2013年2月21日,北京市科学技术奖励大会召开。由北京建筑工程学院教授王随林主持完成的“防腐高效烟气冷凝热能回收装置与烟气余热深度利用技术及产业化”项目荣获2012年度北京市科学技术奖一等奖。
该项目的完成可谓意义重大,不仅解决了低温排烟余热利用中协同高效热回收与防腐国际性难题,研发出国际领先水平的适合国产化和国际化多领域应用的系列化高效紧凑小阻力低噪声,防腐型烟气冷凝热回收装置系列产品与大型装备及烟气余热深度利用系统优化技术,进行工程推广应用,取得了显著节能减排与社会环境经济效益,惠及民生。
项目应运而生
上世纪末以来,随着世界能源优质化和我国能源结构调整,天然气利用作为优质能源快速发展,天然气燃烧设备快速发展,数量越来越多,设备容量越来越大,应用领域越来越广,从家用小热水器到工业锅炉/炉窑及电站大锅炉。但我国天然气储量少,对外依存度高,天然气的高效利用不仅是节能减排需要,对保证国家能源安全意义重大。
供热锅炉和热电厂及工业领域的天然气热能动力设备是天然气主要用户,其排烟温度高约200~1000℃,排烟余热损失约20%~70%,造成高能耗、高排放、高成本,低效率和效益。
长期以来,国内外主要集中于高中温烟气余热利用,对于150℃~200℃以下、特别是露点以下低温烟气余热利用甚少。
在热能动力设备尾部设置烟气冷凝换热装置,将排烟温度降到露点以下,可回收烟气中显热和燃气燃烧产生大量水蒸汽的凝结潜热,烟气冷凝水可吸收净化烟气中COx、NOx、SOx等,经处理可资源化再利用。
烟气冷凝水PH值约2.5~5.7,会对设备造成腐蚀,耐腐蚀材料导热性能差,使设备耗材和体积大,且焊点等处易腐蚀,设计不当会引起结构腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等;紧凑型设备流动阻力大,影响燃烧,甚至腐蚀设备。因此,烟气冷凝余热深度利用中协同高效热回收与防腐成为国际性难题。
国外低温余热利用主要针对热水器/炉,欧美应用较广泛,但成本高、体积大,阻力大、维修难,不适宜国产化和大型化应用。国内1995年起步研究,主要针对热水器家用小型设备,产品还处于空白。近年来出现小型锅炉用余热利用设备,但排烟温度仍然较高,耐腐蚀性能差,烟阻大。大中型耐腐蚀的低温烟气冷凝余热利用装置产品及应用处于空白。“防腐高效烟气冷凝热能回收装置与烟气余热深度利用技术及产业化”就是在这种背景下诞生了。
身先士卒求创新
这是一个协同高效热回收与防腐的国际 性难题,涉及多学科问题。十多年来,项目组采取多学科协同创新模式,热科学与腐蚀防护及材料科学团队相结合,共同进行强化传热技术、防腐技术、流动减阻降噪技术、系统优化与工程应用技术研究,依托国家自然基金、北京市自然基金、北京市科委科技项目、国家科技支撑计划项目、国际合作项目,从基础与机理研究着手,突破技术瓶颈,亲自带队进行开发研究与工程应用研究,解决协同高效热回收与防腐国际性难题。
在项目攻关的过程中,项目负责人王随林展现出了高度的责任心和惊人的毅力。为了得到工程现场第一手资料,研发出多领域推广应用的烟气冷凝余热深度利用工程应用技术,建立示范工程,进行跟踪实测,项目组共考察了300多座供热锅炉房(包括直燃机房),考察了电厂、油田、建材、纺织、化工、食品加工等工业锅炉和窑炉100多处。在示范工程建设中,王随林与工人一起进行安装于调试、检测,每次都能达到预期效果。当与用户交流发现节气量比热回装置单项节能率明显高时,王随林立刻核查几个采暖季供热锅炉房燃气表,并对整个采暖季跟踪实测数据进行分析,发现除了烟气热回收装置提高了燃气利用效率外,进而还提高了锅炉本体效率,二者能大幅度提高锅炉系统燃气利用总效率。
经十多年科研攻关,项目组终于自主创新,发明了防腐与强化传热综合性能好的表面改性技术,解决了烟气冷凝换热面的防腐,同时强化了传热传质;发展了烟气对流凝结传热传质理论,研发出协同防止电化学腐蚀、形状腐蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀等的强化传热技术及高效冷凝换热器;发明了以系统节能最大化、体积小与耗材少为目标的烟气流动减阻降噪技术;研发出适合国产化和国际化应用的多领域、系列化高效紧凑小阻力低噪音防腐型烟气冷凝余热回收利用装置/装备集成与制造技术,研制出系列产品;研发出多领域推广应用的烟气冷凝余热深度利用工程应用成套技术。
让创新落到实处
衡量一项成果,不仅要看在技术层面取得了怎样的突破与创新,还要看这个成果是否得到了推广与应用,能够产生怎样的效益。“防腐高效烟气冷凝热能回收装置与烟气余热深度利用技术及产业化” 项目,正是以节能减排和社会环境及经济效益最大化为目标,进行创新和攻坚克难的项目。
2006年以来,项目成果已在北京、辽宁、黑龙江、山西、成都等省市(区)供热锅炉、热电厂、石油、食品工业等领域应用,国检局检测和跟踪实测表明:
——使用该项成果后,排烟温度可以降到27~50℃以下,烟气冷凝热回收装置燃气有效利用低热值效率达到12%以上,同时由于热回收装置提高了锅炉进水温度,提高了锅炉燃烧效率,进而使得锅炉系统总节能率达25%,大幅度提高能源利用效率。
——每天每吨锅炉可产生1~2吨烟气冷凝水可资源化再利用;烟气冷凝水还有效吸收了烟气中污染气体,其中大气中含硫,作为助燃空气经烟气冷凝换热装置后,脱硫效率达90%以上,实现友好型排放。
——设备初投资1年回收。
这一串串数字,是沉甸甸的科技硕果,印证着王随林及其团队的工作成果。这些数字充分说明,项目技术创新已经落到实处,社会环境效益与经济效益均十分显著。就目前我国供热/供电锅炉、工业锅炉和窑炉排烟量看,潜力巨大。
如今,获得北京市科学技术奖一等奖,王随林教授认为,这是荣誉,更是责任。此时此刻,萦绕在王随林心头更多的是——如何能将成果更好地推广,如何为提高国家的创新能力奉献更多的力量。“在未来,我们希望能够进一步提升与拓展已有研究基础,进一步扩大在工业领域的余热深度利用和废气利用,并在减排技术和应用方面有新的突破。”王随林说。