指导下,综合多家锅炉厂合作设计经验,建立了完整的独立循环流化床锅炉设计理论体系、设计导则和计算软件。

  清华大学在世界上第一次提出循环流化床锅炉的“定态设计”概念。用此概念将世界上所有循环床技术流派的设计流化状态均可在一张流型谱图上确定自己的位置。该谱图也表明了当前国外某些技术流派选择的设计流化状态不符合中国国情和煤种。本项目组为我国自己循环流化床锅炉技术选择了适合中国条件的设计流化状态。按照此流化状态开发的系列国产循环流化床锅炉产品适合中国高灰、粒度粗放的燃料,且炉内磨损小于国外炉型,可用率高于国外炉型。这是突破国外专利限制,发展先进的具有完全独立知识产权的循环流化床锅炉流程(process )的关健点和出发点.是我国循环流化床锅炉流程设计从必然到自由的转折。应用定态设计的一个典型实例是对我国引进的循环流化床锅炉燃料更换改造工程。我国中石化公司花费四千万美元为茂名石化从芬兰奥斯龙公司引进了两台220t / h 燃用油页岩的循环流化床锅炉。由于油页岩供应问题,设备进口后项目下马。中石化考虑是否可以将循环流化床锅炉设备转给金陵石化用于石油焦和动力煤燃烧。由于世界上尚无此更换燃料改造的实践先例。中石化咨询奥斯龙公司得到的回答是:不可能改造。本项目组根据定态设计原理证明可以简单改造后的锅炉达到设计性能。中石化根据本项目组的改造可行性报告的技改工程,取得了完全成功。为国家挽回了4000万美元的损失。

  在本设计理论指导下,清华大学完成了循环流化床锅炉工业设计导则,设计计算软件平台。国内数家锅炉厂用此设计平台完成了百余台循环床的设计。也为日本王子纸厂循环流化床锅炉进行了设计,计算预测与运行结果完全一至,受到日方高度评价。

  设计导则和设计软件形成了我国循环流化床锅炉技术的商业机密。在普华进行的循环流化床锅炉型谱研究总结后,认证并推荐本项目组开发的循环流化床锅炉计算方法为行业设计标准。

  动态培训仿真机研制

  清华大学利用对循环流化床内部机制的深刻认识,建立了世界第一个循环流化床动态仿真模型。该模型在两次国际会议上的介绍均引起轰动。 “九五”期间,采用本项目组的仿真技术,给镇海炼油厂的引进22Ot / h 循环流化床锅炉开发了世界第一台流化床仿真培训器。获得“九五”国家重点科技攻关优秀成果奖。“十五”期间又为山东淄博电厂开发了世界第一台1 35MWe 再热循环流化床锅炉发电厂仿真培训器。鉴定为世界领先水平。

  专利及专有技术

  本项目组针对循环流化床锅炉的关键部件发展了循环流化床锅炉方面的十二项专利和多项专有技术,应用到循环流化床锅炉中,以形成优于国外技术性能的国产化产品。较为突出的如水冷异型分离循环流化床锅炉专利技术。水冷方形分离器是最新分离器概念。它可实现循环流化床锅炉燃烧装置流程简约、全膜式壁紧凑式结构。并可降低运行成本和事故率,极大地提高锅炉的可用率,是大型循环流化床锅炉的发展方向。清华大学运用颗粒加速理论,对芬兰公司公布的方形水冷分离器进行了改进,并冲破了原专利的保护范围,形成了新的专利。新的带加速段的方形分离器(简称异型分离器)既保持了原方形分离器的结构优势,也为方形分离器可靠的应用于循环流化床锅炉铺平了道路。

  本项目组采用具有独立知识产权的异型分离器专利技术开发了75 一260t / h 不同蒸汽参数六个品种循环流化床锅炉。由于采用了异型水冷分离器,实现了整体化全膜式壁紧凑式结构,没有大型膨胀节,锅炉漏风少效率高。其突出的特点是极高的运行可靠性。异型水冷分离器长期运行基本无需维修,与热绝缘旋风筒每年10 %的维修率形成鲜明对照。同时因没有大型膨胀节也消灭了另一个国际公认的故障易发点。

  开发了国产化系列循环流化床锅炉产品

  运用所提出的理论和设计技术与川锅、无锅、哈锅、东锅、太锅等多家企业合作或技术转让开发了多类循环床锅炉产品,包括国内首台130t / h 、首台220t / h 、首台116MW 热水炉、首台国产440t / h ( 135Mwe )再热循环床。产品在可用率和煤种适应性上优于引进技术产品。多个产品评为国内先进,1 30t / h 炉评为世界银行节能示范。订货逐年增加,至2004 年底,产量累积近200 台,总产值近18 亿,效益达5.6 亿。

  国际合作研究

  由于本项目组对循环流化床理论的理解深度,特别是对理论与工程设计结合方面的独到优势,吸引了国外多家著名公司资助本组进行流化床方面的研究。吸引国际合作经费45 万美元由于本项目单位在循环流化床锅炉方面研究开发成果显著及在国际上的声誉,国际能源组织(IEA )建议,并经科技部批准,指定本项目单位一清华大学代表中国自2004 年起代表中国参加IEA 流化床组织(IEA-FBC )。清华大学也在2005年的国际流化床燃烧会议上被邀请做流化床燃烧技术的主题发言。

  攀登循环流化床技术高峰 走向世界

  清华大学目前刚刚完成科技部863超临界循环流化床锅炉方案设计以及关键问题的实验和理论研究。为“十一五”期间我国独立研发世界最大容量600MWe超临界循环流化床锅炉示范工程准备了条件。该项目是中国在循环床技术走上世界前列的标志性工程。

  2001 年,循环流化床燃烧系统动态仿真平台和锅炉设计软件出口日本,创汇1000 万日元。2003 年,异型水冷分离循环床设计生产许可出口日本,创汇2 . 9 亿日元。2004 年用本项目组成果为日本公司设计的260t / h 循环流化床锅炉在日本王子纸厂顺利投运。2005年清华循环床技术及产品又出口泰国。本成果开创了中国循环流化床技术许可出口的先例。成果在国内外发表论文300 余篇,SCI收录20 余篇,EI 收录50 余篇。我国科技界在国际流化床界的地位发生了质的变化。1995年前,中国学者参加流化床燃烧国际会议还是“学生”。1999年,清华大学教授在第15届流化床燃烧国际会议上获得了最佳文章奖,这是我国学者在代表了流化床燃烧领域最高水平的会议上第一次获奖。2005年,流化床燃烧国际会议邀请清华大学做循环流化床技术发展的主题发言。

2006年01月13日 08:31:53  清华新闻网

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