13、锅炉高效低污染燃烧技术.doc

西安交通大学科技项目选编目录1、锅炉高效低污染燃烧技术22、拟先进燃烧理论研究83、液幕床湿法烟气脱硫技术104、锅炉水动力学及传热特性研究115、锅炉材料及长期服役安全性能保障关键技术126、饱和蒸汽汽轮机设计的关键技术157、蒸汽发生器水力特性及其传热强化16联 系 人：林 艺、殷秋萍联系电话58286105电子邮箱：、1、锅炉高效低污染燃烧技术成果简介：1、一次风折边型夹心风燃烧器设计技术西安交大负责承担的国家科技攻关项目“夹心风燃烧器的研制”，实现了以下创新：（1）充分发挥向火侧一次风的着火优势，形成稳定着火源的煤粉着火稳定性；（2）提出强湍动、迎向炉内上游高温气流的折边型一次风喷口新结构及空气动力参数；（3）发明了着火稳定性好、适应于不同煤种的、型一次风折边型夹心风燃烧器。该成果在江西、广西、河南、四川、陕西等电厂50MW-100MW机组的锅炉上得到了成功的应用，在燃烧劣质烟煤、贫煤和无烟煤时锅炉燃烧稳定，炉膛温度显著提高，锅炉燃烧效率约提高3%4%，锅炉负荷率、可调率明显提高，取得了显著经济效益和社会效益。该研究成果获国家“六五”科技攻关成果奖，1987年获国家发明三等奖， 1988年被国家教委列为“六五”以来经济效益超过1000万元的九个项目之一，并获国家发明专利。2、可调水平浓、淡燃烧技术为解决我国低质煤稳定着火、燃烧和低负荷调峰能力及降低烟气中NOx ，1987年西安交大提出变异煤粉浓度燃烧器的构思并开始研究。该技术主要是针对四角布置直流式燃烧器，提出了一种新型燃烧器结构，使得一次风气流在水平方向上向火侧和背火侧分别为浓、淡燃烧；研发出一种简单低阻的煤粉浓缩器，实现了向火侧高煤粉浓度、高温和高湍动度的稳定着火，解决了低质煤稳定燃烧的问题，并具有较好的低负荷稳定燃烧性能和降低NOx 的作用。在背火侧实现低煤粉浓度、低温燃烧，这可防止煤粉气流刷墙结焦的问题。在此基础上，又进一步开发了可调水平浓淡煤粉浓度的调峰型燃烧器，实现机组负荷变化情况下，向火侧和背火侧煤粉浓度比例的灵活调节，使锅炉保持在最佳煤粉浓度比例的状态下运行，从而提高锅炉运行的经济性和安全性。 3、WR宽调节比燃烧器设计技术WR宽调节比燃烧器是用于大容量电站锅炉实现浓淡燃烧、调节锅炉负荷、降低烟气中NOx的一种新型煤粉燃烧器，适用于四角布置直流式煤粉燃烧器组织上下浓淡燃烧。西安交大和上海锅炉厂有限公司已经在该领域展开合作，针对引进型宽调节比燃烧器的结构，对关键技术进行消化、吸收和提高，使该燃烧器达到国内自主设计和生产的能力。经大量的热态试验研究，已在300MW机组锅炉的设计、生产、运行中得到了应用，并取得以下成果：（1）得到宽调节比燃烧器燃烧晋东南无烟煤和陕西贫煤时一次风平均煤粉浓度和浓、淡侧煤粉浓度比例的最佳值，提出了组织煤粉燃烧时存在最佳煤粉浓度的理论，开发了该燃烧器组织浓淡燃烧的技术关键；（2）得到该燃烧器组织炉内燃烧时沿炉膛高度和宽度的温度分布和热负荷分布的规律，为工程技术提供科学依据；（3）得出了该燃烧器组织炉内燃烧时碳粒沿炉高的燃烧过程和变化规律，为锅炉整体布置设计提供了依据。4、轴向叶片旋流式煤粉燃烧器多年来，我国电站锅炉的燃烧设备主要以直流式四角切圆燃烧器为主，作为锅炉的另一种燃烧设备旋流燃烧器在我国发展相对较慢。六、七十年代我国投运的200MW以上机组的旋流燃烧器煤粉炉大多数是从原苏联引进的。这些引进机组中锅炉的燃烧器结构主要为双蜗壳旋流燃烧器和切向叶片旋流燃烧器，它们的主要特点是结构简单，制造、运行方便，炉膛出口气流偏差小，在煤质稳定、锅炉负荷不变的情况下基本能维持运行，但这种燃烧器存在以下几个缺点：（1）旋流强度不能调节或调节范围很小，对锅炉负荷变化适应性差；（2）燃烧器出口煤粉分配极不均匀（一般煤粉浓度分布的不均匀性系数达0.450.49），引起锅炉燃烧不稳定；（3）煤种适应性差，阻力大。所以在煤种和锅炉负荷稍有变化时就要投油助燃，运行经济性很差，更不能满足用电峰谷差变化时的低负荷运行。（4）该燃烧器的二次风采用径向进风的大风箱，在二次风箱出口的二次风管与一次风管的夹层通道内加装轴向叶片，轴向叶片的调节机构在二次风管外，避免了二次风叶片调节机构受热膨胀卡死的问题，从根本上解决了旋流燃烧器的调节问题。因此，可根据燃料的特性在0 90的范围内灵活调节轴向叶片的开度，使之产生不同的旋流强度和中心回流区，扩大煤种适应性和提高锅炉低负荷运行的调节能力。轴向叶片旋流式煤粉燃烧器结构图和在200MW锅炉炉膛实测流场图经大量的试验研究和工业性试验得到了设计该燃烧器完整的结构参数和空气动力参数，并在200MW机组锅炉上得到了推广应用。