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一、项目名称：中低温余热用于生物质气化制取含氢燃气的关键技术 二、提名者及提名意见： 提名者：榆林市人民政府 提名意见：
三、项目简介： 中低温余热利用是国家十三五规划的重点挖掘领域,具有巨大的行业发展潜力，目前，我国工业余热利用率达50%，其深度回收利用已经成为必然趋势。然而，现有中低温余热多用于供暖，对于地处取暖设施完善地区的新建企业，存在大量废渣、废热弃置无用，造成能源浪费和安全隐患。为了促进企业的节能安全生产，在国家、省市大力倡导生物质能源有效利用的政策下，在榆林学院、榆林市科技局项目和国家自然科学青年基金支持下，项目组研发了“中低温余热用于生物质气化制取含氢燃气的技术”，将余热回收品种从单一燃气余热拓展到废气、废渣余热，从单一供暖应用拓展到生物质气化制氢领域，从独立供暖系统拓展到热管余热回收装置和生物质气化装置相互耦合，提出了“中低温余热用于生物质气化制取含氢燃气的关键技术”,构建了中低温余热用于生物质气化制氢的耦合方法，发明了不抽真空重力热管余热回收装置、文丘里管不凝气体逸流装置、蒸汽熄焦自动喷水装置，解决了现有余热与生物质气化的耦合、燃气阻塞工质循环流动、荒煤气中含氢量低所带来的挑战，主要发明点有： 1 针对如何开发现有余热用于生物质气化制取含氢燃气的难题，构建了不抽真空重力热管，提出了蒸汽在高分压不凝气体中的冷凝机制，建立了蒸汽流动前沿的概念，解决了不凝气体抑制热管循环和冷凝段换热的问题，发明了不抽真空重力热管余热回收装置，换热效率高达60%，该装置性能的研究结果已经被本领域顶级期刊 《Applied Thermal Engineering》和《International Journal of Heat and Mass Transfer》发表，已经获得国家发明专利4项。 2针对热管余热回收装置气库容量有限和冷凝段不凝气体增长之间的矛盾，理论分析了速度场、压力场和温度场之间的协同度，发现了不凝气体在液膜表面的吸附规律，揭示了不凝气体逸流与液膜流态转变、冷凝换热努谢尔特数之间的定量关系，解决了利用不凝气体逸流强化冷凝换热的难题，发明了文丘里不凝气体逸流装置，文丘里管不凝气体逸流效率高达0.5，相关机理研究结果已经被本领域顶级期刊 《Applied Thermal Engineering》发表,该装置已经获得国家发明专利4项。 3针对如何提升现有兰炭炉排放荒煤气中含氢量低的问题，提出了采用熄焦池内温度自动调节水箱水位实现自动连续补水，揭示了炉内温度和喷水量间关系，解决了手动喷水带来的现场耗工多和熄焦温度不均匀的弊端，发明了蒸汽熄焦自动喷水装置，将荒煤气含氢量从10%提高到36%，该装置已经获得国家发明专利2项。 本发明解决了中低温余热资源和生物质气化制取含氢燃气有效耦合的难题，使得生物质气化制取含氢燃气节约能源15%，热管余热回收装置的冷凝段长度节约了15%~58%，为中低温余热有效应用于生物质气化制取含氢燃气提供了有效途径，获授权中国发明专利10项；实用新型专利22项；发表论文20余篇；出版中外文学术专著2部；研发了文丘里管不凝气体逸流装置、不抽真空重力热管余热回收装置，蒸汽熄焦自动喷水装置。近三年累计经济效益7千多万元。项目获得了2018年榆林市科学技术一等奖。 四、客观评价： 1 国内外同行在重要学术刊物中发表的学术性评价意见 中国核电工程有限公司的Chen等、江苏大学的Zhang等引用了本项目论文《Field synergy characteristics in condensation heat transfer with non-condensable gas over a horizontal tube》中的研究成果，马来西亚沙捞越理工大学的Ling等引用了本项目论文《Analysis on the effect of venture tube structural parameters on fluid flow》中的研究成果，进行了后续拓展性研究。法国的Mine Saint-Etienne研究所的Ravichandran等、伊朗沙鲁德理工大学的Ghannadi1等引用了本项目论文《Analysis on the effect of venture tube structural parameters on fluid flow》中的研究成果，认为有关文丘里管内流体流动现象的研究结果具有参考价值。 相关文献引用结果见附件《文献引用说明》。 