科學技術(shù)部：煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)專項十項研究成果助力節(jié)能降碳

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

　　“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”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(jié)能戰(zhàn)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(jié)能技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，全面提升煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能領(lǐng)域的工藝、系統(tǒng)、裝備、材料、平臺的自主研發(fā)能力，取得基礎(chǔ)理論研究的重大原創(chuàng)性成果，突破重大關(guān)鍵共性技術(shù)，并實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用示范。在新型節(jié)能技術(shù)方面以系統(tǒng)節(jié)能為切入點，以高耗能工業(yè)等重點領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)為突破口，實行世界先進水平能效標準。為此設(shè)立了工業(yè)余能回收利用、工業(yè)流程及裝備節(jié)能和數(shù)據(jù)中心及公共機構(gòu)節(jié)能等三個技術(shù)方向。主要任務(wù)為：

　　工業(yè)余能回收利用方向：高溫散料與液態(tài)熔渣高效熱回收技術(shù)、工業(yè)含塵廢氣余熱回收技術(shù)、低品位余能回收技術(shù)與裝備研發(fā)。

　　工業(yè)流程及裝備節(jié)能方向：流程工業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)同節(jié)能技術(shù)、氣體制備與全氧/富氧冶金技術(shù)、通用機電裝備節(jié)能技術(shù)、工業(yè)鍋爐及窯爐節(jié)能減排技術(shù)。

　　數(shù)據(jù)中心及公共機構(gòu)節(jié)能方向：數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)、公共機構(gòu)設(shè)備及系統(tǒng)節(jié)能。

　　專項的實施業(yè)已產(chǎn)生一批成果。形成高含塵煙氣深度余熱回收技術(shù)，開發(fā)出工業(yè)余熱高效壓縮式熱泵和高效吸收式熱泵，有望培育新興產(chǎn)業(yè)增長點。突破了典型流程工業(yè)工序匹配與能質(zhì)協(xié)同利用等共性關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了短流程煉鐵、大宗化產(chǎn)反應(yīng)/分離強化、冶金-建材-化工多聯(lián)產(chǎn)等節(jié)能新工藝。解決了數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)驅(qū)動瓶頸問題，可應(yīng)用于高效冷源設(shè)備設(shè)計、機房級、機柜級和服務(wù)器級模塊化冷卻系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)能效果明顯。

　　附：成果簡介

　　一、工業(yè)余能回收利用方向

　　成果1：工業(yè)含塵廢氣余熱回收技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　冶金、化工、建材等工業(yè)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(fā)了新型顆粒表層移動床技術(shù)，實現(xiàn)了含凝塵煙氣連續(xù)化凈化與余熱回收；研發(fā)了換熱表面處理新技術(shù)，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(fā)了高溫低阻陶瓷膜支撐體制備技術(shù)，突破膜材料溫度使用限制瓶頸，并研發(fā)了含亞微米塵粒煙氣深度凈化與高效換熱一體化技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，在河北廊坊構(gòu)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(shù)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(shù)在十多家石化、礦業(yè)、火力發(fā)電等企業(yè)運用并取得良好效果，其進一步推廣有助于提高我國工業(yè)高溫含塵煙氣凈化效率及能源利用率，對節(jié)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(wǎng)絡(luò)化利用技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　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(yè)流程，可在供熱及供冷等方面發(fā)揮巨大效力。

　　項目針對低品位工業(yè)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(huán)體系和50MW級高效吸收式熱泵技術(shù)、MW級大溫升高效可靠工業(yè)用壓縮式熱泵技術(shù)、大溫升化學熱泵技術(shù)、工業(yè)熱泵的廣譜選型方案和應(yīng)用準則及冷、熱、電、儲、運網(wǎng)絡(luò)化利用技術(shù)、水蒸氣高溫熱泵技術(shù)和高密度相變儲熱技術(shù)，并實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)濟、環(huán)境效益，西固電廠和鞍鋼示范工程年節(jié)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(xù)推廣應(yīng)用了6套壓縮式熱泵和26套吸收式熱泵機組，并運用網(wǎng)絡(luò)化利用技術(shù)指導了新加坡Sembcorp公司余熱回收改造工程的優(yōu)化。

　　

　　成果3：高溫固體散料余熱回收利用集成技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　我國冶金、建材等行業(yè)每年產(chǎn)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(chǎn)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(fā)了基于顆粒摻混的散料傳熱強化技術(shù)，構(gòu)建了實施寬粒徑、寬溫域、寬產(chǎn)率變化工業(yè)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(xiàn)固體散料寬粒徑、寬溫閾和寬產(chǎn)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(shè)方面，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進零泄漏、雙壓補氣式、高轉(zhuǎn)速、軸流透平，且實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速雙壓軸流透平在國內(nèi)低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域的首次應(yīng)用，建立了適用于溫度、粒度、產(chǎn)率寬閾度變化的固體散料余熱高效梯級回收利用系統(tǒng)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(yōu)化設(shè)計方法，加快實現(xiàn)冶金、建材行業(yè)節(jié)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(shù)的國際競爭力。

　　