该成果1994年在清河电厂200MW机组的锅炉上得到应用，燃烧铁法劣质烟煤时机组负荷在60时不需投油助燃，仍能稳定燃烧，年节约助燃油12000多吨，年直接经济效益1080多万元，并大大减少了机组事故，提高了机组运行的经济性和安全性。1994年该燃烧器又先后成功地应用在山西漳泽电厂四台200MW机组锅炉上，燃烧山西漳泽贫煤时，锅炉在50负荷下运行不需投油助燃能稳定运行。1996年获山西省电力工业局科技成果二等奖.5、煤粉浓淡燃烧和低NOX旋流燃烧技术在用轴向叶片旋流式煤粉燃烧器解决了辽宁清河发电厂和山西漳泽发电厂引进前苏联的200MW机组的燃烧稳定性等问题的同时，西安交大开发的旋流燃烧器技术进行了深入的研究，得到了空气分级周向煤粉浓淡燃烧的低NOX燃烧器的空气动力参数和结构参数等重要设计数据，并在江苏利港电厂、宁夏石嘴山电厂得到了应用。通过试验研究总结提出了一种新型径向浓淡式旋流燃烧器，并获得了发明专利（ZL031343171）。在西安交大1MW的热态试验炉上组织了热态试验研究，得到了组织高效低NOX燃烧的重要科学数据和设计参数。这些新型旋流燃烧器技术的开发，对我国大容量高参数机组锅炉技术的进步和发展将起到积极的推动作用。 6、W形火焰锅炉的设计技术研究W形火焰锅炉是国内引进美国福斯特惠勒公司的技术，其特点是煤粉空气混合物经旋风分离式燃烧器或惯性分离式燃烧器浓缩后从拱顶喷入炉内，分级二次风从两侧墙送入。由于浓煤粉气流从拱顶喷入炉内后向下运动，所以其浓度可以较常规燃烧器高得多，这对组织无烟煤的着火和燃烧是很有利的。但若组织不好则易出现气流短路，引起超温和结焦。为了能更好地掌握W形火焰锅炉的设计、运行参数，优化设计，西安交大组织了炉内冷态模化试验、旋风分离式煤粉燃烧器的气固两相流试验，得出了一套可供工业设计运行的结构参数和空气动力参数。并率先提出了组织形燃烧火焰的构思，经实验得到了实现形燃烧火焰工况的空气动力参数和结构参数。目前正在开发拱上分级送风技术，以求降低NOX的排放。7、大容量锅炉炉膛出口气流偏差的原因分析及对策近年来，我国的电力工业以前所未有的发展速度增长，大量的大容量火电机组投入运行。但大容量机组投运以来出现的突出问题是锅炉炉膛结渣，出口水平烟道左右两侧烟温差及流速偏差大，过热器和再热器局部超温爆管等更为突出。本研究对大容量锅炉炉膛出口气流偏差的原因进行了详细的理论分析和实验研究，找到了炉膛出口残余旋转的动力源，提出了削弱该动力源的措施，建立了炉膛出口残余旋转强度的基本关联式及消旋数值计算软件。在研究基础上，在国内首次提出用反切与正切射流的旋转动量流率矩之比XJ这个无量纲准则数来作为炉内燃烧空气动力工况的基本判据，即用反切动量流率来消除炉膛出口的残余旋转，减小炉膛出口烟温和汽温偏差。该成果1999年通过国家机械工业局组织的技术鉴定：专家认为用反正切动量流率矩之比的无量纲准则数控制偏差，在国内外均属首次，达到国际先进水平。 8、600MW褐煤锅炉炉内空气动力工况及燃烧器的研究为了开发国产大容量锅炉技术，上世纪80年代初，国内引进了有十字风和周界风燃烧褐煤的600MW锅炉技术，并组织对引进技术的消化、吸收和提高的技术研究工作，通过组织炉内冷态实验和燃烧器模化实验，掌握了该锅炉和燃烧器的关键技术，为国产化设计提供了可靠的科学数据。该研究成果1978年获全国科技大会奖。9、循环流化床型高温热风炉系统热风炉广泛用于农产品、食品、医药药品、化工原料、轻重工业产品的加热除湿，还可用于各种设施的加热以及库房除湿等。现有燃煤热风炉大都采用水平往复炉和链条炉，存在诸如热效率低、使用寿命短、体积庞大等缺点；产生的热风温度一般在300左右，燃烧效率不到50；燃用煤种单一，主要以优质煤为热源，煤种适应差；使用寿命短，一般不到3年；维护和运行费用昂贵；污染严重，脱硫效率低，氮氧化物排放高达6001000mg/Nm3；运行不稳定，负荷调节范围小，负荷不能太低等。而循环流化床锅炉燃料适应性广，可以燃用优质煤，也可以燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、泥煤等；染排放物低，脱硫效率高达90以上，氮氧化物排放只有50150ppm；炉膛单位截面积的热负荷高，可以到达并超过煤粉炉，因此锅炉所耗金属少，造价便宜；运行维修费用低；负荷调节范围大，负荷调节快，一般负荷在50情况下仍然可以稳定运行；投资和运行费用适中，和配有脱硫设备的煤粉锅炉相比，可以降低1520。