科學技術部：煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項十項研究成果助力節能降碳
依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，以及國務院《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》、《中國製造2025》等，科技部會同有關部門組織開展了《國家重點研發計劃煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項實施方案》編製工作，在此基礎上啟動“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項。
“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項總體目標是控製煤炭消費總量，實施煤炭消費減量替代，降低煤炭消費比重，全麵實施節能戰略，進一步解決和突破製約我國煤炭清潔高效利用和新型節能技術發展的瓶頸問題，全麵提升煤炭清潔高效利用和新型節能領域的工藝、係統、裝備、材料、平台的自主研發能力，取得基礎理論研究的重大原創性成果，突破重大關鍵共性技術，並實現工業應用示範。在新型節能技術方麵以係統節能為切入點，以高耗能工業等重點領域關鍵環節為突破口，實行世界先進水平能效標準。為此設立了工業餘能回收利用、工業流程及裝備節能和數據中心及公共機構節能等三個技術方向。主要任務為：
工業餘能回收利用方向：高溫散料與液態熔渣高效熱回收技術、工業含塵廢氣餘熱回收技術、低品位餘能回收技術與裝備研發。
工業流程及裝備節能方向：流程工業係統優化協同節能技術、氣體製備與全氧/富氧冶金技術、通用機電裝備節能技術、工業鍋爐及窯爐節能減排技術。
數據中心及公共機構節能方向：數據中心節能技術、公共機構設備及係統節能。
專項的實施業已產生一批成果。形成高含塵煙氣深度餘熱回收技術，開發出工業餘熱高效壓縮式熱泵和高效吸收式熱泵，有望培育新興產業增長點。突破了典型流程工業工序匹配與能質協同利用等共性關鍵技術，創建了短流程煉鐵、大宗化產反應/分離強化、冶金-建材-化工多聯產等節能新工藝。解決了數據中心冷卻係統驅動瓶頸問題，可應用於高效冷源設備設計、機房級、機櫃級和服務器級模塊化冷卻係統設計，節能效果明顯。
附：成果簡介
一、工業餘能回收利用方向
成果1：工業含塵廢氣餘熱回收技術
單位：重慶大學
成果負責人：廖強
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
冶金、化工、建材等工業高溫煙氣含餘能量大，但具有成分複雜、含塵量高、腐蝕性強、工況變化大等特點。
項目研發了新型顆粒表層移動床技術，實現了含凝塵煙氣連續化淨化與餘熱回收；研發了換熱表麵處理新技術，研製了三維超大拓展表麵蓄/換熱耦合及煙氣淨化一體化元件及裝置，突破了高溫高含塵煙氣淨化與換熱難以兼顧的瓶頸；開發了高溫低阻陶瓷膜支撐體製備技術，突破膜材料溫度使用限製瓶頸，並研發了含亞微米塵粒煙氣深度淨化與高效換熱一體化技術。在此基礎上，在河北廊坊構建了世界首套針對複雜高溫含塵煙氣餘熱回收及淨化一體化試驗研究中試平台，在山西太鋼不鏽鋼股份有限公司進行了技術集成示範，針對其工況波動大、高溫、高含塵煙氣，餘熱回收率高達82.27%，淨化後煙氣平均含塵濃度低至3.33mg/m³。
項目技術在十多家石化、礦業、火力發電等企業運用並取得良好效果，其進一步推廣有助於提高我國工業高溫含塵煙氣淨化效率及能源利用率，對節能減排基本國策的實施具有重要作用。
成果2：低品位餘能回收及網絡化利用技術
單位：上海交通大學
成果負責人：王如竹
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