2 鉴定结论 在2018年11月12日举行的榆林市科学技术成果评价会中，分别邀请到了西安交通大学能源与动力工程学院的刘迎文教授、西安交通大学材料科学学院的卢学刚教授、榆林市科技局的冯维林专家、榆林市工信局的李怀雄高工、陕西未来能源化工有限公司的冯宝田高工、陕西煤化工集团神木天元化工有限公司的吕子胜高工、榆林市甲和煤炭热解技术开发有限公司的刘喜存高工。与会专家一致认为：该项目选题准确，技术方案设计科学合理，方法新颖，资料齐全、数据真实可靠。并做出如下评价结果： 项目开展了余热利用及生物质气化制氢技术的研究：1）提出了“蒸汽流动前沿”的概念，揭示了不凝气体对蒸汽冷凝效率的影响规律；2）提出了减弱液膜表面吸附不凝气体的调控工艺，解决了不凝气体对蒸气冷凝的恶化问题，为不抽真空重力热管的设计提供了理论依据；3）提出了兰炭熄焦余热和生物制气化制氢的耦合新方案，揭示了生物制气化制氢中参数影响规律，为兰炭行业余热利用提供了新思路。 由此，将本项目研究鉴定结果为已经达到了国内领先水平。 鉴定结果报告见附件《榆林市科学技术成果评价报告》。 3技术检测报告 在2018年10月11日由教育部科技查新工作站对本项目关键技术《兰炭低温熄焦余热用于生物质气化制氢的技术研究》开展查新工作，就本项目的查新点“水平管外不凝气体中的蒸汽流动前沿随着冷却水质量流量增加而前移，延长了蒸汽冷凝长度”、“不凝气体仔液膜表面积聚属于变温吸附过程”、“水平管外蒸汽冷凝中不凝气体浓度增加将引起液膜流型转变”、“采用热管回收兰炭熄焦余热产生过热蒸汽用于生物质气化制氢的产氢率在40%以上”在13个中文数据库中检索，并与检索到的100多篇相关文献进行对比分析，得出结论：在国内数据库公开发表的文献中与委托查新项目查信点完全相同的未见报道。由此证明了本项目的新颖性。科技查新报告见附件《科技查新报告》。 4 国内外重要科技奖励 在2019年1月10日举行的榆林市科学技术奖评选中，本项目提交在工业科组参加比赛，在共同参赛的多项作品中脱颖而出，受到与会评委的一致好评，荣获2018年度榆林市科学技术一等奖。获奖文件见附件《榆林市人民政府关于2018年度榆林市科学技术奖励的决定》。 五、应用情况和效益： 1．应用情况 项目组将技术研究与生产实践紧密结合，在开展实验研究和理论计算的同时，积极联系陕西榆林、湖南邵阳、湘潭等地的相关企业，使研究成果及时在生产中得以检验和修正，实现了研究成果的快速转化和应用。榆林市科技局、榆林学院、邵阳学院对中低温余热回收用于生物质气化制取含氢燃气在生产中的应用给予了高度重视和支持，从2014年到2019年，中低温余热用于生物质气化制取含氢燃气已经在湖南金鹰科技股份有限公司、湖南省湘潭市普兰德环境生物科技有限公司、陕西省榆林市煤炭科技开发有限公司进行推广应用，产生了显著的经济收益。项目实施期间，三年累计示范应用中低温余热耦合生物质气化制取含氢燃气装置100余套，每年回收余热3.1×104GJ，产生水蒸汽约3万吨，产生含氢燃气1517万立方。 在陕西省榆林市煤炭科技开发有限公司，通过应用该项目技术，对兰炭厂余热加以回收利用，获得了0.1~0.6MPa的蒸汽，用于供暖和销售给周围的化工厂使用；还将部分蒸汽用于生物质气化制取含氢燃气，使得所获得的产品燃气的经济性得到了显著提高，生物质制取含氢燃气的能耗降低了15.3%，产气热值从约5MJ/kg提高到8MJ/kg，提高了37.3%。经济性得到了显著提高，促进了兰炭熄焦余热的有效利用，增进了工厂的安全环保生产，得到了用户的一致好评。 在湖南金鹰科技股份有限公司中，通过应用该项技术，对玻璃厂、钢铁厂余热加以回收利用，所获得的产品燃气的环保性和经济性得到了显著提高，该项技术节约了生物质制取含氢燃气的能量消耗，使得生物质制取含氢燃气的能耗降低了14.8%；由于生物质燃气中氢气的含量显著提高了，燃气的热值也得到了极大的提升，燃气的低位热值由5MJ/kg提高到了8.2MJ/kg，提高了39%；从而促进了邻近厂区废热的有效利用，保护了邵阳市区的空气质量。 在湖南省湘潭市普兰德环境生物科技有限公司中，通过应用该项目中低温余热用于生物质气化制取含氢燃气的方法与技术，对玻璃钢厂、钢铁厂余热进行了回收利用，公司主要产品燃气的低位热值和经济性得到了显著提高，该项技术使得生物质制取含氢燃气的能耗降低了15.1%，燃气低位热值从5.1MJ提高到8.1MJ，提高了37%，促进了邻近厂区废热的有效利用，保护了湘潭市区的空气质量。 此外，本项目的三个核心发明专利分别进行了有效转让，其中附件1的“一种内热式直立式炭化炉中热管熄焦余热回收装置”已转让给江苏泰州瑞沣环保科技有限公司，用于生物质炭化设备的研究；附件2的“一种文丘里效应排出冷凝段内不凝气体的装置”已转让给河北唐山周行科技发展有限公司，用于化工产品蒽醌的余热回收；附件3的“一种兰炭生产中蒸汽熄焦的自动喷水装置”已转让给内蒙古万众炜业科技环保股份公司，用于型煤生产蒸汽熄焦中。 主要应用单位情况表
