清华大学山西清洁能源研究院：以创新助推科技进步

      清华大学山西清洁能源研究院（简称清华山西院）是由清华大学独立举办、山西省人民政府支持设立和建设，从事科研相关活动和成果转化的事业单位。自2015年12月正式成立以来，清华山西院充分发挥清华大学学科、技术、人才优势，与山西资源、产业、政策实现优势互补，诞生了一批卓有成效的科研和转化成果。其中，晋华炉、600MW超临界CFB锅炉就是其合作的全球领先的科技创新成果。

      “十四五”时期，清华山西院将融合清华大学学科优势与山西省地方特色，继续深度参与国家和地方创新驱动战略，走出一条符合自身发展的新道路，为中国和山西带来更多原创性贡献。

      2014年7月14日，山西省人民政府办公厅致函诚邀清华大学在山西科技创新城派驻研发机构，共建清华山西院，以实现资源共享、优势互补、共同发展。经过多方努力，2015年7月29日，清华大学校长邱勇与时任山西省委书记王儒林、省长李小鹏出席清华大学山西研究院签约仪式，2015年12月清华山西院正式成立。

      自成立以来，清华山西院以市场需求为导向，以培育新动能为目标，建立起了科研成果潜力释放与市场需求紧密结合的新机制，创立了新时代促进科技与经济结合的新模式。清华山西院也由此成为聚集高端创新资源、提升原始创新能力、开展产业技术研发和成果转化的重要载体。而晋华炉系列技术则是清华山西院交给山西省和中国的一份答卷。

      2016年4月1日，由清华大学和山西省联合研发的晋华炉3.0，在阳煤丰喜一次投运成功；2017年12月25日，晋华炉3.0通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，鉴定结果为国际领先；2018年11月27日，水煤浆水冷壁废锅气化炉（晋华炉）项目荣获2018年度中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖；2019年4月14日，晋华炉项目亮相第47届日内瓦国际发明展并荣获金奖。

      2019年，清华山西院可谓是硕果累累。2019年4月19日，由清华山西院与山西阳煤化工机械（集团）有限公司联合组建的煤气化技术与装备国家地方联合工程研究中心被列为国家地方联合工程研究中心；2019年5月28日，清华山西院加入美国工业互联网联盟（IIC），成为山西省首个加入美国工业互联网联盟的科研机构。

      今年以来，清华山西院紧紧围绕习近平总书记“在转型发展上率先蹚出一条新路来”的重要指示，落实山西省委“四为四高两同步”总体思路和要求，聚焦“六新”求突破，主动适应双循环新发展格局，抢抓全省能源革命综合改革试点重大契机，推动现代煤化工战略性新兴产业升级，借助清华大学能源与动力工程系，打造煤基科技及低碳创新平台。

      2020年7月20日，清华山西院中标工业和信息化部“2020工业互联网创新发展工程—工业互联网标识解析二级节点（综合型应用服务平台）”项目。这是清华山西院连续第二年中标工业互联网创新发展工程。

      清华山西院下设9个研发团队和2个研究中心。自成立以来，他们以科技创新为核心，并结合制度创新、管理创新、业态创新，深度参与国家、地方创新驱动战略，贯彻落实国家、地方创新政策，取得了丰硕的成果。

      煤炭清洁转化中心张建胜教授带领科研团队，历经近20年的自主研发和联合攻关，构建了水煤浆水冷壁气化炉系列理论创新和技术实践体系，开创了完全自主知识产权的水煤浆水冷壁气化炉系列技术，在实践应用领域成果显著。

      从追赶到超越，该团队从基础理论出发，建成世界首台商业规模的水煤浆水冷壁气化炉，突破了水煤浆气化无法使用高灰熔点原料的国际禁区，大幅降低了气化炉的运行维护成本，提高了气化炉的可用率；建成世界首台商业规模的水煤浆水冷壁废锅气化炉，解决了辐射废锅稳定传热与灰渣堵塞的矛盾，气化系统热效率提高至98.4%；建成世界首台商业规模的氧气分级水煤浆气化炉示范装置，实现了气化炉内温度优化分布，合成气有效成分的含量提升至83%。项目技术成功解决了水煤浆气化存在的行业难题，且技术指标先进，被中国石油和化学工业联合会鉴定为“总体技术处于国际领先水平”。

      目前水煤浆水冷壁气化炉系列技术已实现产业化，在化工、电力、燃气、供热领域得到了综合应用，并首次实现了我国自主煤气化技术在海外的商业应用。

      2020年，清华山西院针对水煤浆水冷壁气化炉的技术概况、优势特点、组装制造和试验交验，申请了水煤浆水冷壁气化炉技术条件中国煤炭工业协会团体标准，广泛地进行了技术扩展和通用性延伸，覆盖水煤浆水冷壁气化炉使用条件，为水煤浆水冷壁气化炉的工程应用提供针对性的实施准则。