我國低品位餘能資源豐富，將餘能高效利用並入工業流程，可在供熱及供冷等方麵發揮巨大效力。
項目針對低品位工業餘能溫度低、能量密度低且分散、回收困難和利用難度大等問題，形成大溫升-高效率的增量型-升溫型吸收式熱泵循環體係和50MW級高效吸收式熱泵技術、MW級大溫升高效可靠工業用壓縮式熱泵技術、大溫升化學熱泵技術、工業熱泵的廣譜選型方案和應用準則及冷、熱、電、儲、運網絡化利用技術、水蒸氣高溫熱泵技術和高密度相變儲熱技術，並實現技術轉化，在甘肅大唐西固熱電廠供暖項目、遼寧鞍鋼靈山供暖改造項目、江蘇揚鋼特鋼低溫蒸汽餘熱回收項目和北京延慶供暖項目建立示範工程，吸收式熱泵熱輸出>63.57MW，壓縮式熱泵製熱量>9MW。
項目成果具有很高的經濟、環境效益，西固電廠和鞍鋼示範工程年節能約7萬噸和4千噸標煤，年淨收益約為3500萬元和220萬元。項目後續推廣應用了6套壓縮式熱泵和26套吸收式熱泵機組，並運用網絡化利用技術指導了新加坡Sembcorp公司餘熱回收改造工程的優化。
成果3：高溫固體散料餘熱回收利用集成技術
單位：西安交通大學
成果負責人：王秋旺
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
我國冶金、建材等行業每年產生45億噸以上高溫散料，餘熱量超過1億噸標煤，目前高溫固體散料存在難以直接取熱、粒度/溫度/產率寬閾度變化、熱回收效率低等等瓶頸問題，亟待解決。
項目在高溫固體散料餘熱回收方麵，開發了基於顆粒摻混的散料傳熱強化技術，構建了實施寬粒徑、寬溫域、寬產率變化工業散料“分料—強化換熱—分級組合高效取熱”方法與工藝框架，可實現固體散料寬粒徑、寬溫閾和寬產率變化餘熱的高效回收（熱回收率>70%）。在高溫固體散料餘熱利用與示範工程建設方麵，開發了具有自主知識產權的先進零泄漏、雙壓補氣式、高轉速、軸流透平，且實現了高轉速雙壓軸流透平在國內低溫餘熱發電領域的首次應用，建立了適用於溫度、粒度、產率寬閾度變化的固體散料餘熱高效梯級回收利用係統示範工程。
項目將建成≥600噸/日的高溫散料（粒徑0.1-20mm）餘熱回收示範裝置，完成百噸級-千噸級/日的散料餘熱高效回收利用裝備的優化設計方法，加快實現冶金、建材行業節能減排，提升我國高溫固體散料餘熱梯級回收及品位提升技術的國際競爭力。
成果4：高溫液態熔渣餘熱回收及利用技術
單位：重慶大學
成果負責人：朱恂
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
冶金液體溶渣現有水淬工藝具有餘熱損失、水源浪費、環境汙染等嚴重問題。目前，液態熔渣幹法餘熱回收存在能耗高、粒化品質低、餘能回收率低和係統集成難等瓶頸問題，亟待解決。
項目揭示了高溫液態熔渣離心粒化機理及規律，研發了高效緊湊離心粒化及自適應調控技術；闡明了高溫熔渣非穩態相變換熱與物相演化耦合機製和規律，開發了兼顧物料品質與抑製磨損的渣粒移動床高效餘熱回收技術；實現了熔渣離心粒化-飛行沉降-渣粒餘熱回收全過程耦合模擬，提出了液態熔渣離心粒化與餘熱高效連續回收及利用係統集成技術，建立了係統設計準則，開發了具有自主產權的熔渣離心粒化及餘熱回收係統設計軟件。在重慶江津區德感工業園建成我國首套高溫熔渣離心粒化餘熱回收係統，最大處理量達12t/h、餘熱回收率達70%，渣粒玻璃體含量90-95%，達到國際領先水平。
項目成果的應用將加快實現冶金行業節能減排，促進相關技術開發和裝備製造等新型節能企業的產生和發展，提升我國餘能回收利用技術的國際競爭力。
二、工業流程及裝備節能方向
成果5：鋼鐵生產流程係統優化及界麵技術與裝備
單位：北京科技大學
成果負責人:郭占成
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
