钢铁行业作为国民经济的重要基础产业,同时也是煤炭消耗第二大用户和高能耗行业,煤炭消费量占全国煤炭消费总量的20%。目前我国钢铁产量高居世界第一,2020年粗钢产量达10.65亿吨,占世界钢产量的50%以上,吨钢综合能耗为550千克标准煤,吨钢排放CO2约1.9吨。此外,钢铁行业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量约占全国排放总量的7%、10%、20%,是目前我国主要的大气污染排放源之一,因此钢铁行业面临巨大的节能减排压力。“十三五”期间,工信部出台《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》,明确提出到“十三五”末,钢铁行业以降低能源消耗、减少污染物排放为目标,全面实施节能减排升级改造,构建钢铁制造与社会和谐发展新格局。当前国家已经将“双碳”目标纳入“十四五”规划之中,“十四五”期间单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳排放将分别降低13.5%、18%,我国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。

 中国科学院力学研究所“洁净燃烧与余热利用”创新团队一直致力于攻关炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术,助力钢铁行业实现节能减碳和超低排放的国家战略。

 洁净燃烧与余热利用创新团队合影

一、高水平多学科的人才团队

 中国科学院力学研究所(以下简称力学所)创建于1956年,是以钱学森先生工程科学思想建所的综合性国家级力学研究基地,在国内外享有盛誉,为我国航空航天事业及国家经济社会发展做出了重要贡献。力学所“洁净燃烧与余热利用”创新团队成立于2006年,主要从事高效洁净燃烧和热能高效利用等方面的基础研究与技术研发。团队依托“高温气体动力学国家重点实验室”,在吴承康院士指导下,经过10余年的工作积累,形成了20多人的科研团队,其中研究员2人、副研究员3人。

 力学所洁净燃烧与余热利用科研团队由中国科学院特聘研究员魏小林(国务院政府特殊津贴获得者)作为团队负责人,他一直从事工业炉窑节能减排新技术的研发与工业应用,先后负责了国家863计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等重要科研项目。他提出转炉煤气余热存在间歇性、多尘性、爆炸性等共性难题,开展了高尘易爆间歇性烟气余热安全高效利用的基础研究,带领科研团队研发了蓄热稳流、高效除尘、爆炸遏制和急冷换热等关键技术,形成了转炉煤气全干法节能的集成新技术。

 目前,力学所“洁净燃烧与余热利用”创新团队已形成以洁净燃烧与余热利用为研究优势和特 色、以重大(重要)研究项目为支撑、以国家重点实验室为研究平台,年龄结构合理、多学科交叉融合的长期稳定团队。团队一直致力于洁净燃烧与余热利用理 论基础及应用的研究,承担了国家863计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点/面上项目、中科院重大科研装备研制项目、中科院战略性先导科技专项(A类)课题等几十项,取得了一系列在国内外具有影响力的研究成果,产生了重要的经济和社会效益。创新团队授权专利50余项,发表论文约200篇。同时,通过项目合作,与西安交通大学、华中科技大学、南京工业大学、中国科学院工程热物理研究所等科研院所,以及国电南瑞科技股份有限公司、上海环境集团股份有限公司、中信重工机械股份有限公司、烟台龙源电力技术股份有限公司、中国电力国际发展有限公司等央企形成了紧密的合作研究关系。

 二、高能效低排放的研发创新

 近年来,依托中国科学院战略性先导科技专项“变革性洁净能源关键技术与示范”支持的转炉课题,瞄准节约能源和保护环境的紧迫需求,力学所“洁净燃烧与余热利用”创新团队从基础理 论研究、关键技术开发和工程技术集成等方面开展系统深入的技术研发创新与工程应用。

 2019年起,在中国科学院A类战略性先导科技专项课题“炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术”支持下,针对转炉煤气间歇性、易爆性、多尘性等难题,创新团队提出研究炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术。他们通过间歇性煤气高效低氮燃烧技术研发,建立煤气生成预测模型,研发高效洁净燃烧技术,实现间歇性煤气前后段高效燃烧NOx超低排放;通过放散煤气自持催化燃烧技术,研发转炉放散煤气自持催化燃烧系统及其连续运行的控制策略,实现转炉放散煤气CO近零排放;通过转炉煤气全干法显热稳定高效利用技术,建立全干法显热利用设计方法,研发动态参数复杂变化显热回收技术,并进行了转炉全干法节能新技术的工业示范。目前,该团队已经建成国际首创的转炉煤气全干法显热回收示范项目,并顺利完成了示范系统的168小时考核运行。

三、高预期强效果的经济社会效益

 技术创新,不是从纸面到纸面的著书立说,不是单纯地研制先进的测绘仪器,也不能仅仅满足于填补国内空白,更重要的是研制成果必须转化为现实生产力。魏小林带领的创新团队在取得丰硕研究成果的同时,还完成了理 论研究向应用实践的转化,该团队中不少创新技术已投入工程应用,例如:2013年7月建成国内首座转炉余热蒸汽拖动2.24MW除尘风机示范工程,截至目前,该示范工程一直连续稳定运行。

 一系列应用实践带来了显著的经济效益。我国80%的钢来自于转炉炼钢,大型转炉有800-1000座。通常的转炉煤气处理采用OG法或LT法,即喷水/水雾降温,浪费了800-900℃以下的煤气显热。团队研发转炉煤气全干法除尘技术,取消喷水/水雾工艺,煤气显热利用率由50%提升至80%以上,通过催化燃烧等方式,CO达到近零排放和NOx超低排放,大大减少烟气处理的费用。

 同时,新技术带来的社会效益也十分瞩目。创新团队推动具有自主知识产权的炼钢转炉煤气高效清洁燃烧节能新技术的发展,为我国钢铁行业全面实施节能减排升级改造及进一步提升提供了理 论指导和技术支撑,对深入践行《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》,推进节能减排,实现生态环境保护国家战略具有重大意义。

 钢铁生产的技术进步必须与环境协调发展,为提高炼钢能源绿色高效转换、实现钢铁冶炼无污染和超低排放,发展转炉煤气高效洁净燃烧节能革新技术已成为必然趋势。力学所“洁净燃烧与余热利用”团队的研究创新对我国钢铁工业产业升级转型提供突破性关键革新技术,将对实现打赢蓝天保卫战以及实现“双碳”目标等国家战略做出贡献。