中国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20％左右、主要污染物排放总量减少10％。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。

 

中国科学院工程热物理研究所是一所以应用基础与应用发展研究有机结合的战略高技术基地型研究所，该所长期以来围绕能源、动力、环境三大领域开展基础理论和应用技术开发，取得了卓著成绩。特别是近年来，致力于“节能减排”战略，开展替代技术、减量技术、再利用技术、资源化技术、系统化技术等关键技术研究与开发，取得了一系列科研成果，并产生了显著的经济效益、社会效益。

 

 

基于能的综合梯级利用的总能系统是能源科学与能源动力系统发展的一个主流，也是当今世界最重要的系统节能思想。工程热物理研究所紧密结合国家能源可持续发展与节能减排的迫切需要，针对常规能源动力系统中的主要弊端，经过系统研究，在提高能源利用效率、控制污染等问题方面取得了一系列具有重要科学意义的创新成果，形成了相关的能源系统关键技术，为我国急需发展的多联产系统、太阳能热动力系统以及CO2零排放等能源技术发展提供了重要理论支撑，为我国节能减排的重大能源需求提供了关键理论指导，在相当程度上提高了我国能源科学领域的自主创新能力。

 

 

世界各国长期以来都是采用简单的手段（如燃烧）将煤、石油、天然气等燃料资源转换成能源，然后再加以利用。对能源利用过程中排放的污染物，先是放任自流，后又进行处理，这种“先污染后治理”的做法造成奢侈的资源浪费、过低的能源利用率和不可容忍的环境污染。因此，建立既能够提高能源利用同时又能够解决环境生态问题的新型能源与环境系统，是世界学术界共同研究的命题。

 

CO2是能源利用过程中产生的主要气体，也是产生温室效应的主要根源。工程热物理研究所科研人员通过多年对燃烧中化学环境现象的研究，在国际上率先提出与阐明了三种CO2分离的一体化原理，应用该原理，使CO2捕获率达到90%，并可实现100%封存，从而解决了CO2减排的重大科技难题，美国能源部称之为“革命性突破”。联合国政府间气候变化专业委员会（IPCC）在2005年关于二氧化碳的捕捉与储存的特别报告中指出：中国科学院工程热物理研究所金红光教授对化学链燃烧的研究作出了重大贡献。同时，该所研究提出了根除NOX排放的新途径：应用燃料与空气不直接接触和无火焰气固反应机理，完全控制NOX生成，这对解决燃煤造成污染问题是个重大突破。

 

 

传统能源有效利用的基本原理由吴仲华等在20世纪80年代提出，即热能（物理能）的梯级利用原理，但该原理不涉及化学反应过程中化学能的能量转化利用问题。随着能源科学和与其密切相关的环境、化工等学科的交叉与渗透，以及所涉及体系的复杂化，传统的物理能梯级利用原理已不足以解决能源、化工、环境交叉领域内超出热力循环范围的科学问题。探索建立能够突破物理能梯级利用范畴的能量转化利用新原理迫在眉睫。

 

工程热物理研究所研究人员打破了工程热力学与化工学科在各自领域研究能源转化过程的传统模式，从而揭示了化学能与物理能综合梯级利用原理和机理，并开拓性阐明了化石燃料燃烧反应品位降低与中低温太阳热能品位提升的能量释放新机理。新的原理在多方面获得突破：①实现热转功的热力循环与化工等其他生产过程有机结合。②实现热力学循环与非热力学动力系统的有机结合。③建立了多功能的能源转换利用系统。发明的无调整、未反应气适度循环的煤基甲醇（二甲醚）—动力多联产系统，实现节能10%～20%，为我国当前化工动力多联产的发展提供了独特的技术路线；提出的中低温太阳能与化石能源互补的新型动力系统，使太阳能净发电效率达到35%，比常规高温太阳能热发电效率高10%~15%，同时解决了太阳能热发电系统能源利用率低和成本高的两大瓶颈，开拓了化石燃料化学能梯级利用与可再生能源综合互补的新途径。