　　成果4：高溫液態(tài)熔渣余熱回收及利用技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

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

　　項目揭示了高溫液態(tài)熔渣離心?；瘷C理及規(guī)律，研發(fā)了高效緊湊離心?；白赃m應(yīng)調(diào)控技術(shù)；闡明了高溫熔渣非穩(wěn)態(tài)相變換熱與物相演化耦合機制和規(guī)律，開發(fā)了兼顧物料品質(zhì)與抑制磨損的渣粒移動床高效余熱回收技術(shù)；實現(xiàn)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(tài)熔渣離心?；c余熱高效連續(xù)回收及利用系統(tǒng)集成技術(shù)，建立了系統(tǒng)設(shè)計準則，開發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的熔渣離心?；坝酂峄厥障到y(tǒng)設(shè)計軟件。在重慶江津區(qū)德感工業(yè)園建成我國首套高溫熔渣離心?；酂峄厥障到y(tǒng)，最大處理量達12t/h、余熱回收率達70%，渣粒玻璃體含量90-95%，達到國際領(lǐng)先水平。

　　項目成果的應(yīng)用將加快實現(xiàn)冶金行業(yè)節(jié)能減排，促進相關(guān)技術(shù)開發(fā)和裝備制造等新型節(jié)能企業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展，提升我國余能回收利用技術(shù)的國際競爭力。

　　

　　二、工業(yè)流程及裝備節(jié)能方向

　　成果5：鋼鐵生產(chǎn)流程系統(tǒng)優(yōu)化及界面技術(shù)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(jié)能技術(shù)

成果簡介

　　鋼鐵工業(yè)是我國一次能源消費最大的產(chǎn)業(yè),占全國工業(yè)部門一次能源消費總量的15%左右。多工序、連續(xù)半連續(xù)是其生產(chǎn)流程的特點，生產(chǎn)流程的系統(tǒng)優(yōu)化及開發(fā)關(guān)鍵界面銜接技術(shù)和裝備，對鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能具有重要作用。

　　項目以首鋼京唐公司鋼鐵生產(chǎn)流程為載體，應(yīng)用流程工程學的原理，針對煉鐵-煉鋼、煉鋼-連鑄、連鑄-軋鋼區(qū)段的工序間合理匹配與動態(tài)運行優(yōu)化，結(jié)合人工智能控制技術(shù)，開發(fā)了不同單元界面的能量流與物質(zhì)流優(yōu)化管控系統(tǒng)。經(jīng)首鋼京唐生產(chǎn)在線試運行1年，取得了噸鋼節(jié)能25kg左右標煤結(jié)果，節(jié)能效果顯著，已具有推廣應(yīng)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(fā)了中間包電磁加熱技術(shù)與裝備，解決了我國鋼鐵生產(chǎn)中間包電磁加熱設(shè)備的空白，經(jīng)生產(chǎn)實踐應(yīng)用，取得了與進口設(shè)備相比能效提高10%以上的效果，具有世界先進水平。該技術(shù)和裝備為鋼鐵生產(chǎn)流程優(yōu)化和單元匹配提供了重要設(shè)備。

　　鋼鐵生產(chǎn)流程單元界面的能量流與物質(zhì)流優(yōu)化管控系統(tǒng)及中間包電磁加熱技術(shù)與裝備，為我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能提供了重要技術(shù)支持，以京唐公司800萬噸鋼產(chǎn)量為例，采用該技術(shù)每年可節(jié)能20萬噸標煤。

　　

　　成果6：工業(yè)爐窯氧氣助燃高效節(jié)能技術(shù)研發(fā)與工業(yè)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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　工業(yè)爐窯是流程工業(yè)中至關(guān)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(huán)境污染的主要源頭。工業(yè)爐窯普遍存在能耗高、排放大的問題，亟需研發(fā)高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)。

　　項目從理論研究、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)集成等方面開展深入自主研發(fā)，開發(fā)鋰基分子篩變壓吸附制氧技術(shù)，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(chǎn)8萬噸玻纖熔窯上成功實現(xiàn)了全氧燃燒。制氧系統(tǒng)氧氣平均純度為93.6%（最大達到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，最長連續(xù)時間達5000小時，玻纖熔窯實際年產(chǎn)量達到10萬噸。與空氣燃燒相比，玻纖爐窯全氧燃燒技術(shù)的節(jié)能率達到30%，每年可節(jié)約天然氣394萬m³，NOx排放減少50%，項目取得了顯著的節(jié)能與環(huán)保效果。

　　該技術(shù)同時在水泥爐窯等方面獲得應(yīng)用，為工業(yè)爐窯氧氣助燃與優(yōu)化燃燒的共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新方法，推動了工業(yè)爐窯節(jié)能減排的技術(shù)進步，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)升級和科學發(fā)展。

　　

　　成果7：高效節(jié)能氣體制備關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　空氣分離設(shè)備是能源、化工、冶金等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)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(shè)備成為國際工業(yè)氣體領(lǐng)域必爭的戰(zhàn)略制高點。

