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富氢燃料锅炉燃烧特性的研究

上海四方锅炉集团工程成套股份有限公司    上海工程技术大学

上海四方锅炉集团工程成套股份有限公司(简称上海四方集团)是“杨浦区科技小巨人”、上海市高新技术企业等。2012年12月在上海股权托管交易中心挂牌。而宁波海越新材料有限公司(简称宁波海越公司)则是一家从事化工原料和化学制品生产的合资公司,在生产过程中因无法直接利用富含氢气但对环境有严重污染的化工废气,只能点“长明火炬”放空燃尽。他们为解决这一难题,于2013年,委托上海四方集团研发新型富氢燃料锅炉。

为完成这一重任,上海四方集团与上海工程技术大学能源与环境工程研究所(简称上海工程大)开展产学研合作,充分发挥各自所长,解决了新型锅炉研制中诸如富氢燃料输运、燃烧的安全性;富氢燃料燃烧特性及燃烧设备的研制、燃烧产物特性及其对设备的影响;辅助燃料天然气配置等难题,研制出符合要求的新型富氢燃料锅炉。不但解决了宁波海越公司在生产过程中遇到的实际问题,对节能减排工作做出极大的贡献;而且为上海四方集团提升技术、开拓新产品打下了扎实的基础;同时为上海工程大提供了一个发挥技术优势、为解决工程实际问题出力的平台,及促进自身技术水平不断提高的动力。

一、产学研合作的主要做法

1、以攻克难题为目标开始产学研合作

上海四方集团为了完成宁波海越公司提出的研发新型富氢燃料锅炉的任务,基于自身的条件限制,在市科技成果转化促进会、市教育发展基金会、市促进科技成果转化基金会搭建的联盟计划平台上,提出难题招标项目,由上海工程大承接,双方以难题攻关为目标的产学研合作。

2、产学研合作机制的创新

校企双方充分意识到要使产学研合作取得成效,必须要有良好的合作机制,经多次商讨,双方在签订项目合同的基础上,进一步细化具体措施:双方确定各自团队及负责人,并指定各自的项目联系人,明确了各自的任务及责任;确定了阶段性成果和时间节点,及双方定期交流沟通的渠道和机制,尤其重要的是明确了双方必须相互配合的环节和方法等;在人员、制度得到保障的基础上,双方群策群力,协同作战,共同研究,并借用各种力量,发挥产学合作优势,共同完成任务。并将该合作方法总结为“四个条件”,即:

先决条件:建立相互信任、配合默契的合作关系。“相互信任、配合默契”是任何合作的先决条件,信任源自于合作各方的坦诚、责任感和交流;我们校企双方曾配合完成过上海市科委的项目、专利技术转让实施项目,主要技术人员曾合作指导硕士研究生,双方建立了相互信任的合作关系,具有一定的产学合作的基础。

必要条件:具有一个能发挥合作各方各自专长的载体。“英雄有用武之地”是任何合作的必要条件,必须要让合作各方都有发挥其专长的载体。恰当的攻关项目即为必须的载体。上海四方集团发挥了设计制造方面的优势,上海工程大发挥了科研创新方面的优势。各方通力合作,保证了任务的圆满完成。

基础条件:建立行之有效的保障机制。“没有规矩、不成方圆”,建立合作方法和制度是任何合作的基础条件,建立负责人定期沟通的机制、技术人员合作讨论的工作机制等,并在项目实施过程中得到充分的体现。

根本条件:明确参与合作各方的职责和义务。理清参与合作各方的责、权、利,注重相互之间的配合和支持是任何合作的根本条件。双方依据合同认真确定各自的职责、目标和任务,不断沟通协调完善,确保了项目的圆满成功。

3、校企双方的分工明确,落实各自的任务

在上述机制的引导下,校企双方进行了卓有成效的合作,发挥了各自的优势。

上海四方集团的主要任务是:设计制造新型富氢燃料锅炉,确定锅炉炉型,落实富氢燃料锅炉特需的排气阀、排水阀的选型并设计安装位置;根据富氢燃气成分提出燃烧器的特殊要求,并确定燃烧器制造厂商;设计计算辅助燃料天然气的调控系统;设计布置富氢燃气的贮存及输送系统并安装压力监测点等。

上海工程大的主要任务是:根据富氢气体成分分析燃烧特性,计算燃料量及燃烧产物,为燃烧器设计提供基础数据,为富氢气体燃烧特需的排气阀、排水阀设计提供基础数据,并提出建议安装位置;根据富氢燃气贮存及输送系统的结构,分析计算压力与流量的变化关系,并建议监测点的安装位置等。

4、产学研合作促使项目圆满完成

项目于2015年3月通过了由上海科技成果转化促进会主持的鉴定会,鉴定专家组的主要结论为:“创新设计制造了新型富氢燃气锅炉,主要技术指标符合设计要求,环保性能符合国家有关标准。项目研究达到了招标书的目标,专家组一致同意该项目通过验收”。