因此采用循环流化床设计一种热风洁净、温度高、设备运行稳定和维护费用低、效率高、使用寿命长及无污染的热风炉，是一项适应工业发展要求的具有重要意义的技术成果。为了弥补现有水平往复炉、链条炉等热风炉燃烧效率低、污染严重的缺点，本发明采用循环流化床技术对热风炉进行设计。基于上述原则本发明的目的在于，提出一种新型的循环流化床热风炉系统，能使热风炉达到热风洁净高温、节能环保、经济可靠的要求。本发明的独特之处还在于：（1）炉膛水冷壁采用直流锅炉形式，盘绕一次上升管，在炉膛内增加了受热面，可以使整体结构更加紧凑，同时可以防止高温烟气直接冲刷炉墙，降低了炉墙温度，从而可以延长炉墙寿命并且减少高温耐热钢的使用；在二次风附近引入从尾部抽出的烟气，进行烟气再循环，实现低温燃烧，并达到调整炉膛出口烟温、强化烟气侧传热和实现快速负荷调节等要求，降低锅炉运行费用；（2）在空气预热器部分采用加入扰流子(扭片)的办法，达到强化传热的目的；（3）采用间壁式加热装置，可以保证热风的清洁度；（4）此外，经过对系统各部分进行详尽的计算和优化布置，针对不同装置温度的不同来选择钢材，尽可能减少昂贵的耐热钢的使用，可以在保证装置强度的基础上最大限度的减少成本。因此，该发明设计的循环流化床热风炉是一种热风清洁、风温高、投资小的适应现代化发展要求的高效节能型热风炉。其特点如下：（1）可以提供高达550的洁净热风；（2）结构简单、有效，钢材耗量小，制造成本低；（3）采用了一系列强化换热措施，排烟温度低，热效率高；（4）由于炉内处于相对较低的燃烧温度，因此氮氧化物排放减少，具有一定的环保优势。10、用于实现城市生活垃圾高效洁净燃烧的新型复合循环流化床系统目前，我国的城市生活垃圾的年产量已经达到1.5亿吨左右，累积量则在60亿吨以上，而到2010年时中国城市垃圾将达3.7亿吨。据专家统计全国现有668个市，三分之二都在垃圾环带的包围中。目前，一方面我国城市生活垃圾年产生量在迅速增长，另一方面我们有效处理垃圾的方法还不多，垃圾处理技术还很落后，真正符合国家环境控制标准和建设标准的垃圾无害化处理率仅有25%左右。而且垃圾长期大量堆积，给环境带来了极大的危害。垃圾焚烧是通过高温燃烧减少可燃废物，将垃圾变成惰性残余物。垃圾焚烧处置具有显著的特点，即减容减量效果明显，一般减容8090；无能彻底地消除细菌、病毒、氨气、有机质废气，并能使有害气体和烟尘通过净化处理达到环保要求；适应能力较强，只要垃圾的热值达到3344kJ/kg以上就具有利用价值；节约场地，运行费用低。但是，垃圾焚烧也存在一些缺点，如：（1）一次性投资大，投资回收周期长；传统的焚烧技术难以保证焚烧处理的无害化程度，也难以适应生活垃圾因季节和气候变化而导致生活垃圾中热值、水分含量的变化；（2）而且，如果焚烧技术不先进，配套设备不完善，生活垃圾的焚烧容易产生严重的二次污染，这种污染主要体现在焚烧后尾气的排放上，如排放废气中的烟尘、排烟黑度、一氧化碳、二氧化硫等污染物严重超标，更令人担忧的是焚烧厂排放废气中的二噁英类物质严重超标。为此，特别针对城市生活垃圾焚烧过程中二噁英的产生以及为达到高效燃烧的目的，对循环流化床垃圾焚烧炉进行了创新设计。提出一种新型复合循环流化床系统，用于实现城市生活垃圾的高效、洁净焚烧。为了实现上述目的，本发明从延长固体颗粒炉内停留时间和强化燃烧两方面出发，在外循环的基础上附设内循环以形成物料的高温复合循环。11、 撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉在石油工业中，把蒸汽锅炉(注汽锅炉)产生的蒸汽注入油井中以提高采油率，是原油常用的热采方法之一。由于所需出口蒸汽压力变化范围较大（从6MPa到20MPa），所需出口蒸汽干度变化也较大（从50%到100%），且需要撬装和便于运输，因而只有采用结构简单的直流锅炉才能满足这些要求。目前国内外注汽直流锅炉出口压力均为亚临界压力，最高达到20MPa左右，尚未见生产出超临界压力注汽锅炉的报道。为了进一步提高油田采油率，有必要研制开发超临界压力注汽锅炉。为此，在综合考虑火电厂超临界压力直流锅炉所遇到的问题的基础上，于1998年在国内首次开发成功了燃油超临界压力直流注汽锅炉（26MPa，390）。开发出了可靠运行的超临界压力注汽锅炉方案及系统，并着重解决了受热管内的工质流量脉动问题、工质传热恶化问题、管内积盐问题、水质和水处理系统等问题。所设计的系统紧凑，不仅能满足采油工作地点不断变换的需要，而且方便运输。在超临界压力注汽锅炉的受热面布置上采用了辐射受热面和对流受热面两级布置，工质与烟气流动方向总体是逆向流动。