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解码新动能之科技创新 | 给油田戴上“口罩”、装上“鼓风机”

发表时间: 2021-03-25 00:00:00

作者: 亚搏全站手机网页登陆

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3月的一天,在山东东营胜利油田的一间办公室里,松山湖材料实验室首席科学家、多孔陶瓷团队负责人付超拿到了让他内心振奋的数据——10个月、14个厂家的“实战”PK中,团队基于碳化硅多孔陶瓷材料开发的多孔介质低氮燃烧器各项性能指标100%达标,从激烈竞争中脱颖而出,也成为唯一满足氮氧化物排放标准要求的单位。

▲多孔介质燃烧器技术应用论证会现场

“以碳化硅多孔陶瓷材料为基础研发的多孔介质燃烧器,具有燃烧速率和强度高、稳定性好、析热均匀、污染物排放低等特点。简单讲,就是给油田戴上了‘口罩’,更清洁、更环保,给油田装上‘鼓风机’,让燃烧更充分、更高效。”付超在接受记者采访时表示,在松山湖材料实验室,碳化硅多孔陶瓷材料项目产业化之路迈出了坚实的一步。

“2021年,团队将持续推进碳化硅多孔陶瓷材料在油田、有色金属等行业的推广应用,并加快推进在黑色金属、化工、陶瓷、电子等行业的新应用。”付超表示,碳化硅多孔陶瓷材料可以广泛应用于能源、化工和环境等领域,大量节省能源消耗,实现氮氧化物超低排放,应用前景十分广阔。

等待这个春天:助力油田提升氮氧化物排放标准

“春分已过。按历法,到了农耕的重要时节。碳化硅多孔陶瓷材料产业化项目也即将走过春夏秋冬四季的第一个,也是产业化最重要的轮回。”3月的一天,松山湖材料实验室的办公室里,付超对记者说。

付超提到春夏秋冬,并不是要展现春风、夏雨、秋叶、冬雪的文艺范儿,而是指团队基于碳化硅多孔陶瓷材料开发的多孔介质低氮燃烧器在山东东营胜利油田即将稳定运行1年时间,经受气温等多种环境的变化所带来的各种考验,迎来2021年的春天,同时也迎来多孔介质低氮燃烧器在油田领域的“春天”——产业化落地取得突破性成效。

多孔介质燃烧器在胜利油田水套加热炉中试用

在今年3月初,胜利油田分公司科技管理部组织专家组对松山湖材料实验室研发的多孔介质低氮燃烧器在油田的试用效果及应用前景召开了论证会。

多孔介质燃烧技术是一种气体燃料和氧化剂预先混合,然后进入多孔介质并在其孔隙内或表面进行燃烧的最新一代国际先进燃烧技术。

▲多孔介质燃烧器

在此之前,国内油田多以水套加热炉用于采油井场、输油干线上,为原油加热降低粘度、增加流动性,利于原油输送,同时通过直燃的方式处理油田伴生气。

但在碳达峰、碳中和,能源结构面临调整的情况下,当前所采用的燃烧器主要为简易型燃烧器和商用燃气燃烧机,存在污染物排放高,热效率低(50%-60%),能耗及运行成本高等问题。胜利油田的燃气锅炉氮氧化物排放达标排放率仅4.7%,距离氮氧化物阈限值50mg/m³的标准,还有巨大的空间。如何解决这一棘手的难题?

松山湖材料实验室基于高性能碳化硅多孔陶瓷,采用新一代的多孔介质燃烧技术,开发的新型水套加热炉燃烧系统,为胜利油田解了燃眉之急。

去年5月双方开始接触,经过多次迭代,去年10月,松山湖实验室多孔陶瓷团队燃烧系统在胜利油田水套加热炉实现超低氮排放,实现首试成功。经过近一年时间“实战”后的本次论证会,是要检测整一年度的成效。

经技术检测中心的现场测试,无论是油田最为关注的环保达标,还是能效提升方面,多孔陶瓷团队都获得绝对优势。

具体而言,在环保方面,现场油井低氮燃烧器配套加热炉中,松山湖多孔介质燃烧器配套加热炉烟尘排放4.18/m³,SO2排放8.0mg/m³、NOx排放23.40mg/m³三项指标均稳定达标,且按照氮氧化物排放指标上限50mg/m³的标准,也是唯一满足氮氧化物排放标准要求的厂家。

在能效方面,现场油井低氮燃烧器配套加热炉中,松山湖多孔介质燃烧器配套加热炉平均热效率为79.7%,远高于62%的标准要求。

什么是热效率?“燃烧所释放的热量最终有效的利用率。通俗来讲,就是可以让燃烧更充分,更高效。同时,因为燃烧的更充分,污染也更少。”付超解释道。

脱颖而出的关键是哪里?“材料,碳化硅多孔陶瓷材料是我们能够做到这一步的核心关键。”付超表示。

在松山湖材料实验室多孔陶瓷团队的展厅里,一个通体黑色,表面分布有微小孔洞,外观上类似于电器包装盒内常见的塑料泡沫,因此业内有时也将其称为“泡沫陶瓷”,就是此次在胜利油田的“功臣”。

碳化硅多孔陶瓷材料

松山湖材料实验室研发的碳化硅多孔陶瓷材料,在满足多孔介质燃烧材料的基础上,导热系数、抗热震冲击能力、高温强度等指标均具有国际领先水平。

“这就相当于给油田戴上了口罩,更清洁、更环保,给油田加了鼓风机,让燃烧更充分、更高效。”付超表示,在产业化方面,松山湖材料实验室还相继与中金岭南、中国一汽等多家央企、上市公司、行业龙头企业达成战略合作。

