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【给力三大奖】赵钦新团队:以“减”带增 服务社会
来源:交大新闻网 日期 2018-01-13 16:55 点击:

节能减排是国家首要的能源战略,是应对能源资源约束和环境气候变化挑战的必然选择。2017年,西安交通大学和青岛达能环保设备股份有限公司联合完成的“气液固凝并吸收抑制低温腐蚀的烟气深度冷却技术及应用”项目荣获国家科学技术进步二等奖,在2017年度国家科学技术奖励大会的现场,西安交通大学能动学院赵钦新教授作为项目第一完成人领取了获奖证书。

“科学研究要探究事物的本质”

众所周知,火力发电厂燃煤锅炉完全燃烧产生的烟气由烟尘、N2、CO?、SOx、NOx及H2O组成,其中的污染物成分严重影响着生态环境,因此,控制燃煤烟气污染成为保障国民经济可持续发展的必行措施。然而,当前电站锅炉普遍存在排烟温度偏高、排烟热损失偏大的情况。自1957年起,美国、德国和日本相继开展了燃煤机组烟气深度冷却技术及装置的应用研究,也尝试了多种材料,但工程实践中发现当烟气深度冷却到硫酸露点温度以下时,低温腐蚀严重,造成机组非计划停运,致使该技术无法推广应用。

“由于之前的研究没有揭示出排烟温度降低所导致的腐蚀现象的机理问题,为了避免腐蚀,所以在实际应用中把排烟温度提高到硫酸露点温度以上,从而导致排烟过程中大量的余热浪费。”赵钦新指出,只有从机理层面解决低温腐蚀的问题,才能真正提高燃煤机组节能减排的潜力。

“问题的关键,就在烟气冷却技术上。”何为“气液固”?何为“凝并吸收”?谈到科学原理,赵钦新解释道:“气液固就是气体、液体、固体三种状态,这里的‘凝并’实际是两个过程。‘凝’是物理过程,指的是把烟气冷却温度降到硫酸露点温度以下,烟气中的含硫蒸汽凝结为液滴的过程;‘并’是机械过程,指的是固体颗粒的聚合;‘吸收’也是两个过程,‘吸’也是物理过程,指的是固体颗粒吸附气液的过程,‘收’是化学过程,指的是烟气深度冷却器中的碱性物质与硫化物液滴反应形成化合物等非腐蚀性物质的过程。”

经过数年的攻关,赵钦新带领他的团队提出“烟气深度冷却器”的概念。烟气深度冷却器过去也称为低温省煤器,是一种应用于火电厂的烟气余热回收设备,安装在除尘器前后的烟道中,回收烟气热量加热系统凝结水,排挤汽轮机抽汽,不仅可以提高机组效率,降低煤耗,还可提高除尘效率,减少污染物排放。

传统的思维都是把烟气冷却器置于除尘器之后,以“先除尘,再降温”的模式进行运转。“该技术最重要的突破点,就是将燃煤机组排烟温度降低到硫酸露点温度以下,即从120℃以上降低到90℃,同时将烟气深度冷却器置于静电除尘器之前,利用烟气中气液固凝并吸收的原理,抑制低温腐蚀。”赵钦新表示,看似简单的操作,却体现了对机理的深层次挖掘。

“有突破才有发现”

作为西安交大“土生土长”的教授,赵钦新1986年、1989年和1998年分别获热能工程学士学位、实验力学硕士学位和金属材料及热处理博士学位。自1989年留校至今,始终在交叉学科的背景下致力于工业工程中高效节能以及污染物控制的研究,2012年,成为热流科学与工程教育部重点实验室的科研骨干。

2008年,青岛达能环保设备股份有限公司向赵钦新团队发出合作研发烟气深度冷却技术的邀请,赵钦新在调研后于2009年与该公司签订合作协议。谈到与青岛达能公司的合作,赵钦新欣喜地说:“几年内,我们就取得了理论和技术的攻关,合作非常愉快。”

在科学研究探索的道路上,针对燃煤机组节能减排的瓶颈难题,赵钦新也积极在学院内部寻找合作搭档。在他的努力下,他的团队与严俊杰教授团队形成了跨系所的联合攻关团队,分别在检测装置研制、结构创新和系统优化研究等方面取得了突破性进展,并于2015年共同建立陕西省能源高效清洁转换工程技术研究中心,在燃煤机组烟气协同治理关键理论和技术研究中攻坚克难,共同取得了这一突出的节能减排成果。

