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西安交通大学热能工程系1自然科学基金与重大基础研究计划的关系及高效低污染能源开发利用技术中关键科学问题西安交通大学徐通模西安交通大学热能工程系2•国家自然科学基金委员会的成立，是我国在改革开放的条件下科技体制改革的一项重要成果。1986年成立以来，根据国家发展科学技术的方针、政策和规划，在有效地利用科学基金，指导、协调和资助基础研究和应用基础研究工作，发现和培养人才，促进科学技术进步等方面发挥了不可替代的作用，推动了社会和经济的发展。•制度严格，机制科学、合理•国家重点基础研究规划项目（973）是贯彻江主席“有所为、有所不为”和李岚清副总理“加强基础研究”等指示，体现了集中力量办大事的思想。西安交通大学热能工程系3表1NSFC与973对比表类型指标NSFC973资助层次面上、重点、重大某学科领域的大集成项目资助强度十几万～几百万几千万资助对象是课题，不应说成是项目是项目，是学科领域或学科领域中某一大的方面数个课题的集成性质探索性的新构思，可能很小，处于萌芽阶段，风险系数较大应已有一定的基础，有望取得突破，不应有太大的风险定位是先导、是上游是中游（由此产生的技术是下游）973以NSFC为基础，是建立在NSFC的工作基础之上的。可以说，没有NSFC多年的资助，酝酿不出来973的项目及其内容。西安交通大学热能工程系4•结论：坚持现行的做法，并且应更强调创新和探索，特别要重视和支持年轻科技工作者提出的暂时尚不是很成熟的思想；资助的面每年应有一定（较大）的提高，强度也应每年有一定（较大）的提高；搞好面和强度提高的平衡关系，因为每年增加的经费是有限的。•创新是基础研究发展的动力，NSFC应特别强调资助具备新思想、新方法以及可能产生新成果的研究申请，并大力扶持优秀青年科学工作者的开拓性工作。基础研究工作需要长期、稳定地支持，NSFC也应资助完成项目好并取得重要进展的持续性研究课题。•西部开发与NSFC的关系：应体现支持西部科技工作者的特殊政策，鼓励投身西部大开发，鼓励结合西部大开发的重点学科和项目的基金申请。西安交通大学热能工程系5高效低污染能源开发利用技术中关键科学问题我国能源工业结构经过几十年的发展已形成了以煤为主，多能互补的能源生产和消费结构。我国煤炭资源丰富。据统计，全国目前煤炭消费约占能源消费总量的70%以上，烟尘的70%和二氧化硫排放的87%来自煤炭的燃烧，以每年12亿吨燃煤来计算，SO2排放量约为2100万吨，加上冶金、化工中SO2的排放，每年约有2300万吨；火电厂飞会排放约有1200万吨，加上工业锅炉等的飞灰约有2100万吨左右。我国的能源消费占世界的8-9%，但SO2的排放占到世界的15.1%，排放总量为世界第一位，CO2占到13.6%，总量居世界第二位，NOX占到10.1%。其中我国煤燃烧所释放的SO2占到全国总排放的87%，CO2占到71%，NOX占到67%，粉尘占到60%。大量燃煤排放的SO2和NOX已经在我国形成了极大的危害。酸雨区域迅速扩大，已超过国土面积的40%，造成了难以估量的经济和社会损失。因此提高能源利用效率、开发低污染能源转换技术对减轻环境污染有十分重大的意义。西安交通大学热能工程系6•提高能源转换效率可以降低原始化石燃料的消耗量来减少污染物的生成和排放。据统计，现有亚临界机组的热力循环效率一般在35%左右，与当前的世界水平有不小的差别，假若发展超超临界发电机组，可望机组的热力循环效率可提高到45%左右。可见经济效益、社会效益、环境效益十分显著。但就其燃烧及气固两相流技术方面仍有很多需要研究和解决的问题。•建议开展以下基础研究：西安交通大学热能工程系7一、高温高参数下炉内气固两相行为的基础研究随着机组参数和容量的提高，炉内温度水平、热负荷分布都与低参数、小容量锅炉有质的变化，此时炉内结渣、高温腐蚀的问题日趋突出，因此应立项对1）高温气固两相行为；2）不同环境下固体颗粒的物理化学过程以及颗粒之间、颗粒与金属壁面的撞击、粘敷机理进行研究；3）高温环境下金属壁面的腐蚀机理的研究。目前，我国火电机组的负荷调节峰谷差极大，100%负荷的机组仅占15%-20%，也就是说有80%以上的机组要参加调峰运行。锅炉在低负荷下运行的稳定性是调峰过程燃烧技术的关键，过去曾以用油助燃来解决低负荷的稳燃问题，方法既不经济又不清洁。近年来国内外开发了形式多样的浓淡燃烧技术，对解决低负荷稳燃问题起到了积极的作用，同时对解决环境污染，降低排放也有明显的效果，但缺乏系统的基础研究，建议从以下方面立项研究：西安交通大学热能工程系81）针对我国煤炭开发计划，开展适应我国煤炭结构复杂，种类繁多的浓淡燃烧技术数据库2）建立水平浓淡燃烧技术中浓淡煤粉组织最佳比例的数据库。3）研究浓淡燃烧技术燃烧过程中NOx的生成机理4）研究低NOx旋流燃烧器实现分级送风浓淡燃烧的机理以及旋转射流在炉内高温环境下的气固两相运动轨迹、分布特性，推动旋流燃烧技术向大型化发展。