 

 

20世纪70~80年代，总能系统概念的提出，促使热力循环研究思路发生质变，人们不再囿于单一循环的优劣，而更着重于把不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环，并且把能源利用提高到系统高度来认识热机的发展应用。

 

工程热物理研究所研究团队经过长期的研究实践，取得了一系列成果。一是开拓性提出与分析了多种新型热机循环。与日本和美国学者同时提出新颖的氢氧联合循环，其顶底循环融合为一体，排放的尾气为水蒸汽，不会给环境带来污染。二是开拓了普适于复杂热力系统的模拟、设计理论与分析方法。提出复杂循环比较法，通过简单循环性能参数来推算复杂循环的特性。还提出了经济、效率等新准则，更科学地评价系统性能。三是对热力循环系统提出了新认识。得到各种联合循环的效率最佳压比值与简明性能指标。热能梯级利用理论应用到工程实践，为解决关键技术问题提供理论指导。在大庆油田采用联合循环发电来综合利用油田伴生气，取得显著的节能效果。基于热能梯级利用理论开发的系统设计方法，应用到国家IGCC示范电站系统集成优化和方案设计。他们都获得了有关部门的科技奖。

 

 

煤炭是我国当前及今后相当长的时期内一次性能源消费中的主导，发展具有广泛燃料适应性的高效清洁煤燃烧技术，成为我国能源发展战略的当务之急。工程热物理研究所经过长期的研究实践，成功开发了循环流化床锅炉燃烧技术，不仅煤种适应性强、热能效率高，而且氮氧化物的排放仅为传统燃烧技术的20%，脱硫效率高达90％以上，形成了具有我国特色的循环流化床锅炉技术研究开发平台和准则，并成功实现了产业化。目前使用该所技术生产的锅炉台数超过2000台，为我国循环流化床锅炉自主技术的深入推进，为国民经济持续健康发展和国家“节能减排”战略目标的实现，作出了重要贡献。

 

 

在循环流化床研发的起始阶段，两方面的难题使得研发工作步履艰难。一方面，由于国外对此方面的研究也处于起步阶段，相关关键技术综合了多学科知识，需要大胆探索；另一方面，由于我国煤炭资源分布不均匀，煤质变动频繁，工业整体装备水平低，特别是存在新技术在传统锅炉行业难以被接受等困难。为此，研究所在进行大量调查和论证的基础上，组织专家开展系统的研究与探索，于1984年在国内率先建成了首台2.8MWt循环流化床热水锅炉，作为国内首个工业化装置直接运用于北京中关村地区供热。随后围绕此台锅炉开展了长达3年的应用跟踪测定，较早地得出了适合中国煤特点的循环流化床燃烧的工作参数和燃煤粒度。这是循环流化床锅炉研发从实验室阶段走向工业应用的里程碑。

 

自1985年始，工程热物理研究所在多种容量等级的循环流化床锅炉的研发中，对具有我国特色的循环流化床锅炉研究开发和大型化进行了长期艰苦的努力。特别是近十年来，他们通过自建的循环流化床燃烧试验装置和大型冷态模拟试验台，开展无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、油页岩、石油焦燃烧及脱硫排放试验，从而掌握了高硫煤、高灰煤等不同煤种的燃烧特性和排放特性。他们通过各项项目任务的完成，积累了丰富的循环流化床锅炉研究开发、设计、安装和调试经验，培养了一支理论基础扎实、工程经验丰富的研发队伍，为促进科研成果向产品的转化打下了坚实的基础。进入21世纪以来，该所在承担多项国家级任务和示范工程的过程中，运用自主专利和技术成功地在国内推广了循环流化床燃烧技术，为国家取得了显著的经济效益、环保效益和社会效益。

 

 

