南工大凌祥教授:教学相长,流程工业能源利用领域积厚成势

时间:2022-04-25 10:27来源:国家光热联盟
  近期,南京工业大学(简称南工大)副校长、国家太阳能光热产业技术创新战略联盟(简称太阳能光热联盟)理事代表、中国可再生能源学会太阳能热发电专委会副主任委员凌祥教授主持的《面向“本质安全”的过程装备工程人才培养模式改革与探索》荣获2021年江苏省教育教学成果一等奖;他主持完成的“基于扩缩流强化的流程工业严苛条件下废弃资源回收技术与应用”荣获2021年度江苏省科学技术奖一等奖。
  “教学成果奖”是江苏省教学成果最高水平的奖项之一,获奖项目结合“过程装备与控制工程”人才培养模式实际,优化课程体系,创新实践教学,展现了凌祥教授带领团队在人才培养、教学建设和教学改革中的创新与实效。而“科学技术奖”则是凌祥教授十多年磨一剑,长期积累,最终形成的成果,也体现了他紧抓教书育人的同时,在工业节能减排等关键技术研发取得的重要突破。为此,太阳能光热联盟专访了凌祥教授,请他谈谈作为高校老师,第二届全国创新争先奖获得者,是如何统筹兼顾产学研用发展,聚大学之能提升科研价值;并兼顾科研与实用性,做到研究与社会价值并举。
  太阳能光热联盟:作为2021年江苏省教育教学成果一等奖获得者,请介绍下您人才培养模式和独特性?
  凌祥:过程工业(也称为流程工业,主要包括能源、石化、冶金等行业,占GDP的1/3)的装备失效经常导致重特大事故和人员伤亡,急需大量本质安全的过程过程装备与控制专业人才。
  针对目前过程装备与控制专业人才培养体系存在的过程缺乏系统性、本质安全意识不足、工程实践能力弱问题,我们提出的人才培养模式重点从以下三个方面着手:一是构建包含“通用机械设计”“过程设备设计”“装置系统设计”等本质安全教学逐层递进知识模块;二是创建包含广义安全、机械结构安全、过程设备安全、装置系统安全的本质安全知识矩阵,建立“工程项目”“失效事故”过程装备本质安全案例库,强化本质安全意识;三是开发线上、线下专业课程实验、虚拟仿真项目、实验装置系统,培养从单一设备到装置系统、工艺与控制的全链条综合设计能力,以及培养设计、制造、使用、检维修、报废等全寿命的工程实践能力。
  我们提出的人才培养模式具有特色鲜明的育人理念、课程体系和实践途径,即,基于敬畏生命、安全第一价值观,形成了面向本质安全培养过程装备专业人才的特色育人理念;构成了全链条、全寿命、大系统的“两全一大”本质安全特色课程体系;形成了软硬结合、虚实结合、研教结合、校企协同、课内外协同的“三结合、两协同”特色实践途径。
  太阳能光热联盟:作为创业型大学,南工大是如何“聚大学之能”提升科研价值的?
  凌祥: 2018年,南工大确定了“固本强源,协同创新,奋力建成国内一流国际知名创业型大学”的发展目标。创业型大学是一种积极把知识运用到实践、更好服务于社会经济发展的新型大学,最大的特点就是能源源不断向社会提供大量原创性科研成果,美国的斯坦福大学、麻省理工学院及新加坡的南洋理工大学、英国的华威大学等都被归为这一类型。
  南工大把建设创业型大学作为发展新定位,既是对国家“投身实施创新驱动发展战略”号召的响应,又是对南工大长期着力产学研深度融合、积极服务经济社会发展办学特色的彰显。
  太阳能光热联盟: 产学研深度融合打造“校本”人才的优势在哪里?