西安交通大学热能工程系9二、循环流化床炉内传热、热负荷分布基础理论研究从提高燃烧效率，降低污染物排放量，循环流化床锅炉应是优选发展的，但目前国内仍缺乏循环流化床的一些基础数据，建议从以下方面研究：1）开展循环流化床内气固两相流动理论的研究，建立高温气固两相流循环流动的基本理论。2）研究气固两相循环流动过程中的传热机理和传热的一些基础数据3）研究循环流化床内热负荷分布基本规律。4）建立气固两相流中颗粒浓度及颗粒度与传热、热负荷的相关关系。西安交通大学热能工程系10三、IGCC中科学问题整体煤气化联合循环发电机组（IGCC）是燃煤发电技术中效率最高、最洁净，又是目前经研究开发后可用的技术，工业发达国家十分重视，国内尚未进行研究。建议从以下方面开展基础理论研究：1．煤气化基础理论研究1）气化的热力学、动力学基础理论研究2）流化床气化基础理论研究3）气化床气化基础理论研究2．煤气化过程中的高温净化原理和高温净化技术及净化材料研究3．高温燃气轮机陶瓷材料的研究西安交通大学热能工程系11四、NOx,SOx,COx,Dust排放的基础理论研究降低NOx,SOx,COx,Dust排放主要在于从形成机理方面弄清成因，即转化的路径和转化速率，最后形成高效、低廉的技术成果。以NOx为例，三种主要形成机理已得到验证，但每种机理所起的作用在不同的燃料、不同燃烧条件下是不同的。事实上，NOx形成、还原成为N2中间化学反应有几百步。究竟哪一步或哪几步是控制因素还了解甚少，只有知道了反应路径和控制因素，才能提出减排措施。目前研究燃烧过程中同时消减N2O、NOX和SO2的排放已显得愈发迫切。因为它们与当前全球面临的主要环境问题中酸雨、气候变暖和臭氧层破坏等密切相关。西安交通大学热能工程系12沸腾床燃烧是普遍看好的一种煤的清洁燃烧方式，向大型化方向发展异常迅速。但是近年来却发现这种燃烧方式的N2O排放非常高，其主要原因是燃烧温度低。N2O对人体及动物没有直接的毒害，也不伤害作物，但它会破坏人类赖以生存的环境，从而间接影响到地球上的生命活动。氧化亚氮对大气环境的破坏作用有二方面：其一，它能破坏大气同温层的臭氧层；其二，它是一种温室效应气体。固体燃料的燃烧是N2O的重要来源之一，虽然目前还没有国家对N2O排放制订限制标准，但普遍认为制订这样的标准只是时间问题。如何能在保持沸腾床低温燃烧脱硫效率高等优点的同时，控制燃烧产生的N2O，是保证流化床清洁燃烧技术发展必需解决的重要问题。因此非常有必要对沸腾床加钙脱硫过程中，SO2、NOX及N2O的排放规律进行仔细研究，掌握其生成及相互影响规律，寻找一种即可以保证脱硫效率、NOX排放低，同时又可以降低N2O排放的方法，解决沸腾床燃烧目前面临的非常棘手的问题。目前国内外关于循环流化床燃烧过程中同时控制SO2、NOX及N2O排放的理论与试验研究，还不很深入，处于分别研究各自排放规律阶段，尚无突破性进展，在计算机模拟方面更无适用的模拟计算程序，因此研究开发适合我国国情的同时降低沸腾床燃烧过程中SO2、NOX及N2O排放的技术、建立一整套与之相适应的降低排放的理论以及相应的计算机模拟计算软件是十分必要的。西安交通大学热能工程系13粉尘治理：粉尘治理有非常广泛的应用背景，锅炉、工业窑炉、矿井巷道、IGCC、PFBC-CC系统等。传统的粉尘治理技术方案和特点如下：1．喷水降尘系统，投资低、效果差，引起锅炉热效率下降。2．旋风除尘器系统，投资中、效果差。3．水浴除尘器系统，投资中、效果一般、耗水量大。4．布袋除尘器系统，投资高、初期效果好、而后故障频繁、效果差。5．电气除尘器系统，投资高、初期效果好、而后故障频繁、效果差。极其细小（气溶胶）的粉尘的脱除是难题，而其中可能含有重金属等致癌物质。西安交通大学热能工程系14五、城市垃圾处理技术的基础理论研究与污染物排放技术的研究垃圾焚烧：如何经济有效地处理越来越多的垃圾已成为环境保护领域中的一个刻不容缓的重大课题。但是，城市垃圾作为一种特殊燃料在焚烧过程中存在这样一些问题：（1）硫和氯及其化合物对锅炉设备，特别是对过热器造成的高温腐蚀；（2）垃圾的成分和热值波动大、垃圾的水分高、灰分多等造成的燃烧不稳定；（3）垃圾焚烧过程中产生的有害成分重新进入环境，造成二次污染。西安交通大学热能工程系15生活垃圾焚烧厂烟气中的二恶英是近几年来世界各国所普遍关心的问题，自1999年比利时发生动物饲料二恶英污染事件后，二恶英更是倍受世人关注，一时成为全球范围的热点。这一事件，使二恶英在我国也是家喻户晓，闻毒色变。可以这样说，在今天研究生活垃圾焚烧厂烟气中二恶英的产生机理和控制措施，比以往任何时候都显得必要和重要。要建设生活垃圾焚烧厂，我们就不能也无法回避二恶英。但由于城市垃圾焚烧充分体现了垃圾处理的资源化、减量化原则，这一方法已得到，并将继续得到广泛采用。必须加强研究，确保上述问题的解决。研究的重点是：1）二次污染物产生条件、机理2）减排的各种（化学的、物理的）途径具体说来，有：1）各种垃圾的燃烧特性2）不同组分垃圾的燃烧特性研究3）控制二恶英生成的炉内温度水平和分布特性的研究4）排烟急冷理论控制二恶英的基础研究