立足創(chuàng)新 攀登科技發(fā)展前沿
——記清華大學(xué)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)研究
能源問(wèn)題是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。我國(guó)能源以煤為主，大量燃煤引發(fā)的大氣污染是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的根本障礙。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是解決這一問(wèn)題的重要出路。多年來(lái)，清華大學(xué)著眼于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，推動(dòng)民族產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，立足創(chuàng)新，在循環(huán)流化床燃燒技術(shù)研究方面始終站在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)前沿。
清華大學(xué)早在上世紀(jì)60年代中期，借鑒化工中的反應(yīng)器原理，發(fā)展了中國(guó)第一臺(tái)沸騰燃燒鍋爐。從此，鼓泡流化床鍋爐在中國(guó)得到大量推廣使用。到1980年，我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鼓泡床燃燒鍋爐，鍋爐容量覆蓋了6－130t/h，投運(yùn)臺(tái)數(shù)達(dá)到4000臺(tái)。清華流化床課題組完成了中國(guó)自己的鼓泡流化床鍋爐的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在上世紀(jì)80年代剛剛改革開(kāi)放時(shí)，中國(guó)4000臺(tái)沸騰爐運(yùn)行的報(bào)道震動(dòng)了國(guó)際燃燒界。
上世紀(jì)80年代后清華大學(xué)又注意到國(guó)際上新提出的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)比鼓泡流化床在燃燒效率、污染排放控制及大型化潛力方面具有的優(yōu)勢(shì)，因此1983年后，在國(guó)內(nèi)首先開(kāi)展循環(huán)流化床燃煤技術(shù)的研發(fā)。在國(guó)家四個(gè)五年計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，通過(guò)20年的連續(xù)科研開(kāi)發(fā)，突破了國(guó)外的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床燃燒技術(shù)從理論、工程設(shè)計(jì)、到自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的突破。
獨(dú)立構(gòu)建了世界上新的循環(huán)流化床燃燒基本理論體系
燃煤循環(huán)流化床鍋爐物料平衡理論。該理論糾正了國(guó)際流行的循環(huán)流化床鍋爐上部?jī)H是局部顆粒團(tuán)聚的觀點(diǎn)。證明了燃煤循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的兩相流態(tài)是下部鼓泡床、上部為快速床的疊加。該理論證明循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)一進(jìn)二出的開(kāi)口物料系統(tǒng)。該理論可完整地解釋和預(yù)測(cè)循環(huán)流化床鍋爐物料平衡的各種現(xiàn)象。法國(guó)電力公司（EDF ）用此理論對(duì)法國(guó)兩臺(tái)大型循環(huán)流化床鍋爐的灰平衡進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驚人的一致。
循環(huán)流化床燃燒理論。提出了循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)沿高度一維燃燒份額分配的概念。本概念是循環(huán)流化床鍋爐燃料拉度設(shè)計(jì)的理論根據(jù)。發(fā)現(xiàn)了循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)燃燒為欠氧狀態(tài)。并以此解釋了循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)燃燒份額遠(yuǎn)低于鼓泡床的原因。本發(fā)現(xiàn)之前國(guó)際上始終無(wú)法解決循環(huán)流化床鍋爐燃燒計(jì)算模型中的密相區(qū)熱平衡矛盾，本發(fā)現(xiàn)徹底解決了這個(gè)計(jì)算矛盾．在國(guó)內(nèi)外首次建議了循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量與煤種性質(zhì)的簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)式。該關(guān)聯(lián)式后來(lái)為國(guó)內(nèi)大量運(yùn)行的循環(huán)流化床鍋爐所證實(shí)，成為鍋爐廠提供性能擔(dān)保的基準(zhǔn)。同時(shí)通過(guò)研究，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)影響煤焦燃盡的新因素。該理論已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外廣泛接受，成為循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)二次風(fēng)的準(zhǔn)則之一。
循環(huán)流化床鍋爐傳熱理論。證明了用顆粒對(duì)流和顆粒團(tuán)輻射表征與受熱面的主要傳熱機(jī)制用于工程計(jì)算已足夠精確，形成可適用于工業(yè)設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床鍋爐燃燒室和換熱床傳熱計(jì)算工具。
獨(dú)立建構(gòu)了流化床設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)導(dǎo)則和計(jì)算軟件