  凌祥:南工大是江苏省属高校中唯一拥有国家重点实验室等6类7个国家级创新平台的高校,有着独特的创新创业基因,是一所能够团结年轻人一起干大事的高校。青年人才在这里可以获得面向国家战略需求和生产一线需求的机会,创新意识和实战能力都能够得到很好的培育。
  此外,学校还与地方政府、行业龙头企业共建研发中心100多家。教育链、产业链、创新链深度融合,成为学校培养人才的重要“资本”。此外,南工大探索形成了“大师+团队”“教学+科研”和“基础+应用”等人才培养模式。并且力倡把论文写在车间里、装置上、产品中,科研与实践多元融合,做到研究与社会价值并举。
  太阳能光热联盟:在“双碳”目标下,能源高效利用也是节能减排降耗的主要手段之一。我们知道,您在过程工业领域内取得了多项国内外领先成果,其应用成效如何?
  凌祥:过程工业中存在大量的废热、废气、废水等废弃资源,可回收废热约占其总能耗的30%左右,若被充分利用,每年就可节约5亿吨标准煤;废气(VOCs)年均排放2000万吨,仅油气回收一项,每年可节约近80亿元。此外,这些废弃资源大部分存在于高腐蚀、高含尘、焦油等苛刻工况中,其资源化回收装备极易发生腐蚀、疲劳、结焦等现象,面临着既要保证安全生产,又要低能耗高效的技术瓶颈。
  针对这些资源的回收再利用,以及回收装备瓶颈与难题,我们和常州大学围绕过程工业苛刻工况下废弃资源低能耗高效利用技术及装备的安全可靠运行,发明了多种强化传热传质的新结构,提出了苛刻工况下装备防腐、耐磨、抗垢等保障安全的新工艺新方法,开发出了高效低阻、安全长寿命的废弃资源低能耗高效回收成套工艺和装备。
  该项目开发的翅片板、内翅片管换热装置在扬子石化、南钢等数十家大型企业废热回收中得到应用,解决了高含尘、腐蚀环境等苛刻工况下废热利用的技术难题;该项目开发的深冷吸附耦合一体化废气资源化利用装置也已在中石油、中石化等公司得到应用,降低了这些企业的VOCs排放,实现了节能减排。
  此次获奖的“基于扩缩流强化的流程工业严苛条件下废弃资源回收技术与应用”同样如此,项目以国家科技支撑计划等为依托,历经十余年攻关和实践,在严苛条件(高低温、高腐蚀、高含尘等)下的废弃资源(废热、废气、废水)回收方面取得了显著的创新成果:提出了扩缩流强化传热理论,发明了用于废热回收的扩缩流强化传热新结构,提出了废气VOCs回收的扩缩流冷凝吸附耦合新工艺、研制了扩缩流强化技术的MVR和空气循环废水蒸发处理新装置。
  上述成果在数十家企业转化并实现了产业化。研制的新型扩缩流换热装置在扬子石化、潞安煤化工等数十家大型企业的废热回收中得到应用,解决了高温、腐蚀环境等严苛条件下废热高效利用的重大技术难题;开发的扩缩流冷凝吸附耦合废气资源化利用装置在中石油、中石化等公司得到应用,降低了VOCs排放,实现了资源化利用;开发基于扩缩流的废水蒸发装置在中石化、云天化等企业应用,取得了显著的经济和社会效益。
  太阳能光热联盟:作为主要从事新能源技术与装备、过程强化与节能环保装备技术、紧凑式热交换器等研究领域的学者,请介绍您是如何通过流程工业的余热“变废为宝”,加速“双碳”进程。
  凌祥:据统计,流程工业中钢铁、冶金、建材、化工等行业年碳排放100亿吨左右,流程工业中实现碳减排,最简单直接的办法就是提高能源利用效率、降低能源消耗。但流程工业能源总体利用率不足60%,大量低品位余热、冷能未充分利用,如果提高2.5%,可节约相当于三峡大坝一年的发电量!
