煤炭清潔高效燃燒領(lǐng)域理論技術(shù)與工程應(yīng)用的探索者

    我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開能源及其動(dòng)力工業(yè)的支撐。我國(guó)的能源資源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，煤炭的總體品質(zhì)較差，相對(duì)于工業(yè)化發(fā)達(dá)的國(guó)家，我國(guó)在能源的利用效率、環(huán)保等方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。

    繆正清深切地了解我國(guó)能源資源結(jié)構(gòu)這一國(guó)情，毅然地選擇了煤炭清潔高效燃燒這一具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值的方向。三十年來(lái)，他一直圍繞鍋爐的高效燃燒、可靠工作、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、清潔排放等方面開展理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究，并與企業(yè)合作，在研發(fā)技術(shù)的同時(shí)，努力應(yīng)用于工程，為能源企業(yè)排憂解難，為社會(huì)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

    十年實(shí)踐，工業(yè)鍋爐強(qiáng)化燃燒、消煙除塵成果顯著

    繆正清選擇煤炭清潔高效燃燒這一研究方向，他說要感謝導(dǎo)師黃祥新教授的引導(dǎo)。黃教授是國(guó)內(nèi)研究工業(yè)鍋爐強(qiáng)化燃燒的杰出學(xué)者，是上世紀(jì)五十年代蘇聯(lián)專家為我國(guó)培養(yǎng)的少數(shù)幾位熱能工程的研究生之一。在文革期間，黃教授將鍋爐燃燒原理與改爐實(shí)踐相結(jié)合，發(fā)明了雙人字形高覆蓋率爐拱結(jié)構(gòu)，破解了我國(guó)工業(yè)鍋爐燃燒劣質(zhì)煤著火困難、燃盡差、熱效率低、普遍達(dá)不到額定出力的技術(shù)難題，并因此獲得原機(jī)械工業(yè)部1986年科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)第一名、1987年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該技術(shù)在全國(guó)各個(gè)工業(yè)鍋爐制造廠得到全面推廣。

    繆正清就讀研究生期間，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，他第一次設(shè)計(jì)的爐拱是西安蝴蝶手表廠的1臺(tái)6.5t/h散裝鍋爐。經(jīng)過改造，鍋爐最大實(shí)際產(chǎn)汽量從改造前的4.8t/h，改造后提高到8.3t/h，熱效率也顯著提高。接著，另外三臺(tái)鍋爐也很快進(jìn)行了改造，一舉解決了用氣不足的問題，用戶十分滿意。此后，西安、咸陽(yáng)、河南的一些企業(yè)來(lái)找黃教授改造鍋爐的任務(wù)老師都交給了他去做?？疾臁⒃O(shè)計(jì)、改造、調(diào)試、驗(yàn)收一系列改爐實(shí)踐，使他在較短的時(shí)間內(nèi)積累了工業(yè)鍋爐強(qiáng)化燃燒的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

    1986—1987年繆正清隨導(dǎo)師參與延安大氣污染綜合治理研究，經(jīng)過反復(fù)的分析、試驗(yàn)，研制成功了以預(yù)燃室和M型消煙爐拱的結(jié)構(gòu)組織前后拱煙氣對(duì)沖燃燒的專利技術(shù)，應(yīng)用于延安地區(qū)招待所、延安軍分區(qū)、延安制藥廠、延安卷煙廠、延安地區(qū)外貿(mào)局的鍋爐改造，取得了煙氣林格曼黑度從4—5級(jí)降為零級(jí)的消煙效果(從煙囪看不出鍋爐是否在運(yùn)行)。在此基礎(chǔ)上，延安地區(qū)環(huán)保局組織現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)，并發(fā)文限期改造，兩個(gè)多月就改造鍋爐19臺(tái)。這些工作為延安市大氣污染治理做出了貢獻(xiàn)，該項(xiàng)目獲得國(guó)家環(huán)保部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。在1985—1995十年間，改造遍及陜西、河南、上海、江蘇、浙江、山西、山東等數(shù)十個(gè)企業(yè)，總計(jì)100余臺(tái)工業(yè)鍋爐，為企業(yè)節(jié)能、環(huán)保創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    十年鉆研，攻克多項(xiàng)鍋爐理論難題