鋼鐵工業是我國一次能源消費最大的產業,占全國工業部門一次能源消費總量的15%左右。多工序、連續半連續是其生產流程的特點，生產流程的係統優化及開發關鍵界麵銜接技術和裝備，對鋼鐵生產節能具有重要作用。
項目以首鋼京唐公司鋼鐵生產流程為載體，應用流程工程學的原理，針對煉鐵-煉鋼、煉鋼-連鑄、連鑄-軋鋼區段的工序間合理匹配與動態運行優化，結合人工智能控製技術，開發了不同單元界麵的能量流與物質流優化管控係統。經首鋼京唐生產在線試運行1年，取得了噸鋼節能25kg左右標煤結果，節能效果顯著，已具有推廣應用價值。
針對煉鋼出鋼溫度與連鑄中間包鋼水溫度的榨窗口控製與界麵銜接，成功開發了中間包電磁加熱技術與裝備，解決了我國鋼鐵生產中間包電磁加熱設備的空白，經生產實踐應用，取得了與進口設備相比能效提高10%以上的效果，具有世界先進水平。該技術和裝備為鋼鐵生產流程優化和單元匹配提供了重要設備。
鋼鐵生產流程單元界麵的能量流與物質流優化管控係統及中間包電磁加熱技術與裝備，為我國鋼鐵工業節能提供了重要技術支持，以京唐公司800萬噸鋼產量為例，采用該技術每年可節能20萬噸標煤。
成果6：工業爐窯氧氣助燃高效節能技術研發與工業示範
單位：中國科學院力學研究所
成果負責人：魏小林
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
工業爐窯是流程工業中至關重要的用能裝備，能耗約占我國總能耗的1/4，是化石能源消耗和環境汙染的主要源頭。工業爐窯普遍存在能耗高、排放大的問題，亟需研發高能效低排放關鍵技術。
項目從理論研究、技術開發、係統集成等方麵開展深入自主研發，開發鋰基分子篩變壓吸附製氧技術，攻克高濃度氧氣安全存儲、輸送、燃燒控製等難題，在山東淄博年產8萬噸玻纖熔窯上成功實現了全氧燃燒。製氧係統氧氣平均純度為93.6%（最大達到96%），氧氣平均流量為3287m³/h，電耗為0.37kWh/m³。目前裝置已累計運行14640小時，最長連續時間達5000小時，玻纖熔窯實際年產量達到10萬噸。與空氣燃燒相比，玻纖爐窯全氧燃燒技術的節能率達到30%，每年可節約天然氣394萬m³，NOx排放減少50%，項目取得了顯著的節能與環保效果。
該技術同時在水泥爐窯等方麵獲得應用，為工業爐窯氧氣助燃與優化燃燒的共性關鍵技術研發與應用提供了具有自主知識產權的新方法，推動了工業爐窯節能減排的技術進步，實現了產業升級和科學發展。
成果7：高效節能氣體製備關鍵技術及其應用
單位：浙江大學
成果負責人：邱利民
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
空氣分離設備是能源、化工、冶金等戰略產業的重大核心裝備，研製能耗更低、可靠性更高的高效特大型空分設備成為國際工業氣體領域必爭的戰略製高點。
項目首創多產品規格適配的空分工藝流程圖譜技術，實現麵向不同需求的空分流程尋優匹配，比傳統空分能耗降低10%以上。建立低溫流體熱模實驗台，為低溫精餾和換熱關鍵部機的高效、精確設計奠定基礎。提出基於壓縮餘熱的進口空氣除濕-冷卻耦合預處理係統，提高空分係統綜合能效。開發高效分子篩模型，基於單元材料吸附能力的優化以實現分子篩切換周期的提高，降低了分子篩再生能耗。通過多模態、非線性MPC自動控製技術實現氧氮比例柔性操作和產品負荷的快速平穩切換，顯著提高空分裝置自動化水平。
成果在神華寧煤、新餘鋼鐵、昊源化工等代表性應用基地進行示範，實現鋼鐵企業綜合製氧單耗小於0.56 kWh/Nm³，煤化工企業小於0.595kWh/Nm³；氧氣放散率降低2%以上。空分智能化控製技術在神華寧煤多套10萬立方空分裝置成功投運，持續運行超過1年，智能化運行水平優於同期國外產品。據測算，神華寧煤一套10萬等級空分相比傳統空分節約高壓蒸汽29.7萬噸/年，節省能源開支約2970萬元/年。
