成果完成人瞄准1000MW超临界二氧化碳燃煤（sCO2）发电系统，主持了国家重点研发计划项目“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”。 本成果从系统和部件两个层面进行研究，被推荐为2020年度国家重点研发计划重点科技成果，并在2021年1月27日科技日报上做了报导。具体成果如下： 1、sCO2锅炉模块化设计：sCO2循环流量是水蒸气机组的6-8倍，导致S-CO2锅炉严重堵塞，发现机组效率惩罚效应。首次提出1/8分流减阻原理，在保持吸热量及循环流量不变条件下，将压降降低为传统设计的1/8，由此提出模块化锅炉设计，将锅炉压降减小到与水蒸气锅炉相当或更低水平，彻底解决大压降难题。 2、烟气热量全温区吸收：针对sCO2循环适合中高温热源，单个sCO2循环无法吸收烟气全温区热量，提出顶低复合循环，实现热量全温区吸收。提出能量复叠利用原理及设备共享，完全消除顶底循环效率差并简化系统。1000MWe级燃煤sCO2发电效率达到～50%，比水蒸气机组高3-4个百分点。 3、锅侧和炉侧综合调温方法：针对sCO2进入锅炉温度较高，抬高受热面温度，提出锅侧和炉侧综合调温方法，发明“冷热匹配、层级降温”原理，提出“上大下小+双炉膛+烟气再循环”的创新型锅炉设计。建成压力达26MPa的超高参数sCO2传热系统，提出超临界传热类沸腾理论，结合实验数据，给出了锅炉管发生传热恶化的临界判据。诞生第一台超临界二氧化碳燃煤锅炉原理样机。 本成果阐明了能量复叠利用原理，是能量梯级利用的继承和发展，消除了复合循环中顶循环和低循环的效率差，最大限度挖掘了sCO2燃煤发电系统的效率优势。并首次阐明超临界流体分子尺度下的非均匀物质结构，颠覆了人类对超临界流体物质结构的认知，首次将亚临界压力下的多相流体理论体系引入到超临界传热中，初步实现了亚临界和超临界压力下能量传递与转换理论的统一，达到国际领先水平。

生物柴油是用含油植物或动物油脂作为原料的可再生能源，是优质的石油柴油代用品，具有可再生、清洁和安全三大优势，目前世界许多国家正大力开发这种生物柴油技术并推进其产业化进程。我国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为国家发展方向。我国自“八五”就有科研单位开展了生物柴油技术的研究开发，目前只有海南正和生物能源公司实现了产业化，生产能力仅为2×104 吨/年，其工艺有以下缺点：生产规模小，生产成本高，产品分离困难，排放大量的废液造成环境污染。 本工艺路线的小试验研究结果为：(1)以废食用油为原料，生物柴油收率达到95％以上；(2)生物柴油质量达到美国生物柴油标准，性能与0 ＃柴油相近。副产物甘油纯度达到99.5%；(3)生产成本与石油柴油相当（或稍高）。

超临界二氧化碳对有机物的溶解性随溶质极性、分子量、密度等不同而不同，容易溶解非极性或极性弱、分子量小的有机物。分散染料一般分子极性弱，分子量也不大，因而易溶于超临界二氧化碳。溶于超临界二氧化碳的染料分子是杂乱分散的。因此在这种状态下染色，染浴中的染料活泼，能快速到达纤维表面，接着能较容易地渗入到纤维内部，从而达到染料上染纤维的目的。该项技术的原理在于气体在超临界状态下形成的流体密度低，染料能自动溶解且具有较高的扩散性；染料在超临界二氧化碳中的溶解度随着流体密度的增加而增加，由压力和温度来控制二氧化碳流体密度从而控制染料在超临界二氧化碳流体中的溶解度；提高温度来降低流体的密度和染料在溶液中的数目，促进染料扩散到纤维中去。因此该系统控制参数可比常规水相工艺较为快速的进行调节。该工艺无需助剂，二氧化碳无毒，可循环使用；残留的染料可以粉末状态回收，无废水和废弃物，无需染色后处理和染后烘燥，可节能?0%左右。该工艺染色速度比传统工艺快好几倍，染色效率高。

超临界二氧化碳（SCCO2）具有安全性高、环保、成本低等突出优点,是氟氯烃类发泡剂最有潜力的替代物。但由于二氧化碳在聚苯乙烯中的溶解度较低,且扩散系数较大,因此难于制备低密度的聚苯乙烯发泡材料。针对二氧化碳发泡剂的特点,在自行研制的超临界CO2挤出发泡试验装置上,通过改变成核剂种类及含量,添加过氧化物控制发泡材料降解,与PMMA共混等改性手段,研究影响发泡材料表观密度的因素,制备出低密度发泡材料。 北京化工大学自行研制的XPS生产线，可针对聚苯乙烯，聚丙烯，聚乳酸，聚酯等进行连续挤出和注塑发泡成型，其中环保型聚苯乙烯保温板生产线已经在国内推广了10余条生产线。该项目是国家十二五科技支撑计划项目，中德合作国际项目以及国家环保部重点支持项目。