　　項目首創(chuàng)多產(chǎn)品規(guī)格適配的空分工藝流程圖譜技術(shù)，實現(xiàn)面向不同需求的空分流程尋優(yōu)匹配，比傳統(tǒng)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(guān)鍵部機的高效、精確設(shè)計奠定基礎(chǔ)。提出基于壓縮余熱的進口空氣除濕-冷卻耦合預處理系統(tǒng)，提高空分系統(tǒng)綜合能效。開發(fā)高效分子篩模型，基于單元材料吸附能力的優(yōu)化以實現(xiàn)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(tài)、非線性MPC自動控制技術(shù)實現(xiàn)氧氮比例柔性操作和產(chǎn)品負荷的快速平穩(wěn)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(yīng)用基地進行示范，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)綜合制氧單耗小于0.56 kWh/Nm³，煤化工企業(yè)小于0.595kWh/Nm³；氧氣放散率降低2%以上?？辗种悄芑刂萍夹g(shù)在神華寧煤多套10萬立方空分裝置成功投運，持續(xù)運行超過1年，智能化運行水平優(yōu)于同期國外產(chǎn)品。據(jù)測算，神華寧煤一套10萬等級空分相比傳統(tǒng)空分節(jié)約高壓蒸汽29.7萬噸/年，節(jié)省能源開支約2970萬元/年。

　　

　　成果8：全氧冶金高效清潔生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)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(jié)能技術(shù)

　　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(yè)排放最大的焦化、燒結(jié)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(shù)發(fā)展的主要方向。

　　項目搭建了粉礦深度自還原實驗裝置，優(yōu)化了預還原反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；開展了全氧冶煉反應(yīng)器設(shè)計及高能量密度冶煉模擬研究，設(shè)計得到了全氧冶煉工業(yè)化試驗反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和氧氣風口及氧煤噴槍結(jié)構(gòu)形式；開展了低成本制氧工藝流程優(yōu)化及CO2吸附劑開發(fā)，制備得到了高性能吸附劑；設(shè)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(chǎn)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(yè)化試驗，打通了工藝技術(shù)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(jié)能。

　　該技術(shù)的推廣應(yīng)用可以降低煉鐵生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率和能源能利用效率，提升我國低碳冶金技術(shù)發(fā)展水平，為建設(shè)國際領(lǐng)先的低碳冶金鋼鐵企業(yè)提供技術(shù)支撐。

　　

　　成果9：冶金、化工爐窯及系統(tǒng)節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　我國冶金、化工行業(yè)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(nèi)多物理過程耦合關(guān)系，形成加熱/反應(yīng)體系熱質(zhì)傳遞協(xié)同強化理論；揭示NOx、CO2、CO、粉塵等的生成規(guī)律，結(jié)合排放物資源化回收，建立多排放物協(xié)同治理策略；提出爐窯系統(tǒng)熱力學評價與工序裝備間協(xié)調(diào)匹配方法，構(gòu)建綠色爐窯理論體系，形成綠色爐窯通用節(jié)能評價通則及典型爐窯綠色生產(chǎn)技術(shù)標準。完成了產(chǎn)物氣載熱循環(huán)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(yè)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(yè)實驗，NOx排放濃度小于90mg/Nm³，各項指標均達到國際領(lǐng)先水平。

　　項目構(gòu)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(yīng)用將加快實現(xiàn)冶金、化工爐窯節(jié)能減排，為形成工業(yè)爐窯能效提升與污染減排的系統(tǒng)解決方案做出貢獻。

　　

　　三、數(shù)據(jù)中心及公共機構(gòu)節(jié)能方向

　　成果10：數(shù)據(jù)中心多尺度自驅(qū)動兩相回路冷卻技術(shù)

　　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(jié)能技術(shù)

　　成果簡介

　　數(shù)據(jù)中心是現(xiàn)代社會快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，冷卻系統(tǒng)是制約其能效的主要環(huán)節(jié)。我國目前數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)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(xiàn)象嚴重以及耗能高等問題，亟待解決。

　　本項目揭示了數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)吸熱端、輸配段和冷源端的相互影響規(guī)律，基于場協(xié)同原理建立了全局能效優(yōu)化新理論和新方法；闡明了數(shù)據(jù)中心功率密度與冷卻尺度之間的匹配問題，研發(fā)了適用于不同功率密度的自驅(qū)動多尺度兩相回路冷卻技術(shù)，開發(fā)了機房級、機柜級和服務(wù)器級模塊化冷卻系統(tǒng)，完成樣機開發(fā)并實現(xiàn)批量生產(chǎn)。并基于以上技術(shù)開發(fā)了自然冷卻和主動制冷聯(lián)合運行的高效冷源利用設(shè)備。在中石油吉林數(shù)據(jù)中心落地應(yīng)用示范，示范機房包含機房級、機柜級和服務(wù)器級的自驅(qū)動兩相回路冷卻系統(tǒng)及高效供配電系統(tǒng)，經(jīng)測試該數(shù)據(jù)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，達到世界先進數(shù)據(jù)中心能效水平。

　　項目成果的應(yīng)用將加快實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)節(jié)能減排，有效推動我國5G、邊緣計算以及大型數(shù)據(jù)中心向綠色節(jié)能方向發(fā)展，助力“新基建”的建設(shè)實施。