这样布置有利于提高换热，同时有效地减少了受热面的分级，使锅炉结构紧凑、实用，而且工质侧流动阻力较低，降低了克服阻力的能耗，提高了系统的经济性。其中，辐射受热面总体呈圆筒形，与长方形炉膛相比，其对称性提高，具有以下优点：（1）可以保证炉膛水冷壁受热均匀，防止热偏差出现；（2）可以防止烟气死区的出现，使得辐射受热区内烟气的流动更为顺畅，减少烟风阻力；（3）圆筒形炉膛的结构强度、稳定性更好，更适应于频繁移动。对流受热面为一梯形结构，沿烟气流向其横截面不断缩小，这样设计最大程度地保证了横向冲刷对流管束的烟气流在各个截面上取得一致的烟速，使得对流受热管受热均匀。为了减少炉墙的散热损失，提高锅炉的效率，本发明采用了三层炉墙结构，不仅具有优良的保温性能，而且整个炉墙轻便适用，方便运输和安装，非常适用于油田的热采驱油，可进一步提高采油率，增加油田的经济效益。 12、工业锅炉型煤技术我国的能源储备特征决定了短期内我国还无法改变对煤炭资源的依赖，根据国家的中长期能源发展规划，至2050年，煤炭在我国能源消费中的比重仍高达50%。但是，大量燃煤带来严重的环境污染问题。为解决我国大量工业锅炉的SO2排放问题，国务院1998年颁发了城区禁烧散煤令，随后各级政府相继出台了禁烧散煤的具体执行时间表。虽然一些发达地区已经开始将天然气、重油等作为工业锅炉燃料，但是我们必须看到，要在全国范围内尤其是一些经济欠发达地区禁烧散煤而推行液化气、天然气等清洁燃料是有很大难度的。而型煤作为燃料比液化气、油等燃料价格低廉很多。随着煤矿生产机械化水平提高，炭块率也相应降低，煤炭市场就形成了炭块供不应求，粉煤堆积如山的状况，大量价格低廉的粉煤为型煤生产提供了充足的原料。以粉煤为原料生产型煤，可以进一步降低型煤生产成本。因此，型煤产业在我国应该说有着广阔的市场前景。国家环保部门已于2000年开始在全国全面推广工业型煤以解决我国严重的大气污染问题，这为我国工业型煤产业的发展提供了一个良好契机。从燃烧效果看，型煤相对散煤的优势更为明显：（1）虽然型煤看起来与空气接触面积比散煤小，但实际上它的孔隙率比散煤均匀的多，一般为20%30%，无论是园柱状的或是球状的型煤，其表面都比较规整、光滑，燃烧时火苗从园柱体或球体孔隙中窜出，火焰比燃烧散煤均匀稳定；（2）可使空气过量系数明显降低，炉渣含炭量也可减少，从而减少了排烟和机械不完全燃烧损失，因此可以提高锅炉效率5%13%左右；（3）减少了漏煤量，相对燃烧散煤可有10%20%左右节煤率；（4）反应活性比散煤高；（5）使燃料燃烧更充分，苯并芘（致癌物）排放量大大减少；（6）烟尘排放量大幅减少；（7）固硫剂使SO2排放浓度显著降低。综合以上型煤诸多优点可以看出，以型煤代替散煤供工业锅炉燃用，不仅是解决煤烟型大气污染的有效措施，也是改善燃烧、提高锅炉效率、节约能源的有效措施。而且，不再需要另设除尘、脱硫装置，大大减少了锅炉的制造成本和报价，具有良好的经济效益。目前，国内已有8t/h以下的型煤锅炉生产厂家，但是对量大面广的10t/h以上的大型型煤锅炉目前国内还是空白，而其市场前景巨大，相对工业散煤锅炉和燃油燃气炉在经济性和环保性能上更具优势，更易为用户和国家职能部门接受（成本低，节能，环保），也能获得国家相关政策的支持。目前，西安交大已经开发出了4个系列的型煤和生物质型煤配方（已申请国家发明专利），并开发出了10t/h以下的系列型煤锅炉。作为面向更大市场的大型型煤锅炉，希望能与国内相关企业进行联合开发，将其尽快推向市场。合作方式：联系人：余海荭电话：133386964392、拟先进燃烧理论研究成果简介：1、先进燃烧理论之煤的超临界水热燃烧长期以来，燃煤是主要的能源消费方式，但是传统的火焰燃烧存在着以下不足：燃烧过程存在不可逆的化学火用损失，造成能量品位损失增大，最终导致能量转化率降低；伴随燃煤过程排放的SOx 、NOx和烟尘等是我国大气污染的主要来源，这与能源环境相容协调发展的指导思想相悖离。针对这种现状，国内外学者提出了多种洁净煤发电技术，但它们都是以火焰燃烧方法为基础的，不能从根本上杜绝污染物的排放。超临界水热燃烧技术是解决这诸多问题的有效手段，煤的超临界水热燃烧技术是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，以超临界水为介质进行煤粉燃烧。水热燃烧和火焰燃烧的根本区别在于两种情况下氧气存在的介质不同：（1）普通燃烧条件下，氧气（或空气）与反应物为气固异相反应，两者间存在相界面，燃烧速度和燃尽程度受到传质阻力的约束；（2）在水热燃烧条件下，超临界水能使空气或氧气与有机物以任意比例混溶，反应速度不再受氧的传质控制。