  低温余热主要是指200°C以下的烟气或者100°C以下的液体,但重新利用这一新兴产业并非易事。因为低温余热的热量品位非常低,要求高的能源领域无法满足,高效回收是工程界的重大难题。为此,我们团队就迎难而上,根据温度对口梯级利用的原则,利用移动储能技术把能量高密度储在移动装置里,将流程工业的低温余热应用到建筑运行的供冷和供热中。
  “面向低品位废热利用的移动储能互联网关键技术”项目就是针对该领域的课题。该项目储能的原理就是采用相变储能,即将冷和热高密度存储,在用户侧释放,其物理性能稳定,充放热温度近似恒定、易于控制,可用在风电弃风和光伏弃光的能量储存,再释放到医院、企业等。
  相变储能解决了存的问题,如何取出来呢?我们想到了移动式储能互联网技术这个“最强大脑”,其中最关键的就是高密度相变复合储能材料和快速储放热技术。我们把热量放在标准集装箱内,然后利用储能材料吸收热量,再把储能材料运到用户处释放能量,这样不需要铺设管线就可以实现异地利用,覆盖半径达到60公里,非常经济环保。
  但高密度相变复合储能材料存在过热的问题,如果温度达到58°C,相变材料就会分离,为此,我们团队又经过多次实验找到了相变温度合适的增稠剂;同时又采用了安全可靠的表面冲击强化抗热疲劳技术确保了装备的本质安全。
  现今,移动储能互联网装备已经做到了轻量化,可在写字楼、居民区、医院等区域建立移动储能互联网系统收集能量。”在凌祥教授的愿景里,未来多储能车将协同控制,通过相互间的节点余热、车辆位置、订单位置、订单需求等信息交互协同控制,快速响应用户订单,最大限度减少碳排放。 
  太阳能光热联盟:请再具体介绍一下您带领的团队在太阳能热利用方面开展的研究工作。
  凌祥:储能是塔式光热电站电能连续、稳定输出的重要基础。当前广泛应用的熔盐储能系统存在储能密度低、时间短等问题,而热化学储能可将太阳能转换为化学能并能实现长时间、高密度储存,是塔式太阳能发电高效储能的理想选择。因此,我们选择钙系热化学储能进行相关研究。
  通过储能系统与发电系统耦合模式研究发现,以熔盐为工质的系统发展最为成熟,整体系统效率为15.9%;而热化学间接集成系统整体效率可达23.9%,子系统之间整合容易,安全性、便捷性高,适合大规模应用。热化学直接集成系统整体效率可高达48.04%,但对设备要求较为严苛,需使用高压反应器以及保证气固反应物完全分离。
  吸热器将太阳辐射能转化为热能,是塔式光热电站的核心部件,其性能直接影响到整个发电系统的效率和经济性。目前,吸热器存在热流密度过高且随时间变化明显、温度分布不均等问题,仍有很大改进空间。因此,我们开展了钠热板吸热器的研究,提出了一种新型具有变革性的高温金属钠热板吸热器,实现短路径传热和本质安全,有望可以应用水作为吸热和做功工质,实现超超临界发电。
  人物名片:
  凌祥,教授,现任南京工业大学党委常委、副校长;江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室主任。教育部长江学者特聘教授(2014-2019)、国家万人计划领军人才(2016)、江苏省能源研究学会副理事长、中国可再生能源学会太阳能热发电专委会副主任委员。享受国务院特殊津贴专家。
  主要从事新能源技术与装备、过程强化与节能技术、承压设备结构完整性等研究。荣获2020年度何梁何利基金科学与技术创新奖、2020年度全国创新争先奖。
  主持国家支撑计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省高技术、支撑计划和省高校自然科学基金等项目30余项;承担江苏省科技成果转化基金、企业委托项目等成果转化项目200余项;已发表200余篇论文,其中被SCI检索论文100多篇。获得国际PCT(美国、欧盟、日本)授权专利4项,中国发明专利授权40余件,申请国家软件版权注册1项。研究成果获得国家技术发明二等奖1项(排名1)、国家科技进步二等奖2项(排名1和3)、江苏省科学技术奖一等奖2项(均排名1)、中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖1项(排名1)等省部级奖励10余项。(作者:董清风 冯崎)

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