2015年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖(原教育部科学技术奖)的推荐申报、评审工作已经结束,目前授奖项目已公告,由清华大学、神华集团有限责任公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、华北电力大学、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、中国科学院工程热物理研究所等申报的“600MW超临界循环流化床锅炉关键技术研究与应用”获得科技进步一等奖。
“600MW超临界循环流化床锅炉关键技术研究与应用”项目属于工程热物理领域。
煤炭是我国的主要能源,煤炭开采和洗选加工副产大量的低热值燃料,每年超过十亿吨。这些低热值燃料的高效清洁利用是我国能源绿色化不可或缺的一环。大量实践表明,循环流化床(CFB)燃烧因其燃料适应性广、污染控制成本低等优点,成为低热值燃料规模化清洁利用的最佳选择,得到迅速发展和应用,蒸汽参数发展到亚临界(自然循环)。为了进一步提高发电效率,在863计划和科技支撑计划的支持下,项目组在国际上率先开展了超临界CFB锅炉关键技术的研究开发。经过十余年的坚持不懈的努力,取得了系列原创性成果:
1、发现了超高炉膛物料浓度纵向分布和超大床面物料浓度横向分布规律,建立了CFB燃烧室受热面局部换热系数半经验计算模型,揭示了低热流密度下超临界水管内流动的换热机制,开发了管内工质换热系数计算模型和流阻系数关联式、壁温预测模型,耦合这些模型获得了CFB炉膛的热流分布,解决了超临界CFB水冷壁的水动力设计和安全性问题;揭示了CFB双床翻动、同床波动和多循环回路并联流动非均匀性机理,提出了相应的控制方法,解决了超大CFB流化稳定性和均匀性问题;揭示了CFB中循环灰对喷氨脱硝的催化作用,提出了低成本脱硝独特技术路线;开发了超临界CFB整体布置技术、性能计算方法和设计技术,形成了我国自己的超临界CFB锅炉的整套技术体系。
2、发明了低质量流速一次上升垂直水冷壁、双面受热水冷壁、平行流外置换热器、二次风布置、回灰给煤扩散、超大布风板、多分离器均流等结构,突破了超高炉膛、超大床面和锅-炉传热强烈耦合、热量分配等技术瓶颈,研制了600MW超临界CFB锅炉装备;开发了600MW超临界CFB锅炉制造工艺和制造设备。
3、开发了600MW超临界CFB锅炉系统集成设计技术,研发了大出力冷渣机等关键辅机;提出了即燃碳的概念并应用于控制模型中,发现了负荷变化的关键控制参量,实现煤水比调节的精准控制和负荷自动调节;基于机理模型,开发了600MW级超临界CFB机组仿真机;形成了600MW超临界CFB锅炉安全运行技术体系,形成了运行维护检修规程和标准。
这些创新成果用于世界首台600MW超临界CFB锅炉示范工程。性能试验表明:最大连续蒸发量1903t/h,热效率91.52%,锅炉原始排放浓度NOx为111.94mg/m3、SO2为192.04mg/m3(脱硫效率97.12%,Ca/S为2.07),各项指标均优于目前世界其他超临界CFB。
项目获授权发明专利33项、实用新型70项、软件著作权6项;发表论文234篇,其中EI收录148 篇、SCI 收录60 篇、ISTP 收录18 篇。
项目推动了国际CFB 燃烧技术的发展,提高了我国CFB 锅炉的国际竞争力,600MW 超临界CFB 开始走向欧洲、东南亚。项目研发的关键技术推广用于350MW 超临界CFB 锅炉的开发, 已形成2 台660MW 和48 台350MW 订单。近三年新增利润2.17 亿元。中国电机工程学会和中国机械联合会联合组织的鉴定认为:“该项目成果完全自主开发,关键技术创新性显著、设备系统设计合理、制造质量优良、运行安全稳定。研究成果达到国际领先水平。”
600MW超临界循环流化床锅炉关键技术成功应用于示范工程,得到了实践检验。600MW超临界循环流化床锅炉突破了循环流化床锅炉的容量问题和参数问题,是目前世界上投运的最大容量和最高参数的循环流化床锅炉。600MW超临界循环流化床锅炉采用超临界参数,循环流化床燃烧技术,达到高效清洁发电,具有高发电效率、低成本污染控制、启动运行方便可靠灵活、变负荷适应能力及调峰能力强、维护量低、可用率高、经济性好等优点。示范工程经过两年的运行实践,表明锅炉各项运行参数均达到设计要求,技术水平达到国际领先。
通过项目的实施,成功实现了我国CFB发电技术从300MW CFB向600MW等级以上的大型CFB锅炉发展的跨越,为低热值燃料的高效清洁规模化经济利用提供了条件,使我国大型CFB设计、制造、运行技术处于世界领先水平;提升了我国洁净煤技术创新能力和国际竞争力,极大的推动了我国洁净煤发电技术行业的科技进步。白马600MW 超临界循环流化床锅炉的工程应用之后,又签订了山西中煤平朔2×660MW 超临界循环流化床锅炉设备合同,还有多个国内的600MW 等级项目正在前期工作中。项目也得到了国际上的强烈关注,目前正在进行出口到罗马尼亚、土耳其、印尼等国600MW 等级超临界CFB 锅炉的前期工作,正在走向世界。
项目完成后,推动了超临界循环流化床锅炉技术的发展,激发形成了350MW超临界循环流化床锅炉市场。项目的关键技术用于350MW 等级超临界循环流化床锅炉,已经形成订单48台。