在燃烧过程中，煤中的灰渣等将在水中沉积，不会随“烟气”进入到大气中；（3）水热燃烧的最终气相产物为CO2和N2（用空气作氧化剂），通过分离后可以收集CO2，不仅有效控制了CO2的排放，还可以通过出售CO2副产品取得一定的经济效益；反应产生的大量热能可用于发电。其优越性归纳如下：水热燃烧可有效地利用燃料的化学火用，能量转化效率高；燃烧过程为无焰燃烧，没有可见光的光能损失；环境友好，不需要昂贵的脱硫脱硝设备；二氧化碳可以较容易地分离处置或利用。西安交大在超临界水热燃烧技术研究方向已取得如下进展：(1) 在自建的连续式反应系统上开展了煤炭超临界水热燃烧的实验研究，研究表明：在反应时间为120s左右时，煤炭固体的减失率达到90%以上，煤炭中的大部分有机物被氧化分解。气相产物为二氧化碳和氮气，没有H2S、SOx、NOx等有害气体。在归纳反应数据的基础上得到了煤炭消失动力学，并深入到煤的微观结构探讨其反应机理和反应路径；(2) 研究了煤炭中污染源元素硫、氮在燃烧过程中的迁移规律：赋存于煤炭固体中的有机硫在反应中逐步向液相迁移，转化途径为：S2-S2O32-SO32-SO42-，不同价态的硫元素最终溶于反应液中形成酸根离子；煤炭中氮元素的燃烧产物以液相产物氮(酸根离子)、气相产物氮(氮气)两种形态存在，未完全燃烧氮滞留在固态残渣中。其中，有机氮以超临界水为介质燃烧时，其中间产物为氨(NH3)，氨的进一步氧化比较困难，是氧化反应的速度控制步骤；(3) 利用正、反平衡方法进行了反应系统的热分析，在本实验条件下(30MPa、600、75s)，系统热效率可达80%以上，经系统优化后热效率将会进一步提高。前景展望：煤的SCWO作为一种替代燃烧技术，将能量的高效转化利用与除尘、脱硫脱硝、二氧化碳的分离控制集成一体，具有常规火焰燃烧技术无法比拟的环境效益和经济效益。但是，从实验室研究到中试装置再放大到大容量的发电系统还存在一系列的问题需要进一步解决：如在超临界水中，如何选择反应管材料来防止腐蚀？如何带走产生的灰渣？如何在超临界区设计高效换热器？如何匹配不同的热力设备，进行能量利用系统的优化等等，都需要进一步更细致的研究。2、先进燃烧理论之工业废气的化学链燃烧技术（CLC）研究化学链燃烧（CLC）在20世纪80年代就被提出来作为常规燃烧的替代技术。其基本原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧反应借助于载氧剂（Oxygen Carrier，OC）的作用分解为两个气固反应，一方面利用载氧剂分离空气中的氧，另一方面载氧剂将分离的空气中的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧。其技术原理示意图如图所示：化学链燃烧方式与传统的火焰燃烧方式相比具有以下优点：（1）火力发电技术，能源利用效率还可提高35%；（2）为无焰燃烧技术，燃烧过程中无可见光损失；（3）燃烧过程中和空气不直接接触，从根本上杜绝了燃料型、热力型NOx的产生；（4）燃烧产物为CO2和水蒸气，CO2没有被N2稀释，可以通过冷凝水蒸气的方法回收利用，不需要额外能量和常规的分离装置。相比带有CO2分离装置的1200级燃气蒸汽联合循环IGCC热力系统，效率又可因此提高高510%。因此，化学链燃烧技术是解决能源与环境问题的创新性突破口。国内外对化学链燃烧技术的研究最先采用的是气体燃料，包括甲烷、一氧化碳、氢气、合成气和煤气化产物等。而目前美国一些研究机构已经证明了煤、萘等固体燃料进行化学链燃烧的可行性，扩大了此技术的应用范围。针对目前大量存在的工业废气如焦炉煤气、高炉煤气、通风瓦斯等，西安交大已经开始进行了面向商业化应用的化学链燃烧技术的研究，基本掌握了其技术路线，开发设计了相应的实验系统，并已开始进行试验系统的搭建工作。我国焦炉煤气、高炉煤气、通风瓦斯等低品位能源排放量大（仅山西省每年排放的焦炉煤气即达200亿m3以上）、回收利用少、大量排空，不仅造成了稀缺资源的极大浪费，同时对环境也造成极大的污染（甲烷的温室效应是二氧化碳的20多倍！）。以化学链燃烧技术为核心的能量转化利用系统一旦实现工业化应用，不仅可以高效、清洁地利用常规气体燃料发电，而且可以在有效地利用工业废气的反应热，实现废气的资源化利用，实现环保效益和经济效益双丰收。