    1995年起，繆正清的科研方向轉(zhuǎn)向電站鍋爐，聚焦鍋爐領(lǐng)域若干重要理論問題，潛心研究十年，獲得處理這一類復(fù)雜問題的科學(xué)分析方法，使多個(gè)數(shù)十年以來(lái)的難題，一一得到理論解析。

    他從多年的教學(xué)和工程改造實(shí)踐中，提煉鍋爐專業(yè)中的科學(xué)問題，按照科學(xué)研究的建模、理論推導(dǎo)，以及結(jié)合計(jì)算機(jī)求解的方式去進(jìn)行探索。在復(fù)雜科學(xué)問題的建模實(shí)踐中，他不斷吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。這期間發(fā)表了一批有影響的論文，包括：《煤粉爐火焰刷墻時(shí)顆粒對(duì)壁面對(duì)流傳熱模型》《集箱并聯(lián)管組內(nèi)單相流體的流動(dòng)特性》《集束射流的流動(dòng)物理》《旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)物理》《層狀布置組合直流射流的流動(dòng)物理及其工程應(yīng)用》《循環(huán)流化床軸向空隙率與靜壓分布的數(shù)學(xué)物理模型及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證》和《循環(huán)流化床U型回料閥內(nèi)氣固兩相流模型》等，推動(dòng)了鍋爐基礎(chǔ)理論的進(jìn)步。這些研究也為此后十年他對(duì)電站鍋爐的燃燒技術(shù)改造打下了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

    十年奮斗，獻(xiàn)身于電站鍋爐技術(shù)改造

    繆正清認(rèn)為解決一個(gè)專業(yè)上的理論難題，只是取得了進(jìn)入這一領(lǐng)域的入場(chǎng)券，要真正解決現(xiàn)場(chǎng)問題，還必須結(jié)合工程實(shí)際，在工程中不斷磨練，并同一線的工程技術(shù)人員搞好協(xié)作。

    以循環(huán)流化床鍋爐爐膛氣固兩相流理論研究的突破為基礎(chǔ)， 2005—2006年他將其應(yīng)用于解決包頭第一熱電廠2臺(tái)470t/h循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板風(fēng)帽漏渣與磨損的改造工程，使其從每周一停的“禮拜爐”改造后達(dá)到長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。該成果2007年獲得華能北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、 2008年獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

    直流燃燒器組合射流軌跡的理論預(yù)測(cè)曾經(jīng)是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期沒有解決好的燃燒流體力學(xué)問題，影響到電站鍋爐燃燒空氣動(dòng)力的科學(xué)設(shè)計(jì)?？娬褰?jīng)過多年研究后，于2001—2003年解決了理論建模難題，并且獲得了方程的數(shù)值解，開發(fā)了應(yīng)用程序。從2003年起先后將其應(yīng)用于上海閔行發(fā)電廠、山西河坡電廠、姚孟發(fā)電公司等機(jī)組鍋爐頻繁滅火事故的分析、燃燒器改造方案的制定，改造后消除了鍋爐滅火隱患。還解決了陜西銀河投資集團(tuán)榆林上河發(fā)電廠，豐鎮(zhèn)發(fā)電廠、包頭第二熱電廠鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦、影響帶負(fù)荷的技術(shù)難題。其中，上河電廠鍋爐改造前后機(jī)組從110ＭＷ提高到滿負(fù)荷135ＭＷ, 相當(dāng)于增加了2臺(tái)25MW機(jī)組，2006年6月初和10月底先后完成鍋爐燃燒器改造后，至2007年2月總共為電廠帶來(lái)2660萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)效益。該成果在2007年獲得陜西省電力公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

    對(duì)包頭第二電廠鍋爐的改造是產(chǎn)學(xué)研合作一個(gè)典型例子。該廠長(zhǎng)期燃用結(jié)焦性較強(qiáng)的煤，4臺(tái)鍋爐長(zhǎng)期不能高負(fù)荷運(yùn)行。從2009年到2012年，繆正清團(tuán)隊(duì)先后對(duì)該廠4臺(tái)鍋爐全部進(jìn)行了燃燒器改造，每臺(tái)鍋爐平均提高負(fù)荷30—50MW,每臺(tái)機(jī)組改造后的年直接效益達(dá)到5000—6000萬(wàn)元。