成果8：全氧冶金高效清潔生產技術開發及示範
單位：鋼鐵研究總院
成果負責人：齊淵洪
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
高爐煉鐵工藝存在能源消耗高，冶煉流程長，汙染物排放大等問題，全氧冶金取消了鋼鐵企業排放最大的焦化、燒結和球團工序，從源頭減少能源消耗和汙染物排放，成為未來煉鐵技術發展的主要方向。
項目搭建了粉礦深度自還原實驗裝置，優化了預還原反應器結構；開展了全氧冶煉反應器設計及高能量密度冶煉模擬研究，設計得到了全氧冶煉工業化試驗反應器結構和氧氣風口及氧煤噴槍結構形式；開展了低成本製氧工藝流程優化及CO2吸附劑開發，製備得到了高性能吸附劑；設計完成了粉礦-粉煤全氧冶煉示範線的總圖及施工圖，在四川省攀枝花市建成了年產鐵水10萬噸的全氧短流程冶煉試驗線。示範線已完成兩次全流程工業化試驗，打通了工藝技術流程，鐵水冶煉能耗可以減少10%-30%，汙染物排放可以減少50%-80%，煤粉燃盡率≥90%，煤氣CO2脫除率≥90%，達到煉鐵流程高效節能。
該技術的推廣應用可以降低煉鐵生產能耗、提高生產效率和能源能利用效率，提升我國低碳冶金技術發展水平，為建設國際領先的低碳冶金鋼鐵企業提供技術支撐。
成果9：冶金、化工爐窯及係統節能減排關鍵技術
單位：北京科技大學
成果負責人：薑澤毅
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
我國冶金、化工行業年耗能13.8億噸標準煤，其中90%以上能源消耗在原料煆燒、高溫熔煉和坯材加熱工序中，而這些工序的爐窯平均熱效率不足40%，且汙染排放比較嚴重、控製水平有待提高。
項目揭示爐窯內多物理過程耦合關係，形成加熱/反應體係熱質傳遞協同強化理論；揭示NOx、CO2、CO、粉塵等的生成規律，結合排放物資源化回收，建立多排放物協同治理策略；提出爐窯係統熱力學評價與工序裝備間協調匹配方法，構建綠色爐窯理論體係，形成綠色爐窯通用節能評價通則及典型爐窯綠色生產技術標準。完成了產物氣載熱循環和資源化回收的石灰煆燒新工藝中試實驗，CO2回收率超過96%；完成了強化傳遞和能級匹配的電石熔煉爐工業示範，平均熔煉電耗小於2680kWh/t；完成了軋鋼加熱爐低氮燃燒工業實驗，NOx排放濃度小於90mg/Nm³，各項指標均達到國際領先水平。
項目構建了高能效-低排放-智能型綠色爐窯理論體係，項目成果的應用將加快實現冶金、化工爐窯節能減排，為形成工業爐窯能效提升與汙染減排的係統解決方案做出貢獻。
三、數據中心及公共機構節能方向
成果10：數據中心多尺度自驅動兩相回路冷卻技術
單位：清華大學
成果負責人：張興
所屬專項：煤炭清潔高效利用和新型節能技術
成果簡介
數據中心是現代社會快速發展的重要基礎設施，冷卻係統是製約其能效的主要環節。我國目前數據中心冷卻係統多以集中式送風、機房級冷卻模式為主，存在氣流摻混、局部熱點現象嚴重以及耗能高等問題，亟待解決。
本項目揭示了數據中心冷卻係統吸熱端、輸配段和冷源端的相互影響規律，基於場協同原理建立了全局能效優化新理論和新方法；闡明了數據中心功率密度與冷卻尺度之間的匹配問題，研發了適用於不同功率密度的自驅動多尺度兩相回路冷卻技術，開發了機房級、機櫃級和服務器級模塊化冷卻係統，完成樣機開發並實現批量生產。並基於以上技術開發了自然冷卻和主動製冷聯合運行的高效冷源利用設備。在中石油吉林數據中心落地應用示範，示範機房包含機房級、機櫃級和服務器級的自驅動兩相回路冷卻係統及高效供配電係統，經測試該數據中心全年能耗比（PUE）達1.13，其中冷卻能耗比（CLF）為0.12，在同樣安全等級情況下，達到世界先進數據中心能效水平。
項目成果的應用將加快實現數據中心行業節能減排，有效推動我國5G、邊緣計算以及大型數據中心向綠色節能方向發展，助力“新基建”的建設實施。