联系人：余海荭电话：133386964393、液幕床湿法烟气脱硫技术成果简介：该项目主要的目的是研发我国自主知识产权的湿法烟气脱硫技术，由西安交大首次提出了“液幕式石灰石石膏法烟气脱硫技术”，其主要思路是将含有SO2的烟气通过顺流或逆流的方法穿过用一定压力喷起的石灰石浆液液幕，在此过程中SO2被溶解于石灰石浆液中经化学反应生成Ca(HSO3)2及CaSO3，含有Ca(HSO3)2及CaSO3的石灰浆液返回到浆液池与送入池中的O2进行化学反应生成CaSO4。两年多来，西安交大展开了以下研究：（1）SO2 溶解的多相相平衡问题及湿法脱硫基础化学分析方法；（2）酸性溶液中石灰石消溶特性研究；（3）液幕式湿法脱硫中竖直射流回落液量分布规律；（4）吸收塔内的流动阻力、传热传质规律；（5）湿法烟气脱硫浆液池中气液两相传热与传质规律；（6）湿法脱硫系统中波形板除雾器除雾性能试验等有关湿法烟气脱硫中的流动、化学反应动力学的基础研究工作。并取得以下初步成果：（1）得到和提出了石灰石活性试验方法及判断准则关系式；（2）首次开发出气-液-固三相相平衡的计算方法和软件；（3）得到了单喷嘴、组合喷嘴液幕分布的基本规律和阻力特性；（4）掌握了塔内气液两相流动、传热规律；（5）初步提出了浆池中气液固传热传质的基本关系式；（6）得到波形板除雾器分离特性的重要科学数据。 这些应用性基础理论研究成果对建立完善湿法烟气脱硫的基础理论体系，开发自主知识产权湿法烟气脱硫装备有重要的理论和实用价值。该研究成果在重庆远达环保公司的电站脱硫项目的设计中得到了应用，并取得了很好的经济和社会效益。2004年经陕西省科技厅主持鉴定认为：“研究成果总体达到了国内领先水平。石灰石活性判断、相平衡计算方法和液幕床设计达国际先进水平。”2005年获教育部提名国家科技进步奖二等奖。 联系人：余海荭电话：133386964394、锅炉水动力学及传热特性研究成果简介：1、1000MW级超超临界锅炉水动力与传热性试验研究对垂直内螺纹管和倾斜上升光管内水在亚临界，近邻界、超临界、超超临界区的流动传热规律进行试验研究，得到了不同工况下的流动传热规律、以及发生传热恶化时的壁温飞升峰值。在锅炉工作的压力、热负荷、质量流速及进口过冷度范围内，进行螺旋管圈的流动不稳定性实验研究，得到密度波型脉动与压力降型脉动发生的边界条件和各种热工参数对脉动发生的影响规律。开发了1000MW超超临界垂直管圈锅炉水动力特性计算程序。2、1000MW级超超临界锅炉启动和旁路系统研究在对国内外已经投运和在建的大型亚临界与超（超（临）界机组锅炉启动系统和汽轮机旁路系统的设计和运行情况进行广泛调研和资料收集分析的基础上，根据超超临界锅炉和汽轮机启动运行特性及事故处理方案，对不同型式的锅炉启动系统及汽轮机旁路系统的系统配置、优缺点、运行控制性能、维护保养费用进行了深入的系统研究和分析比较。并结合我国当前经济社会发展现状、发电设备设计、制造和运行水平以及电网结构与运行特性，提出了适合我国国情的超超临界锅炉启动系统及汽轮机旁路系统的系统配置、选型原则和技术经济分析方法。3、1000MW级超超临界锅炉启动特性计算研究在建立启动过程工质侧与烟气侧热力参数变化数学模型并进行正确求解的基础上，根据超超临界锅炉配备的启动系统的结构特点及汽机旁路系统的运行特性，以上海锅炉厂1000MW型垂直管圈超超临界锅炉启动过程为研究对象，开发了能够模拟锅炉冷态、温态、热态启动过程的计算机程序，并进行了工程考核和实例计算。4、1000MW级超超临界锅炉动态特性研究对1000MW级超超临界锅炉在变负荷运行和动态变化过程中蒸汽温度的变化特性以及汽温调节特性进行研究，为研究超超临界机组的动态特性以及开发超超临界锅炉控制系统提供依据。5、对流传热强化和冷凝传热强化研究油和天然气是含氢的清洁燃料，燃烧后的烟气中会生成体积份额约1220左右的水蒸气。采用高效率的冷凝换热器可以有效降低燃气锅炉排烟温度，并使烟气中的水蒸气发生冷凝，同时回收显热和潜热，提高燃油燃气锅炉的热效率。我国锅炉热工性能试验和计算模型普遍采用基于燃料低位发热值的热效率分析方法。但当烟气中水蒸气冷凝后，基于低位发热值的计算没有明确物理意义，需要提出一种计量潜热的热工性能试验方法和计算模型，建立通用烟气中水蒸气冷凝传热传质的热工性能试验和计算标准。本研究基于数值模拟和热态实验研究研制成功强化烟气传热与冷凝传质的垂直内翅管换热单元结构，该换热单元具有较高的对流和冷凝换热系数，利用该传热单元制造燃油燃气热力设备和换热器，可以使设备结构紧凑，热效率提高12以上。