随着我国智能电网工作的深入和风电、光伏等新能源技术的推广应用，电网对火电机组动态调节性能的要求日渐提高，越来越多的火电机组开始采用AGC调度方式，而且AGC调度方式下的技术指标要求越来越高。不但要求机组能够快速加、减负荷，而且变负荷过程中还要保持良好的调整精度。要求机组能够在加负荷过程随时能够随时停止加负荷，甚至变为快速减负荷，反之亦然（机组实际负荷同AGC指令偏差小于1%）。AGC调度方式下，机组负荷响应速率直接影响到机组平均负荷率，提高机组负荷响应速率有利于提高机组的平均负荷率，从而达到提高经济效益的目的。为了保证机组的快速负荷响应能力，大多数电厂采取了快速改变锅炉燃料量的调整手段，由此造成了机组动态过程中煤耗水平的升高，对机组经济性产生明显的负面影响。 本课题采用自主研发的全程动态燃烧优化控制技术，将锅炉燃烧优化技术和DCS优化技术有机结合，实现了燃烧相关控制手段的自动控制调整。通过优化技术能够使锅炉动态过程中的锅炉效率提高1%以上，动态过程的发电煤耗减少3g/kw.h以上，机组平均煤耗水平降低1 g/kw.h。以实施项目的600MW机组为例，发电煤耗降低1g/kw.h，每台机组每年可以节约原煤约15000吨，减少CO2 排放约55000吨。

超临界流体萃取是一种用于提高天然有效成分或高附加值产品的绿色提取分离技术。其工艺流程为：该技术是根据超临界流体具有与液体和气体不同的性质，通过改变温度或压力而实现产物分离的。与传统的提取方法相比，本技术具有传质速率快、穿透能力强，萃取效率高及操作温度低、产品无溶剂残留等一系列优点，广泛用于医药、食品、香料、石油化工、环保等领域。

超临界锅炉关键技术的研究是上海市重点工业科技攻关项目。超临界压力变压运行大型火力发电机组是火力发电的发展方向，具有显著的经济效益，我国决定开发国际上最先进的600MW―1000MW超临界压力变压运行大型直流锅炉，本项目在引进技术的基础上，针对超临界锅炉的关键技术，在实际参数条件下进行了深入系统的试验的理论研究。它对提高我国大型锅炉的设计水平和保证锅炉性能的

该技术是利用超临界流体的溶解能力，先将溶质溶解在超临界流体中，然后使超临界流体在非常短的时间内，经过特制的喷嘴喷出至低压或常压环境中进行减压膨胀，形成以音速传递的机械搅动，使溶质在瞬间形成大量晶核黄素，并在短时间内形成晶体的生长，从而形成大量粒径及形态均一的亚微米以至纳米级微细颗粒。本技术的工艺流程如下图所示从钢瓶中出来的CO2经过冷却后由高压柱塞泵加压到设定的操作压力后进入萃取槽中，使原料能充分溶解于超临界CO2流体中。将溶解了原料的超临界CO2流体加热到合适的膨胀温度，经过喷射装置快速喷射至粒子收集器（喷雾干燥器）中，以获得粒径小且均匀的微细颗粒。根据溶液的膨胀条件和喷嘴的几何条件，可将析出的固体微粒的尺寸控制为微米级或纳米级。与常规的超细粉制备方法相比，本技术具有明显的优点：（1）仅通过改变体系的压力和温度而实现，无需添加其他物质，避免了其他杂质对产品的污染。（2）不涉及大量流体溶剂的使用，减少了废水的排放和回收溶剂时的能耗。（3）使用的超临界流体一般只需再压缩即可循环使用，大大简化了工艺流程，而常规溶液结晶的操作步骤多，晶体收率不高。（4）常规的溶液结晶方法较难获得粒径单一的产品，而本技术可获得粒度分布狭窄的晶体并易于调整。

超临界CO 2技术是利用CO 2 在临界点附近所具有的特殊溶解能力而实现的关于物质提取分离、纯化、结晶等技术。超临界CO 2 提取提纯技术作为一门化工分离方法，对于用一般传统分离方法难以解决的大分子量、高沸点、热敏性物质的分离更显示出其独特的优点，对于从天然植物中提取有效成份具有广泛的应用前景。植物有效成分是一个可再生的天然资源。植物有效成分的特点是成分复杂，有效成分含量低，有效成分因结构和成分的不同，提取的方法和手段也有所不同。常用的提取溶剂有水和有机溶剂，常用的有机溶剂有甲醇、乙醇和丙酮等。若采用CO 2 提取天然植物有效成分如香料或色素等用作食品原料和添加剂，可保持原有的香气特征或色泽，产品没有机溶剂残留，大大提高产品品质和质量。