清華大學(xué)作為國(guó)際知名的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)研發(fā)中心之一，其重要功能是把理論研究的成果向工程轉(zhuǎn)化。即用對(duì)循環(huán)流化床燃燒機(jī)理的系統(tǒng)新認(rèn)識(shí)，構(gòu)建循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)理論、工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)。本項(xiàng)目組在循環(huán)流化床燃燒基本理論指導(dǎo)下，綜合多家鍋爐廠合作設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立了完整的獨(dú)立循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)理論體系、設(shè)計(jì)導(dǎo)則和計(jì)算軟件。
清華大學(xué)在世界上第一次提出循環(huán)流化床鍋爐的“定態(tài)設(shè)計(jì)”概念。用此概念將世界上所有循環(huán)床技術(shù)流派的設(shè)計(jì)流化狀態(tài)均可在一張流型譜圖上確定自己的位置。該譜圖也表明了當(dāng)前國(guó)外某些技術(shù)流派選擇的設(shè)計(jì)流化狀態(tài)不符合中國(guó)國(guó)情和煤種。本項(xiàng)目組為我國(guó)自己循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)選擇了適合中國(guó)條件的設(shè)計(jì)流化狀態(tài)。按照此流化狀態(tài)開(kāi)發(fā)的系列國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品適合中國(guó)高灰、粒度粗放的燃料，且爐內(nèi)磨損小于國(guó)外爐型，可用率高于國(guó)外爐型。這是突破國(guó)外專(zhuān)利限制，發(fā)展先進(jìn)的具有完全獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的循環(huán)流化床鍋爐流程（process ）的關(guān)健點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)．是我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐流程設(shè)計(jì)從必然到自由的轉(zhuǎn)折。應(yīng)用定態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)典型實(shí)例是對(duì)我國(guó)引進(jìn)的循環(huán)流化床鍋爐燃料更換改造工程。我國(guó)中石化公司花費(fèi)四千萬(wàn)美元為茂名石化從芬蘭奧斯龍公司引進(jìn)了兩臺(tái)220t / h 燃用油頁(yè)巖的循環(huán)流化床鍋爐。由于油頁(yè)巖供應(yīng)問(wèn)題，設(shè)備進(jìn)口后項(xiàng)目下馬。中石化考慮是否可以將循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備轉(zhuǎn)給金陵石化用于石油焦和動(dòng)力煤燃燒。由于世界上尚無(wú)此更換燃料改造的實(shí)踐先例。中石化咨詢(xún)奧斯龍公司得到的回答是：不可能改造。本項(xiàng)目組根據(jù)定態(tài)設(shè)計(jì)原理證明可以簡(jiǎn)單改造后的鍋爐達(dá)到設(shè)計(jì)性能。中石化根據(jù)本項(xiàng)目組的改造可行性報(bào)告的技改工程，取得了完全成功。為國(guó)家挽回了4000萬(wàn)美元的損失。
在本設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，清華大學(xué)完成了循環(huán)流化床鍋爐工業(yè)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，設(shè)計(jì)計(jì)算軟件平臺(tái)。國(guó)內(nèi)數(shù)家鍋爐廠用此設(shè)計(jì)平臺(tái)完成了百余臺(tái)循環(huán)床的設(shè)計(jì)。也為日本王子紙廠循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算預(yù)測(cè)與運(yùn)行結(jié)果完全一至，受到日方高度評(píng)價(jià)。
設(shè)計(jì)導(dǎo)則和設(shè)計(jì)軟件形成了我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的商業(yè)機(jī)密。在普華進(jìn)行的循環(huán)流化床鍋爐型譜研究總結(jié)后，認(rèn)證并推薦本項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐計(jì)算方法為行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
動(dòng)態(tài)培訓(xùn)仿真機(jī)研制
清華大學(xué)利用對(duì)循環(huán)流化床內(nèi)部機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí)，建立了世界第一個(gè)循環(huán)流化床動(dòng)態(tài)仿真模型。該模型在兩次國(guó)際會(huì)議上的介紹均引起轟動(dòng)。 “九五”期間，采用本項(xiàng)目組的仿真技術(shù)，給鎮(zhèn)海煉油廠的引進(jìn)22Ot / h 循環(huán)流化床鍋爐開(kāi)發(fā)了世界第一臺(tái)流化床仿真培訓(xùn)器。獲得“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)。“十五”期間又為山東淄博電廠開(kāi)發(fā)了世界第一臺(tái)1 35MWe 再熱循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠仿真培訓(xùn)器。鑒定為世界領(lǐng)先水平。
專(zhuān)利及專(zhuān)有技術(shù)