在理论模型和数值模拟的基础上，我们提出了一种全新的轴对称均匀分布的整体式不等高内翅片强化传热结构，并以“一种强化对流传热传质的整体式内翅管结构”于2006年1月提交了国家发明专利的申请，该发明要点为：（1）整体式内翅设计完全避免了内翅与母管之间产生接触热阻；（2）其内翅管的翅化比为3.38，极大的增加了换热面积；（3）内翅对管内流体具有极强的扰动作用，同时管内流体被分割成温度相对均匀的流动空间，极大地增强了显热对流换热系数；（4）采用高翅的结构，在具有凝结相变换热的场合，不仅增加凝结换热的壁面，而且翅片直接插入主流温度区，完全破坏了无翅片光管的径向温度分布模式，极大地减薄了不凝结气体边界层厚度；（5）主流中凝结相只要穿过较薄的不凝性气体边界层即可在翅顶壁面上发生凝结换热，极大增大了潜热对流换热系数。 圆形内翅管横剖面温度场分布 圆形内翅管纵剖面温度场分布 圆管内翅片的体网格划分 内翅管横剖面温度场分布 内翅片凸模结构特征联系人：余海荭电话：133386964395、锅炉材料及长期服役安全性能保障关键技术成果简介：1、锅炉耐热材料基础研究从1994年开始，西安交大就开始承担由原机械工业部组织协调的电站锅炉耐热钢的基础性研究工作，从而把电站锅炉使用的HCM2S、T91/P91，HCM12A，SUPER304H等新型耐热钢种的微观深化试验研究工作推动起来。19941998年间参加并完成“八五”国家重点科技攻关项目课题 “火电设备用钢系列研究”之“T91钢管国产化”专题的完善化项目。19982001年，主持完成国家电力公司“锅炉部件寿命管理及机组寿命管理系统研究”攻关项目之子课题“火电厂高温部件温度场应力场分析与计算”的研究课题。2001年2003年，参加并完成“十五”国家高新技术研究发展（863计划）课题“超超临界发电机组技术选型研究”的研究。本课题于2002年11月在北京通过专家验收。2003年2005年，主持完成“十五”国家高技术研究发展计划(863计划) 子课题“超超临界锅炉关键技术研究” 中“超超临界机组耐热材料微观结构基础研究”的研究，2005年11月在北京通过专家验收。经过十多年的研究，对HCM2S、T91/P91，T92/P92，HCM12A，SUPER304H等钢耐热种的强化和退化机理以及耐热钢的蠕变失效倾向取得了以下研究成果：（1）对10Cr9Mo1VNbN (T91/P91)耐热钢的强化机理进行了定性研究；（2）对10Cr9Mo1VNbN (T91/P91)耐热钢的失效机理进行了定性研究；（3）发现Al,Ti，S等微量元素对国产10Cr9Mo1VNbN耐热钢的强度及塑性退化具有极其关键的影响，该成果已被冶金部钢厂直接用于冶炼电站锅炉耐热材料；（4）发现和证实碳化物分布不均匀，粗化、连接和开裂能成为蠕变空洞形核和微裂纹扩展的核心，造成10Cr9Mo1VNbN出现早期的蠕变脆性。 T91/P91钢碳化物钉扎位错强化 HCM2S(T23/P23)钢试样蠕变断口 Super 304H钢中的Cu-rich相 T91/P91钢蠕变空洞损伤机理 T92/P92钢的显微组织结构 Super304H蠕变7000小时显微组织2、锅炉设备失效分析及安全技术研究动力机械与工程研究的目的是经过创新探索理论和方法避免机械设备的过早失效。任何机械设备都通过界面承受内部或外部的环境作用。锅炉受压部件的工作条件尤其如此。锅炉水冷壁管、过热器、再热器内部承受气液两相流动与传热环境的作用，外部承受气固两相流动与燃烧环境的作用。锅炉受压部件均在高温、高压、腐蚀的极端服役条件下工作，磨损、疲劳、腐蚀、蠕变及其交互作用占多数。研究发现：（1）锅炉受压部件材料构成了内、外环境的附着表面，并和环境一起构成工作系统；（2）锅炉受压元件材料的失效是材料在内、外环境协同作用下引起的，材料是失效的内因，环境是失效的外因，环境通过材料起作用；（3）炉膛截面热负荷区qF和锅炉容量D的立方根成正比；（4）在四角切圆燃烧锅炉中，锅炉容量D增大引起烟气旋转动量流率矩M增加。 从而未来超临界、超超临界火力发电机组向着大容量、超高参数发展。随着锅炉容量的增大，锅炉炉膛截面热负荷增加，加剧了结渣和高温腐蚀的倾向；随着锅炉容量的增大，炉膛烟气旋转动量流率矩增加，加剧冲蚀结渣的倾向；锅炉受压部件失效事故几率增加，对安全研究提出新的挑战。这需要我们建立综合研究平台，优化团队力量，创立气固两相流动与燃烧、气液两相流动与传热和金属材料协同研究的安全科技研究体系才能解决安全科技研究科学问题。锅炉受压管件按热量交换性质分热交换管和非热交换管，锅炉热交换管(Boiler Heat exchanger tube，简称锅炉管，Boiler Tube)；而锅炉非热交换管(Boiler Non-Heat Exchanger Tube，简称锅炉管道或集箱，Boiler Piping & Header or Boiler Piping)。