超临界二氧化碳动力循环（简称sCO2循环），采用超临界CO2为工作介质实现热功转换，具有三个优势：①CO2化学性质稳定，高温下与金属材料反应弱，为进一步提高主蒸汽参数奠定了基础。②当主蒸汽温度超过550℃ 时，sCO2循环效率高于水蒸汽朗肯循环。③sCO2循环整个系统高压运行，系统紧凑。在燃煤发电、核能、太阳能、余热利用等领域具备应用前景。 2017年以来，华北电力大学徐进良教授团队在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委重点基金、国家能源集团重大项目的支持下，对sCO2燃煤发电系统的热力循环构建、超临界CO2传热特性、sCO2锅炉及透平等关键部件概念设计等开展了研究，取得了重要进展。相关成果获得中国电力科学技术杰出贡献奖，基于相关成果获评全国高校黄大年式教师团队，接受科技日报专访：加上高温高压二氧化碳也能当发电“能手”，重点论文入选SDG7研究论文精选集，该文集是过去5年Elsevier能源类期刊针对联合国可持续发展目标的精选论文（中国约20篇），是能源领域发展的关键性研究资源。具体成果如下： 1、超临界二氧环塔燃煤发电循环构建关键技术 引入协同学，提出多级压缩sCO2循环，结合再热及间冷，构成sCO2循环提升效率的广义路径。是国家能源集团sCO2燃煤发电技术路线的基础。提出能量复叠利用原理解决循环与热源耦合面临的烟气热量全温区吸收难题，是国家重点研发计划项目中sCO2燃煤发电烟气余热吸收的关键技术。相关技术已授权美国专利1项，中国专利4项。 2、sCO2锅炉关键技术 围绕sCO2燃煤发电锅炉面临的关键难点问题，使用分流减阻、模块化设计锅炉解决压降惩罚效应，相关成果获得国内外广泛应用。提出受热面温度控制技术，形成锅炉锅侧与炉侧协同设计方法。获得燃煤sCO2循环及全生命周期特性，构建循环侧动态响应及尺度标度律，解决机组深度调峰关键问题，从效率、经济性、动态特性等方面全面论证了sCO2燃煤发电优势。相关技术已授权中国专利3项。 3、sCO2传热及换热器关键技术 提出类沸腾理论，建立高温高压实验台，具备取得数据的能力，能够对sCO2循环关键受热面的流动阻力、传热系数进行精确预测，关联式精度明显改善，并在此基础上提出了sCO2水冷壁设计，对超临界应用技术开发具有广义指导意义。相关成果被国家能源集团新能源研究院、西安热工院等相关研究机构广泛引用，推动了我国sCO2燃煤发电技术的发展。同时具备回热器的设计能力，形成了sCO2多台回热器传并联网络设计技术。 4、太阳能光热发电与低品位能源利用技术 科研团队对中高温超临界二氧化碳太阳能发电的系统设计具有丰富经验，同时在中低温太阳能与余热利用领域深耕多年。自主研发了有机朗肯循环ORC发电系统，实现了专利向企业转让，推动了ORC在余热利用、制氢、海水淡化等领域的工程应用，对系统热力学优化及工质筛选、多目标参数优化及全生命周期评价、膨胀机中多相流理论及实验等方面具有深厚基础。相关技术已授权中国专利10项。 超高参数CO2流动传热实验平台（包括主循环回路系统、冷却水循环系统、工质充液回收系统以及数据采集系统，最大运行压力和温度分别为25MPa和500oC，实现全周均匀加热和半周非均匀加热，获得了丰富的实验数据，弥补了超高参数传热数据的不足，为发展新的超临界传热理论提供数据支撑，为锅炉设计提供第一手数据资料。） 1000MW级sCO2燃煤发电系统图（采用了以下创新性成果：锅炉模块化设计，消除了压降惩罚效应；引入协同学原理，构建了三压缩循环；能量复叠利用原理，实现烟气热量全温区吸收。在透平入口参数为630℃/35 MPa条件下，发电效率达到51%，比现有超超临界水蒸气机组提高4个百分点。） 团队通过原始创新，在该领域具备较强的竞争力，能够独立承担该领域的项目。同时在本领域具有较强的影响力，与国内多家高校团队、科研院所、重点企业有实质合作。 创新点 1、提出了能量复叠利用原理及设备共享概念，解决了sCO2循环平台搭建关键难题。 2、发明了模块化二氧化碳锅炉，消除了由于大流量引起的压降惩罚效应，为sCO2锅炉的研发提供可行的技术路径； 3、提出了超临界类沸腾理论，建立了超高参数二氧化碳传热系统，为sCO2换热器设计制造提供支撑。 应用案例 本成果是国家重点研发计划项目：“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”的主要支撑，是国家自然科学基金委重点项目的主要研究对象，同时本成果应用于我国国家能源集团~20MW燃煤超临界二氧化碳平台设计。 获奖情 获得中国电力科学技术杰出贡献奖。