工程热物理研究所坚持技术研发与国家能源发展战略紧密结合，在致力于实验室研究开发的同时，更加注重针对实际锅炉产品的研究开发，同时注重加强与企业的合作，不断突破技术关键，推进产业化发展。在国家“七五”、“八五”、“九五”和“十五”相关科技攻关课题以及多个国家示范工程项目的支持下，从35~690吨/小时量级，先后成功地开发出一系列循环流化床锅炉产品。

 

该所循环流化床技术研究成果已获取10多项专利授权，开发出系列容量和不同参数的近15种循环流化床锅炉产品，在洁净火力发电、热电联产、劣质燃料利用及城市集中供热等方面得到广泛应用，为市场提供了超过2000余台具有自主知识产权的循环流化床锅炉产品，实现产值累计超过100亿元。

 

 

当前，工程热物理研究所成功参与到国家“十一五”科技支撑计划项目“超临界循环流化床锅炉”的研究开发任务中，并正与上海电气（集团）合作开发针对实际工程的超临界循环流化床锅炉产品。超临界蒸汽循环可大幅度提高电厂发电效率，将超临界技术与循环流化床技术结合，可使循环流化床锅炉技术成为名副其实的高效清洁煤燃烧技术，也将使供电效率提高到43.2%，不但环保性能突出，而且可高效经济运行，其节能效果明显，商业前景十分光明。由于世界上对于超临界循环流化床的研究还处于起步阶段，没有实际应用，大量的、基础性的问题还亟待解决，工程热物理研究所将抓住机会，迎接挑战，期望通过5~10年的时间，完成这项历史赋予他们的光荣使命。

 

 

中国科学院工程热物理研究所依托学科及团队优势，自1997年起，对垃圾综合处置、利用开展了系统研究和应用开发，形成了一批具有自主知识产权的专利成果，并在国内十余城市推广应用，不仅实现了重大环保设备的国产化，推进了国家环卫行业的技术进步，而且为实现我国节能减排目标和实现“绿色北京、绿色奥运”作出了贡献。

 

 

垃圾填埋堆体中的生物质在厌氧发酵条件下将产生大量的填埋气，其中含有甲烷（占50%~60%）、二氧化碳和其他微量气体（占40%~50%）。填埋气不仅易燃易爆、污染环境，而且其中的甲烷所造成的温室效应是二氧化碳的21倍，属于强温室效应气体。通过将填埋气收集后进行燃烧，可以大大减少温室气体的排放。针对国外进口设备价格昂贵、负荷调节比小（只能达到20∶1）的现实情况，该所研究团队经过5年潜心研究，成功研制出国内首台自主知识产权的填埋气焚烧火炬系统，并在北京、深圳、上海、湘潭、厦门等城市的10余处垃圾填埋场成功推广应用。该火炬系统火焰稳定，燃烧效率高（大于99%），负荷调节比大于100∶1，能适应恶劣气象，具有自动化程度高、点火容易和熄火、回火、停电等保护功能，专家评审认为其技术水平达国际领先。

 

迄今为止，全国运用该技术的火炬系统日处理填埋气能力已超40万立方米。

 

 

利用填埋气发电是“变废为宝、能源再生”的有效方式。我国每年填埋生活垃圾超过1亿吨，典型的城市生活垃圾每千克可产生0.064~0.44立方米填埋气，全国每年的城市生活垃圾将产生104~716亿立方米的填埋气，因此填埋气也是一种不可忽视的资源。

 

该所研究人员以国产柴油机发电机组的基本结构为基础，成功改造出以填埋气为燃料的发电机系统。新一代填埋气发电机组运用新型储气腔换气、多腔室预燃室燃烧的方式，单机容量达500kW，发电效率达33%以上，不仅满足了动力性、可靠性和经济性的要求，还进一步降低了温室气体的排放量。

 