对于集箱、管道、弯头而言，主要发生和时间相关的蠕变损伤，疲劳损伤和蠕变疲劳交互作用损伤等失效方式，失效模式简单；而锅炉管的失效机理十分复杂，锅炉管中的水冷壁，过热器，再热器和省煤器管，管内存在汽液两相流动和传热的环境，管外存在气固两相流动与燃烧环境，其失效模式繁多而复杂，据不完全统计和划分，目前已经确认的锅炉管失效方式就达6大类22种。 高温过热器出口集箱温度场分布 高温过热器出口集箱应力场分布管子和管板异形连接结构非常重要，除工业锅炉的烟管管板连接结构外，烟管管板型余热(废热)锅炉，核动力发电设备中蒸汽发生器管子和管板连接，压力容器中管壳式换热器管子与管板的连接，火力发电系统中低压和高压给水加热器管子和管板的连接也都属于管子管板异形连接结构。可见，管子管板异形连接结构普遍存在于大型基础设备中。这种管子和管板连接接头在运行一段时间后不同程度地会产生管子管板开裂和泄漏等问题，时间短则一个月，长则达23年，而且多数开裂的管板无法修复或无法现场修复，这给锅炉安全经济运行带来极大的危害。 某电厂水冷壁管爆漏失效断口 某电下降管下降管爆漏失效 某锅炉房烟管管板结构开裂失效 数值模拟的异形连接结构温度场分布(左上角为制造完成后的连接结构) (辐射对流的环境工况)联系人：余海荭电话：133386964396、饱和蒸汽汽轮机设计的关键技术成果简介：与常规电站汽轮机不同，饱和蒸汽汽轮机的进口蒸汽处于饱和状态，相对来说，压力比较高，但温度比较低。常用的压力参数在2.04.0MPa之间。大多数情况下，饱和蒸汽汽轮机与核电站紧密相关，在地热利用方面也广泛使用饱和蒸汽汽轮机。与常规电站汽轮机相比，在不进行中间再热或者汽水分离的情况下，机组的排汽湿度可能达到15，这样机组低压部分叶片的水蚀非常严重，并且机组的效率很低。水蚀问题在常规电站中也是存在的，当机组进汽压力提高之后，保持排汽压力不变化，则机组末级的排汽湿度就会很大，严重影响机组运行的安全性和经济性。为此，在大功率机组中，随着新汽参数的提高，采用中间再热，以降低排汽的湿度，减少低压叶片的水蚀，同时提高机组的效率。有鉴于此，在饱和蒸汽汽轮机，特别是大功率核电汽轮机中，为了防止机组出现严重的水蚀问题，一般均采用中间再热和汽水分离，新蒸汽在高压汽轮机中膨胀到一定压力之后排除汽缸，进入汽水分离加热器，进行汽水分离，排出水份，利用新蒸汽进行加热，并使其达到过热状态，然后再引入汽轮机的低压缸做功。在一些地热电站汽轮机中也采用了中间汽水分离加热。通过汽水分离、中间再热，可以将机组的排汽湿度降低到10以内，这样就达到减少了低压部分叶片的水蚀问题。对于某些小型机组，一般可以不采用中间再热，为了降低机组的排汽湿度，机组运行时，采用节流调节，将新汽经过一定的节流之后引入汽轮机中做功。由于节流过程是一个等焓降压过程，蒸汽的温度略微降低，但由于压力的降低，对应的饱和温度降低，因此蒸汽变为过热蒸汽，这样，膨胀到排汽点时，湿度在常规允许的范围之内。为了减少汽轮机低压部分叶片的水蚀，在汽轮机的低压部分，可以采用一些预防措施。主要是根据低压部分水滴的运动规律，在低压部分叶片水滴冲刷严重的地方镶嵌硬质合金或者进行表面硬化处理，以提高材料的抗冲蚀性能。相对于汽水分离和中间再热来说，这样的方法是被动的预防。还有一种主动的方法是根据湿蒸汽在流动过程中形成的水滴排出汽轮机，可以采用两种方法。第一是根据水滴流动规律，采用捕水器，在叶片的外沿将水滴收集后排出；另外一种方法是采用空心静叶片，通过在静叶片表面开出一定宽度的槽，将附着于静叶片表面的水膜通过空心静叶片内部抽出，这样就可以达到减少湿度的目的。目前使用比较广泛的方法主要有三种：主动的方法是中间汽水分离再热和捕水器去湿；被动的方法是增强叶片的抗冲蚀能力。这几种方法都是非常有效的减少低压部分叶片水蚀的途径。同时，采用进口节流也是非常有效的降低水蚀的途径，在很多小型核动力装置中得到广泛使用。而空心静叶去湿，到目前为止主要是进行了理论和试验研究，尚未得到实际使用。主要的困难在于空心静叶片制造加工比较复杂，另外，在将水分抽出的同时，也有一部分蒸汽同时被抽出，要影响机组的效率。大功率饱和蒸汽汽轮机设计的另外一个难点是低压部分长叶片技术的开发和应用。因为饱和蒸汽汽轮机的进汽参数降低，同等功率条件下，机组的进汽流量大大增加，低压部分排汽容积流量比常规同等功率机组增加几倍，使得低压部分叶片长度达到常规材料难以承受的程度。因此，开发研制低压部分产业片是大功率核电汽轮机的关键之一。目前，西安交通大学在湿蒸汽汽轮机开发研制方面进行了系统的研究，取得了大量的科研成果。主要内容包括：（1）在国家自