六、主要知识产权和标准规范等目录（如无可不写）
七、主要完成人情况（1-11名）：
八、主要完成单位及创新推广贡献 榆林学院:第一完成单位 榆林学院为该项目的开展和实施提供了主要的实验场地、测试仪器、配套经费和学生资源。由主持该项目的张俊霞老师和参与该项目的慕苗老师和赵红星老师分别承担了项目立项、项目申报、项目实施、项目开展、关键难题解决、项目论文和专著投稿、项目专利申报等工作；先后组织安排了为期一年的前往榆林企业的调研活动；对项目的研究内容开展了详尽的技术方案的论证和制定；针对技术方案给出合理而有效的技术路线；针对各个研究内容设计和定制多台实验台，并开展相关的实验测量工作；按期参加2015-2018年每年一度的中国工程热物理学术会议传热传质分会，以及多相流和新能源学术研讨会，与参会专家就本项目难点进行多方面咨询和探讨；创新性的将中低温余热和生物质气化制氢耦合起来，采用不凝气体逸流来抑制冷凝换热的恶化，针对热管余热回收技术给出多个合理的技术方案。张俊霞老师负责了所有发明专利和实用新型专利的撰写和申报工作，赵红星老师参与完成了三个主要专利的撰写和申报，慕苗老师为本项目在榆林市煤炭科技开发有限公司的推广应用作出了突出贡献。三位老师的共同努力保证了该项目顺利高效运行。 邵阳学院:第二完成单位 由参与该项研究的老师王泽华和袁文华分别就“中低温余热热管回收装置”和“生物质气化制氢过程”的相关工作建言献策，指导把关，参与完成了热管余热回收装置的结构设计、强化换热、冷凝换热实验台设计、以及生物质气化制氢的理论计算等工作；探索分析了热管的热传输效率、换热强度、不凝气体影响机理和生物质产氢的规律；揭示了不凝气体在冷凝段的聚积状态，给出了部分冷凝换热实验台的搭建方案；阐明了温度和气化剂对生物质产氢率的影响规律；提出了热管余热回收装置循环风的布置方案。王泽华老师参与了核心专利的撰写和申报,二位老师共同承担了该项目在湖南省企业的推广应用工作，为本项目的顺利实施作出了突出的贡献。 榆林市科学技术信息研究所：第三完成单位 由参与该项目的刘晓峰老师就本项目在榆林煤炭行业、乃至整个焦化行业的应用前景和经济效益给出合理评估。该老师就本项目在煤炭企业的应用推广可行性进行多方面的调研、咨询专家和工程师、对本项目的关键技术细节给出了有效评估。他参与完成了榆林市科技厅项目的申报和项目论文的撰写投稿，参与完成了项目研究内容的技术方案论证和编制，参与完成了技术路线的制定和实验方案的论证，为本项目的经济可行性、项目开展和项目在煤炭行业的推广应用提供了理论依据，为本项目的顺利实施做出了突出贡献。 九、完成人合作关系说明 从2012年开始，第一完成人张俊霞与同单位的赵红星教授和慕苗老师多次走访调研陕西省榆林兰炭厂、电厂，了解到榆林兰炭厂和循环流化床发电厂存在大量废热，比如用自来水冷却650℃的高温兰炭并烘干出售；再比如由于循环流化床发电厂的规模小，没有安装外置的冷渣换热器，大量800℃的废渣露天堆放在厂区，存在较大安全隐患。为了实现对这些废热的有效利用，我们课题组首次提出采用不抽真空重力热管来回收兰炭的熄焦余热，项目组成员共同努力，完成了整个项目装置的研发试制，并在榆林市煤炭科技开发有限公司进行了推广应用。同时，本项目第一完成人和赵红星教授合作申报了核心发明专利《一种内热式直立炭化炉中热管熄焦余热回收装置》、《一种利用文丘里效应排出冷凝段内不凝气体的装置》和《一种利用不凝气体逸流强化水平管外冷凝换热的装置》。为了拓展本项目的应用领域，从2012年起，本项目第一完成人张俊霞与邵阳学院王泽华老师和袁文华教授合作推广本项目在邵阳生物质锅炉厂的应用，将从邵阳钢铁厂和玻璃厂回收获得的余热用于生物质气化制取含氢燃气，并与王泽华老师合作申报发明专利《一种采用含氧气的蒸汽流脱除煤中灰份和硫份的装置》。于此同时，与刘晓峰研究员多次讨论不抽真空重力热管的传热性能计算方法，并于2016年在EI论文检索期刊“Heat Transfer –Asian Research”上共同发表论为“Analysis on heat transfer characteristics of constant temperature heat pipe in waste heat utilization for semi-coke”，并共同申报了榆林市科技局项目。从2012年至今，项目组成员共同协作，完成了本项目从调研、设计到推广应用的整个过程。 完成人合作关系情况汇总表
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