该火炬及发电系统相对国外设备具有独特的优势和市场竞争力。一是市场潜力巨大，全国上千个垃圾填埋场对填埋气火炬和发电设备的市场需求巨大。二是价格低廉。具有自主知识产权的填埋气内燃机发电机组和焚烧火炬售后服务方便快捷，易损零部件容易获得，费用低廉，价格优势明显，同时还可出口其他国家。三是具备广泛的适应性。填埋气和沼气均是生物质厌氧发酵的产物，成分相近，因此填埋气发动机和填埋气火炬也可用于污水处理厂、大型禽畜养殖场及各类沼气工程等。

 

 

针对多数垃圾填埋场远离输电网络、产气量相对较小或地点偏远，无法采用发电形式对填埋气加以利用的情况，该所研究团队还适时启动了以填埋气为化工原料生产民用液体燃料——二甲醚的研究。该所联合中国石油大学、北京公用事业科学研究所、北京环卫集团等，以国内成熟的“合成气一步气相法制二甲醚”技术和相关设备为基础，进行工艺流程和设备部件改造，通过中试试验，已取得了关键性成果，形成了完整技术路线。目前，该所正与北京市环卫集团合作，准备启动研建年产二甲醚5000吨级的工业示范装置。

 

作为一种优质、清洁的燃料，二甲醚近年来被用作液化石油气（LPG）理想的替代品。此外，利用天然气或煤炭生产二甲醚的技术已被广泛研究并实现了工业化，但随着当前天然气和煤炭的采集成本不断飙升，二甲醚生产成本猛涨，已超过3000元/吨，而利用填埋气为原料生产二甲醚，生产成本仅在1000元/吨左右，不仅经济效益显著，而且市场应用前景广阔。

 

 

 

工程热物理研究所自2004年开始，在徐建中院士的领导下，致力于大型风电叶片相关技术领域的基础理论研究，在推进我国具有自主知识产权的风电叶片的产业化，以及参与风电叶片标准体系的研究和标准制订等方面取得了丰硕的成果。主持并完成了多项863项目的研究任务，并与国内风电产业布局比较完善的保定高开区合作，成立了国内第一个专门从事风电叶片研发与生产的企业——华翼风电叶片研发中心。

 

2007年11月，国内第一片自主知识产权2.0MW、单片长38米的风电叶片正式下线，目前国内生产的风电叶片最长为40.25米，但发电功率只能达到1.5MW。先进的产品引来了众多同行的关注，现已有国内近十家单位提出了购买叶片、模具、生产工艺，以及注资与合作开发的意向，预计年产值将达到亿元以上。

 

 

生物质燃烧发电具有原料适应性广、处理量大、能源转化速度快等突出的优点。

 

工程热物理研究所在成功推进循环流化床燃煤锅炉产业化的基础上，从2004年开始部署大规模生物质燃烧发电锅炉的研究开发工作，已完成了包括玉米、小麦秸秆、玉米芯、稻壳、果木枝条、锯木屑、木屑等在内的生物质燃料的燃烧特性、烧结特性和排放特性研究，成功开发出循环流化床生物质直燃专利技术，并与国内锅炉制造企业合作，完成了35t/h（6MW）、75t/h（12MW）、130t/h（25MW）容量等级生物质循环流化床发电锅炉的设计方案。

 

当前，该所生物质燃烧发电技术已进入技术示范阶段，拟通过建设25MW级发电规模的生物质燃烧发电锅炉技术示范工程，掌握秸秆类生物质规模燃烧的关键技术，建立生物质锅炉设计准则，形成具有自主知识产权的秸秆类生物质循环流化床锅炉技术。

 

 

一是槽式太阳能集热系统。

 

已经完成10kW槽式太阳能实验台建设和实验，设计的200kW槽式太阳能集热系统将于2009年初建成。该系统为太阳能空调、太阳能海水淡化，以及太阳能提供工业蒸汽等太阳能热利用技术奠定了基础。

 