“深耕”30年:材料经过10000小时测试

谁掌握了材料,谁就掌握了未来。

在业界,多孔陶瓷材料并不新鲜,以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的多孔性陶瓷材料。

但开发一款耐高温、高强度的,具有广泛应用于多个领域的新型碳化硅多孔陶瓷材料却绝非易事。松山湖材料实验室主任汪卫华院士就曾提到,“一个新材料从实验室发现到应用一般要二十年,周期很长。”

碳化硅多孔陶瓷新材料的研发同样如此,材料从研发到产业化之路走了30年的漫长之路。

“在碳化硅多孔陶瓷材料的研发中,最难的是材料的强度这一关。碳化硅陶瓷在高温下容易被氧化,从而强度下降而失效,如何提升陶瓷材料的耐高温性能?这关乎到后期在不同的应用场景下的适应性问题。”付超表示,如碳化硅多孔陶瓷新材料的研发工序就有100多道,每一道工序都需要在特定的条件下予以测试,然后根据不同的测试条件予以检测,然后多次反复迭代精进。

如此反复实验,从试错中找到正确的路径,经过团队长达30年的研究,可耐1600度高温的超硬度碳化硅多孔陶瓷材料的技术终于趋于熟化。“作为科研工作者,我们要做的就是让材料更完美,让性能更高端。”付超表示。

新材料是否达到“出厂标准”?先进行“体验”。据了解,碳化硅多孔陶瓷材料在高温等多种变量之下,经过10000小时的运行、启停等测试,得出符合理论预期的数据,才算正式宣布技术成熟,可以推向市场。

2018年4月,多孔陶瓷团队来到松山湖材料实验室。从北京到东莞松山湖,是地域的变化,更是工作内容的巨大转变。

“如果把技术比喻为一粒种子,接下来要做的就是给种子选择一个适合生存的土壤,落地到一个一个具体的产业中来,让技术成长起来,在不同的行业里开出千姿百态的花朵,结出形态各异的果实。”付超表示,在东莞,在松山湖所推进的中试工作,就是要把种子变成果实。

“转变思路,找到市场需求和痛点,多方合作。以技术为起点,推进落地,推进产业化。”付超很快总结出实验室的研究工作和产业化的区别。

知易行难。

用时3年,该团队经历了从研究方案制定、实验设备采购、中试试验平台搭建以及实验工作的全面开展。“无论是设备的制作、安装、调试,都需要团队人员亲自上马,一点一点推进。比如,绝大部分的设备都属于非标部件,需要自行设计,然后找厂家生产。”付超表示,为此,团队飞遍了全国各地,寻找合适的厂家。

“这对于我们科研人员而言是一次历练,但在多次考察中,看到多个行业对我们技术的认可,还是深感欣慰。毕竟,研究了30多年的技术,终于迎来开花结果的阶段。”付超表示,碳化硅多孔陶瓷材料是目前国内唯一满足商用要求的多孔陶瓷材料,打破了西方国家对中国的技术封锁,真正解决了阻碍技术应用的“卡脖子”难题,率先实现了多孔介质燃烧技术在国内的商业化应用。

播撒:推进有色金属、机制砂多个行业应用

在记者采访付超之前,他刚从北方多个城市的出差中赶回东莞的办公室。全国各地到处跑,已经成为他近年来工作的常态。

这种常态既是他当初从实验室走出来时推进产业化的初心,也是面对现实情况的迫切需要。“材料研发出来后,松山湖多孔陶瓷团队的一个重要工作是科普。在我的考察走访中,绝大多数人不知道、不了解这一技术,更别提应用了。”付超笑着说,碳化硅多孔陶瓷作为一种新材料,在推介过程中常常遇到这样“尴尬”的局面。

同时,在当前环保政策的倒逼之下,多孔陶瓷团队更迎来越来越多的市场需求和更为广阔的市场空间。

“虽然不了解,但是当介绍完之后,各个单位的人对这一新型材料的兴趣立刻大增,合作意向极其强烈。”付超表示,截至目前,松山湖材料实验室采用新一代的多孔介质燃烧技术,已经开发了一系列可在热力、钢铁、有色、陶瓷、化工、纺织、汽车等众多行业广泛应用的燃烧器和热工装备。

“我们主要发力B端市场,但因为技术的先进性,也有C端的客户前来咨询。近期,一家国内燃气灶生产龙头企业找到团队,想合作开发采用新一代的多孔介质燃烧技术的燃气灶。”付超表示,如果未来落地的话,将有望推出没有明火的燃气灶,同时更节能、更高效,也更安全。

“事实上,老百姓日常煮饭过程中会受到火焰的炙烤,如果把这些能量可以聚拢到煮饭上,岂不是更节能。”

科研工作没有止境。目前,结合团队研发的陶瓷金属复合材料硬度高、耐磨性好的优点,松山湖材料实验室多孔陶瓷团队开发了铁砧、锤头、分料锥等系列制砂机耐磨件,拓宽了产品应用场景,申请了9项相关发明专利,并已与厂家、用户形成合作。

在松山湖材料实验室多孔陶瓷的规划中,2021年预计申请100件专利,在推广应用方面,将全力完成产品在油田、有色金属、机制砂等行业的推广应用,并实现产品在黑色金属、化工、陶瓷、电子等行业的新应用。

付超说,未来团队仍将深入挖掘和了解客户面临的痛点和难点问题,不断加大新材料、新技术的研究开发,开发出多样化的能够成熟应用的燃气燃烧系统,推动多孔介质燃烧技术在油田的大规模示范应用,达到绿色、环保、节能的目的,逐步推动国内石油产业链的技术升级改造。

文字:I东莞 张华桥

摄影:多孔陶瓷团队

编辑:I东莞 张东昌

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