    2013年，繆正清團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的包頭第二熱電廠#3爐的改造，成為北方聯(lián)合電力公司首個(gè)實(shí)施的低氮燃燒器改造工程；2014年下半年以來(lái)他們中標(biāo)了包頭第二熱電廠#1、#2、#4機(jī)組，豐鎮(zhèn)發(fā)電廠#5、#6機(jī)組鍋爐低氮燃燒器改造工程，現(xiàn)在4臺(tái)機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行，各項(xiàng)改造性能指標(biāo)良好，滿足了低氮排放的標(biāo)準(zhǔn)。最后1臺(tái)鍋爐近日將投入運(yùn)行。他們?yōu)闈?jì)南鍋爐廠設(shè)計(jì)的燃燒器還應(yīng)用在出口印度和印尼燃燒褐煤的鍋爐上，也取得了防止結(jié)焦的良好效果。

    繆正清在多年來(lái)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的過程中，獲得十多項(xiàng)國(guó)家專利，還結(jié)識(shí)了一批工程技術(shù)專家，在工程技術(shù)上得到了他們的無(wú)私援助和支持，也從這批專家身上學(xué)到了許多寶貴的知識(shí)。

    繆正清并沒有滿足于已有的成績(jī)，他說：“科研工作者需要不斷實(shí)踐，不斷思考，不斷創(chuàng)新，才對(duì)得起我們這個(gè)偉大的時(shí)代。”

    對(duì)我國(guó)霧霾成因提出新見解

    “霧霾”以前是個(gè)陌生的詞匯，自從2013年年底從京津冀擴(kuò)展至全國(guó)以來(lái)，以其污染的嚴(yán)重性和常態(tài)化而為婦孺皆知。也是從那時(shí)候起，引起繆正清對(duì)這種不正常環(huán)境現(xiàn)象的思考，先后四次撰寫文章，發(fā)表在百度文庫(kù)，希望能引起專業(yè)人士的探討。

    一般認(rèn)為，霧霾污染與我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)、能源的高速消費(fèi)有著緊密的關(guān)系。在繆正清看來(lái)，可能還存在一些隱性的問題，目前還沒有深刻認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致因其污染脫離開了環(huán)保的有效控制而興風(fēng)作浪引發(fā)嚴(yán)重霧霾。因此，他認(rèn)為兩個(gè)方面均需要研究，以便使今后的環(huán)保措施能夠有效地抑制嚴(yán)重霧霾的產(chǎn)生。

    我國(guó)能源結(jié)構(gòu)由于資源稟賦而高度依賴煤炭。能源結(jié)構(gòu)也決定了污染的主要方式。我國(guó)很長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，大氣污染以煤煙型污染為主，其中的粉塵、二氧化硫、氮氧化物也主要與燃煤有關(guān)；近年來(lái)，汽車的大量使用，鋼鐵、化工生產(chǎn)的排放也成為大氣污染的一個(gè)不可忽視的來(lái)源。但總體上仍不能與前者相比。

    盡管我國(guó)對(duì)于煤炭使用的主要行業(yè)電力與工業(yè)，燃煤的主要設(shè)備：鍋爐與窯爐等制定了與發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)接近的嚴(yán)格的空氣污染物，如粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，并且，實(shí)際排放總體符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但是，為何到2013年年底，我國(guó)大氣質(zhì)量突然惡化，形成了嚴(yán)重霧霾？一年多以來(lái)，環(huán)保和相關(guān)的科研單位都在尋找霧霾之源，卻仍無(wú)確切結(jié)論呢？

    繆正清根據(jù)霧霾的定義、綜合大氣樣本成分、雨水樣本成分以及霧霾的出沒特征，反思近幾年大規(guī)模濕法煙氣脫硫工程可能的副作用，懷疑全國(guó)性嚴(yán)重霧霾的反復(fù)出現(xiàn)可能與濕法煙氣脫硫工藝有關(guān)。他在發(fā)表的文章中作了詳細(xì)的分析。這里綜述他的一些主要看法。