二、产学研合作取得的主要成绩

1、解决了富氢燃料燃烧锅炉的关键问题

校企双方合作最终解决问题有:确定了富氢气体的的成分、产生量及其连续性;消化吸收了富氢燃料燃烧器设计及其配风特性;设计了防止富氢燃料锅炉氢爆的措施;解决了富氢燃气燃烧产物含水量高的燃烧问题;提出了辅助燃料天然气替代富氢燃料时的措施及运作方法;提出了富氢燃料锅炉安全运行的保护措施


新型富氢燃料锅炉设计图

2、对富氢燃料燃烧锅炉技术有突破和创新

创新设计制造了新型富氢燃料锅炉,如图所示,实现了安全高效燃烧含氢量高达85%左右的工业废气的目标,采用的主要创新技术有:

?将燃烧器布置在炉膛顶部,整台锅炉结构呈“U”形布置,利于低密度燃气的充分燃烧;

?在炉膛顶部开有排气口并安装自动排气阀,利于可能积聚在炉膛顶部的低密度燃气排放,确保锅炉安全运行;

?在炉膛和尾部烟道的最低点开有排水口并装有排水装置,利于富氢燃气燃烧后可能凝结并积聚的大量水分及时排出,防止管道腐蚀。

?研究采用压力监测法检测控制富氢燃气输气系统的泄漏问题。

据此申请了国家发明专利1项,已授权国家实用新型专利3项,申请1项。

3、取得良好的经济效益和社会效益

经济效益:企业生产连续运行,原所需蒸汽用天然气锅炉产生,每吨价格为320元,采用二台45t/h富氢燃气锅炉供汽,以一年运行300天计算,则年消耗由富氢燃气生产的蒸汽量为:90×24×300 = 648000 t/a,产生的经济效益为:320×648000=207,360,000元/a,即每年超过二亿元,经济效益十分显著;此外,由于企业合理有效地处理了工艺过程产生的废气,还能节约环境排放处置费用。

社会效益:工艺过程废气均作为燃料烧掉,彻底消除了“长明火炬”所产生的污染,显然有益于人类赖以生存的自然环境。


宁波海越公司新型富氢燃料锅炉竣工图

4、项目产生了延伸效应

(1)新锅炉的市场得以推广

富氢燃气锅炉是一种新型的特种燃气设备,目前所知的可直接应用该锅炉的同类企业就有数十家,至于其他产生特殊的轻质可燃气体的类似企业更是不胜枚举,新产品新技术将为企业带来可观的经济效益;上海四方集团目前已承接了三锦石化公司三台130T/H富氢燃气锅炉、宁波海越公司二台45T/H富氢燃气锅炉、南京金陵石化公司三台燃混态气体锅炉的设计制造任务,合同金额达二亿元以上,企业收益达5千万元以上,因此该技术具有很大的市场潜力。

(2)提升了宁波海越公司的自助创新能力

项目实施使宁波海越公司在自主创新层面上得到了很大提升,其工艺废气有效利用的措施在化工行业内引起了很大反响和关注;此外,国内有很多大、中型化工企业已向上海四方集团咨询相关技术;该技术产生了很好的连锁效应。

三、下一步深化产学研合作的打算

在完成“联盟计划”项目的过程中,校企双方深觉产学研合作的好处,都希望能够继续合作,对已有的合作项目要做实做强,并加快开拓新的合作领域,全面实施产学研合作的思路,推动企业生产发展和技术进步,取得自主创新的知识产权,将产学研合作的优势发挥到极致,取得更可观的经济和社会效益,为此双方拟合作建立科研试验基地和工程研发中心,为新产品的研究开发提供平台和保障。

1、强化科研项目和新产品开发的合作

双方将根据企业发展的需要,结合学校科研的方向和成果,定期研究合作内容,积极开拓、寻求承接科研项目和开发新产品的机会,变被动合作为主动合作,更好发挥双方优势,互利互惠,实现双赢,造福社会。

2、拓展教学领域的合作

为适应社会发展和教育改革的需要,双方将密切合作,实现资源共享、优势互补。学校将继续聘请并扩大企业的专业技术人才担任硕士研究生的企业导师,并将逐步延伸到本科生教育领域;企业将建立研究生联合培养基地,为学校的教师进修和研究生培养提供现场实习,以利于提高师生的实际动手能力和工程现场的体验,为培养和造就优秀工程技术人才出力。

3、加强人才交流和培养

为加强企业的技术力量,企业拟聘请学校相关专业的教授为企业顾问,参与企业的技术研究,协助培养企业技术人员,以利企业的不断发展;学校将根据企业的需要每年推荐优秀学生到企业工作,企业将优先录用,不断增加新鲜血液。

产学研合作能有效地融合不同性质单位之间的优势,发挥出巨大的力量,推进科技进步和社会生产力的发展,校企 双方将为此做进一步努力。