本項(xiàng)目組針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件發(fā)展了循環(huán)流化床鍋爐方面的十二項(xiàng)專(zhuān)利和多項(xiàng)專(zhuān)有技術(shù)，應(yīng)用到循環(huán)流化床鍋爐中，以形成優(yōu)于國(guó)外技術(shù)性能的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品。較為突出的如水冷異型分離循環(huán)流化床鍋爐專(zhuān)利技術(shù)。水冷方形分離器是最新分離器概念。它可實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒裝置流程簡(jiǎn)約、全膜式壁緊湊式結(jié)構(gòu)。并可降低運(yùn)行成本和事故率，極大地提高鍋爐的可用率，是大型循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展方向。清華大學(xué)運(yùn)用顆粒加速理論，對(duì)芬蘭公司公布的方形水冷分離器進(jìn)行了改進(jìn)，并沖破了原專(zhuān)利的保護(hù)范圍，形成了新的專(zhuān)利。新的帶加速段的方形分離器（簡(jiǎn)稱(chēng)異型分離器）既保持了原方形分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，也為方形分離器可靠的應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐鋪平了道路。
本項(xiàng)目組采用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的異型分離器專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)了75 一260t / h 不同蒸汽參數(shù)六個(gè)品種循環(huán)流化床鍋爐。由于采用了異型水冷分離器，實(shí)現(xiàn)了整體化全膜式壁緊湊式結(jié)構(gòu)，沒(méi)有大型膨脹節(jié)，鍋爐漏風(fēng)少效率高。其突出的特點(diǎn)是極高的運(yùn)行可靠性。異型水冷分離器長(zhǎng)期運(yùn)行基本無(wú)需維修，與熱絕緣旋風(fēng)筒每年10 ％的維修率形成鮮明對(duì)照。同時(shí)因沒(méi)有大型膨脹節(jié)也消滅了另一個(gè)國(guó)際公認(rèn)的故障易發(fā)點(diǎn)。
開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)化系列循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品
運(yùn)用所提出的理論和設(shè)計(jì)技術(shù)與川鍋、無(wú)鍋、哈鍋、東鍋、太鍋等多家企業(yè)合作或技術(shù)轉(zhuǎn)讓開(kāi)發(fā)了多類(lèi)循環(huán)床鍋爐產(chǎn)品，包括國(guó)內(nèi)首臺(tái)130t / h 、首臺(tái)220t / h 、首臺(tái)116MW 熱水爐、首臺(tái)國(guó)產(chǎn)440t / h ( 135Mwe ）再熱循環(huán)床。產(chǎn)品在可用率和煤種適應(yīng)性上優(yōu)于引進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品。多個(gè)產(chǎn)品評(píng)為國(guó)內(nèi)先進(jìn)，1 30t / h 爐評(píng)為世界銀行節(jié)能示范。訂貨逐年增加，至2004 年底，產(chǎn)量累積近200 臺(tái)，總產(chǎn)值近18 億，效益達(dá)5.6 億。
國(guó)際合作研究
由于本項(xiàng)目組對(duì)循環(huán)流化床理論的理解深度，特別是對(duì)理論與工程設(shè)計(jì)結(jié)合方面的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，吸引了國(guó)外多家著名公司資助本組進(jìn)行流化床方面的研究。吸引國(guó)際合作經(jīng)費(fèi)45 萬(wàn)美元由于本項(xiàng)目單位在循環(huán)流化床鍋爐方面研究開(kāi)發(fā)成果顯著及在國(guó)際上的聲譽(yù)，國(guó)際能源組織（IEA ）建議，并經(jīng)科技部批準(zhǔn)，指定本項(xiàng)目單位一清華大學(xué)代表中國(guó)自2004 年起代表中國(guó)參加IEA 流化床組織（IEA-FBC ）。清華大學(xué)也在2005年的國(guó)際流化床燃燒會(huì)議上被邀請(qǐng)做流化床燃燒技術(shù)的主題發(fā)言。
攀登循環(huán)流化床技術(shù)高峰 走向世界
清華大學(xué)目前剛剛完成科技部863超臨界循環(huán)流化床鍋爐方案設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)和理論研究。為“十一五”期間我國(guó)獨(dú)立研發(fā)世界最大容量600MWe超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范工程準(zhǔn)備了條件。該項(xiàng)目是中國(guó)在循環(huán)床技術(shù)走上世界前列的標(biāo)志性工程。
2001 年，循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)和鍋爐設(shè)計(jì)軟件出口日本，創(chuàng)匯1000 萬(wàn)日元。2003 年，異型水冷分離循環(huán)床設(shè)計(jì)生產(chǎn)許可出口日本，創(chuàng)匯2 . 9 億日元。2004 年用本項(xiàng)目組成果為日本公司設(shè)計(jì)的260t / h 循環(huán)流化床鍋爐在日本王子紙廠順利投運(yùn)。2005年清華循環(huán)床技術(shù)及產(chǎn)品又出口泰國(guó)。本成果開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)循環(huán)流化床技術(shù)許可出口的先例。成果在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文300 余篇，SCI收錄20 余篇，EI 收錄50 余篇。我國(guó)科技界在國(guó)際流化床界的地位發(fā)生了質(zhì)的變化。1995年前，中國(guó)學(xué)者參加流化床燃燒國(guó)際會(huì)議還是“學(xué)生”。1999年，清華大學(xué)教授在第15屆流化床燃燒國(guó)際會(huì)議上獲得了最佳文章獎(jiǎng)，這是我國(guó)學(xué)者在代表了流化床燃燒領(lǐng)域最高水平的會(huì)議上第一次獲獎(jiǎng)。2005年，流化床燃燒國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)清華大學(xué)做循環(huán)流化床技術(shù)發(fā)展的主題發(fā)言。