二是槽式太阳能热化学利用技术

 

太阳能燃料转换是基于太阳能热化学原理，利用太阳热能驱动化石燃料分解、重整等吸热反应，将中低温太阳热能转换为高热值、清洁的气体燃料，如氢、合成气等。

 

该所研究人员开展了太阳能甲醇分解制合成气、太阳能甲醇重整制氢等关键过程的千瓦级实验研究，研制成功的“高效一体化太阳能吸收－反应器”攻克了中低温太阳能燃料转换的关键技术难题。提出了槽式太阳能净发电效率达到30％的新型太阳能与替代燃料互补的热电循环，研究成果为开拓新一代太阳能与化石能源互补的热电系统提供理论和实验依据。

 

 

 

以微型燃气轮机为核心的分布式供能系统是21世纪的高效、清洁能源技术的重要发展方向之一，同时微型燃气轮机也是国防建设急需的装备。

 

该所参与完成了国家“十五”863计划能源技术领域燃气轮机专项“100kW级微型燃气轮机及热电联供系统研制试运”项目，其成果缩小了我国微型燃气轮机技术与国际先进水平的差距，形成了微型燃气轮机关键技术的自主知识产权，填补了国内空白，使我国成为初步掌握燃气轮机设计、制造、试验技术和成套能力的国家。在“十一五”期间，正在开展以工程化和产业化应用为目标的微型燃气轮机整机结构性能优化及冷热电供能系统工程示范研究，努力实现微型燃气轮机由基础研究、应用基础研究走向工程应用的跨越。

 

 

流体机械是机械动力行业的最核心部分，其性能和质量对节能降耗、保障国家能源安全具有非常重要的意义。

 

该所针对汽轮机、风机、烟气轮机、高炉余压透平、空气炮等流体机械，在基础研究、应用开发和产业化方面取得了一系列研究成果。先后获得国家自然科学二等奖2项、国家科技进步二等奖5项，以及院省部委级一等奖17项、二等奖9项，申请国家专利100余项，并取得了显著的社会经济效益。

 

 

IGCC（全名：Intergrated Gasification Combined Cycle）即整体煤气化联合循环发电，是新一代先进的净洁煤燃烧发电技术。

 

煤气化多联产技术实现了资源、能源、环境一体化。一是使污染物的排放指数大大降低，达到标准要求并实现综合利用；二是通过各工艺路线的链接和耦合，实现能量的梯级利用；整体集成后可使发电效率提高约10%，成本下降30%，同时使化工产品的生产成本大幅降低。

 

工程热物理研究所自上世纪90年代开始进行煤多联产的研究和探索，10余年以来，不断攻克技术难题，突破技术封锁和限制，通过自主研发关键技术，掌握了煤气化联产发电系统核心技术和优化集成技术，在国内率先成功示范。

 

在“十五”863课题“煤气化发电与甲醇联产系统关键技术的研发与示范”项目中，该所研发团队发挥技术优势，将各项成熟技术应用于兖矿集团有限公司60MWe级发电能力和24万吨级甲醇/年生产能力的煤炭联产系统示范工程实施中。

 

2006年初，该示范工程通过了山东电力研究院168小时连续运行性能考核试验，考核结果表明：在基本负荷下联产系统总能利用效率较分产系统相比提高了3个百分点，发电系统功率和循环效率均达到设计要求。2006年4月23日，工程热物理研究所与兖矿集团国泰化工有限公司签署了机组交接协议书，联产系统投入商业运行。自2006年4月以来，兖矿集团示范工程经历了各种运行工况和运行模式，各子系统工艺流程完全满足了生产的需要，既实现了设计的预期目标，又充分发挥了系统优化集成的综合优势。目前示范工程累计已安全运行8000小时，经济效益2亿多元。

 

（作者单位：中国科学院工程热物理研究所）

 

《科学新闻》 (2008年 11月 第1期 工作研究)