“‘气液固凝并吸收抑制低温腐蚀的烟气深度冷却技术及应用’本身就属于动力工程与材料科学交叉学科研究的一个案例,实现了理论研究、关键技术和工程应用三者的结合。”赵钦新讲到,在系统结构上,将烟气深度冷却器前置,将排烟温度降到硫酸露点温度以下,利用冷却器中高浓度的飞灰中的碱性物质,凝并吸收脱除SO3/H2SO4,抑制低温腐蚀;在传热结构上,为实现气液固流场连续均匀、高效凝并吸收,研发新型“4H型翅片管”传热元件及结构;在调控方法上,打破传统锅炉中的“灰硫比”的调控思路,创造性地提出“碱硫比”的概念,通过对烟气深度冷却器中碱性物质浓度的调控,达到高效脱除SO3/H2SO4的效果。“与此同时,烟气温度降低后,就能进行余热回收并再次利用到整个锅炉系统中,既节约了成本,也达到了节能减排的目的。”

“这的确是一项突破。”说到项目验收时,赵钦新回忆说,以中国工程院院士岳光溪为验收和鉴定委员会主任的专家组认为:该项目在烟气深度冷却器结构设计、积灰磨损和低温腐蚀及其耦合防控关键技术上取得了多项创新性成果,产品性能指标优于国外同类产品。华能和大唐等电厂使用烟气深度冷却技术及产品后也纷纷表示,该技术能够进一步回收余热并脱除污染物,有效抑制了低温腐蚀现象。

目前,该项目部分成果获授权发明专利43项、实用新型专利16项、软件著作权4项,并获得“十二五”机械工业优秀成果奖、中国技术市场金桥奖“突出贡献项目奖”和中国发明协会发明创业奖等国家级奖项。同时,团队制订企业技术标准4部,发表论文101篇,SCI/EI收录38篇。

“好好培养学生,不为文章而科研”

秉承着严谨治学的态度,赵钦新也十分注重对学生科研能力和品行的培养。“学生领进门,一视同仁。”他谈到,在培养学生方面,他有一套自己的规划:从主动了解学生的研究方向、挖掘其兴趣点,到为学生制定适合自身的科研规划,并鼓励学生进行专利申报,再到指导学生完成一项科研训练……“我希望我的学生都能够有海外合作研究的经历,这对他们来说是非常宝贵的经验。因此,我平时常常训练他们,帮助他们积累丰富的科研经历,这样一来,申请出国就更容易了。”赵钦新表示。得益于全面的培养体系,他的学生毕业时都硕果累累,成绩斐然。

陈衡是赵钦新团队的博士生,也参与了该项目的科学研究工作,2017年底刚刚完成毕业答辩,即将入职华北电力大学任教。“从2012年来到西安交大攻读硕士以来,我就跟随赵老师从事烟气深度冷却技术的研究与实验。在项目中,我主要参与了积灰处理、低温腐蚀和翅片管实验等方面的研究,起初还是以理论研究为主,后来就逐渐开始转向工程应用,与企业的联系也就越来越多了。”提到对赵钦新的印象,陈衡谈到:“科研上,赵老师是我们的严师,治学严谨,要求严格,但是生活上,赵老师却是我们的‘慈父’,为人很和蔼,非常关心我们的成长与发展。”

“服务国家需求,服务人民生活,才是我们科研工作者努力的方向和目标。”赵钦新曾连续三次主持国家“五年规划”重点科研项目,对项目研究是否贴合社会需求深有了解。

目前,烟气深度冷却技术已应用于青岛达能环保设备股份有限公司等11家生产企业,建立了46条烟气深度冷却器生产线,产品销售到全国30个省市自治区的华能、大唐等公司的297家电厂,应用于392台亚临界和超(超)临界燃煤机组,并出口海外,实现大规模生产及工程应用,累计创销售额54.3亿元,近3年累计新增销售额47.6亿元,节约煤炭16.08万吨,减少污染物排放53.4万吨,取得了显著的经济社会效益和突出的节能减排效果。

坚持以创新的思路和踏实的举措推动进步,赵钦新表示,未来,他们将持续推动理论创新、技术创新、管理创新、应用创新,全力打造高质量的产品,以节能减排为目标,服务国家,服务社会。

文字:毕晓楠 通讯社 龚竹叶
图片:罗星
编辑:星 火

 
 
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