    脫硫與脫硝是近年來(lái)開始大規(guī)模應(yīng)用、解決煤燃燒排放形成酸雨的環(huán)保技術(shù)。電力系統(tǒng)在國(guó)家行政推動(dòng)下，在前3—4年內(nèi)煙氣脫硫任務(wù)已迅速全面完成，煙氣脫硝也已基本完成。正因?yàn)槿绱?，即使還有一些其他工業(yè)和工業(yè)鍋爐執(zhí)行排放不嚴(yán)的情況，但全國(guó)的酸雨確實(shí)少見了，這是我國(guó)環(huán)保在近幾年里取得的最顯著而直接的效果。

    繆正清認(rèn)為，煙氣脫硫(濕法)與煙氣脫硝，這是一項(xiàng)全國(guó)規(guī)模的巨大工程，也是全世界最大規(guī)模的環(huán)保工程，因此，如果其本身存在還沒有被認(rèn)識(shí)到的副作用，則其影響同樣巨大。

    現(xiàn)在看來(lái)，以往對(duì)于濕法煙氣脫硫?qū)Υ髿飧弊饔玫恼J(rèn)識(shí)可能是不足的。由于霧霾的越來(lái)越嚴(yán)重，又與濕法煙氣脫硫工程的大力推廣時(shí)間節(jié)點(diǎn)同步，因此，即使對(duì)于濕法脫硫工藝稍有了解的一般科技人員也會(huì)自然地聯(lián)想到這個(gè)問題。

    繆正清經(jīng)常深入火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)，盡管他對(duì)煙氣脫硫以往關(guān)注不多，但自從嚴(yán)重霧霾出現(xiàn)后，他開始對(duì)霧霾問題進(jìn)行思考。

    他總結(jié)了我國(guó)霧霾的四個(gè)特點(diǎn)，即全國(guó)性、突發(fā)性、嚴(yán)重性與反復(fù)性。即霧霾從2013年底突然大范圍出現(xiàn)后，一直以高頻率、高濃度影響著全國(guó)各地的大氣環(huán)境。他認(rèn)為霧霾研究的有效理論，必須首先能夠解釋這四個(gè)特征及現(xiàn)象。據(jù)他分析，這很可能與大規(guī)模濕法煙氣脫硫預(yù)先沒有預(yù)料到的副作用相關(guān)。他認(rèn)為霧霾問題分析應(yīng)該大膽懷疑，小心排除，不放過任何一個(gè)可能的因素。他還認(rèn)為大氣層的氣溶膠是霧霾能夠興風(fēng)作浪的前提條件！也是處理問題的難點(diǎn)！

    濕法煙氣脫硫引起霧霾受到他的懷疑，有幾個(gè)原因：一個(gè)是濕法煙氣脫硫確實(shí)會(huì)排放符合形成霧霾條件的PM2.5顆粒與水蒸氣；二是數(shù)量相當(dāng)大；三是這部分污染是新增加出來(lái)的；四是大量增加他提出的云層污染——云霾；五是大幅度延長(zhǎng)污染顆粒物在大氣中的停留時(shí)間，累積成很高的細(xì)顆粒濃度；六是可以解釋霧霾的四大宏觀特征表現(xiàn)。如果這一問題引起相關(guān)科研工作者的重視，無(wú)論這一懷疑得到證實(shí)，還是最終被否定，對(duì)于霧霾研究都有著重要的意義。

    不過，在不能改變以煤炭為主的能源格局情況下，他還是建議，基于我國(guó)煤質(zhì)灰分、硫分含量高的特點(diǎn)，我國(guó)要學(xué)習(xí)國(guó)外煤炭利用普遍采用洗煤的經(jīng)驗(yàn)，首先從煤炭能源的源頭上解決污染元素的減量化，減輕使用設(shè)備的除塵、脫硫負(fù)擔(dān)，并通過強(qiáng)化環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，減少燃煤排放帶出顆粒物，并尋求改進(jìn)技術(shù)，大幅度控制向大氣排放水蒸氣，切斷形成霧霾的基本條件。

    他相信，如果各行各業(yè)將問題都能透明化，控制顆粒排放、控制污染氣體包括水蒸氣等氣溶膠的排放，我國(guó)霧霾嚴(yán)重的局面，一定會(huì)顯著改變，藍(lán)天一定會(huì)重新歸來(lái)。