      燃烧技术与设备团队在吕俊复教授的带领下，开展了超临界CFB关键技术研发。在没有先例情况下，经过10余年的联合攻关，他们系统地解决了从300MW亚临界自然循环突破到600MW超临界强制流动带来的工程挑战，完成了世界首台600MW超临界CFB锅炉的创新实践，性能指标全面优于国外同期开发的超临界CFB锅炉，取得了系列原创性成果。该团队在入驻清华山西院后，积极开展与省内企业的合作，深度挖掘CFB锅炉高效脱硫与低氮燃烧潜力，通过炉内控制，即仅仅依靠炉内石灰石脱硫和低氮燃烧，将SO2和NOx的原始排放浓度达到超低排放水平；依托山西省科技重大专项，与太锅集团继续20多年的产学研合作，共同开发了第三代超低排放循环流化床锅炉技术；在锅炉内燃烧煤的过程中，通过创新设计和工艺技术实现了污染物硫的炉内高效脱除与硝原始超低生成，最终使得锅炉出口烟气排放物直接达到国家最严格的超低排放标准。

      中温气体净化研发团队开发了具有自主知识产权的低能耗、低成本中温（150℃~450℃）变压吸附H2/CO2分离技术，设计搭建了国内首台1~6Nm3/h处理量的中温变压吸附示范装置，经具备中国计量认证（CMA）资质的第三方检测，产品H2（含有效气N2）纯度达到99.9845%。该技术突破了传统净化温度限制，拓宽了能源化工领域传统气体净化温度区间范围，同步提升H2分离的收率和纯度。目前该项目示范工程在阳煤丰喜泉稷能源有限公司工业现场完成。

      工业锅炉污染排放控制技术研发团队则注重在山西省污染物控制面临的“卡脖子”技术问题，围绕山西煤企的实际困难，在部分技术上实现了重大创新突破。该团队历经数余年研发形成的炉内脱硫技术立足于污染控制环节向前端转移的发展趋势，在提出的高效微纳米钙基脱硫剂简易制备方法的基础上，通过火山灰反应将微细脱硫剂担载于大颗粒表面，大幅增加了脱硫剂的炉内停留时间及其利用率，并通过3台工业锅炉的试验验证，实现了低钙硫比下的高脱硫效率。该团队入驻清华山西院后，与山西兰花华明纳米材料有限公司开展合作，将科研成果“担载型脱硫剂”实现产业化生产，并应用于循环流化床锅炉内，实现炉内脱硫净化，简化化工企业废气处理流程，降低环保成本，有效达到国家生产环保标准。

      盐碱地生态修复研发团队在“十三五”期间，先后开展大安市叉干镇民乐村的土地开发整理项目、康保县环聚谷丰光伏电站场地盐碱地改良项目等多个项目，实现33902亩盐碱土壤改良，改良后盐碱地能满足作物生长需求，改良效果显著。此外，以“十三五”国家重点研发技术项目——河套平原盐碱地复合型生态治理制剂产品研发和苏打盐碱土无机矿物质改良剂优选及应用示范2个项目为依托，该团队重点针对河套平原和东北地区典型盐碱土壤开展复合高效型调理剂产品研发。针对不同项目区土壤盐碱程度差异，兼顾快速与长效改良及地力提升，发明了以脱硫石膏为主、有机物料和无机化合物为辅的土壤调理剂产品，研制出适用于河套地区的调理剂产品3种，适用于东北苏打盐碱土的调理剂产品2种，并对调理剂产品进行了施用量和施用方式的研究，最终针对不同程度盐碱土提出相应的调理剂参考用量，进而有助于实现盐碱化地区土壤的快速高效改良。盐碱地区全域综合整治的开展，创新了盐碱化地区生产发展模式。

      清洁供能与非常规能源研发团队在工作中注重从机制和技术方面创新突破，将在清华大学多年相关基础研究与清华山西院的技术应用研究紧密结合。该团队研发的CO2热泵技术，将应用于山西的供暖煤改电、商超制冷、工业供热等领域，在环境温度-20℃~40℃条件下，均可实现55℃~95℃高温水制取，夏季系统平均COP约3.9，冬季平均COP约2.5，可直接替代传统的燃煤、燃气锅炉，节约运行费用达75％以上。

      智慧能源研发团队则围绕智慧能源系统的关键技术开展研发和应用。该团队开发的火电机组性能监测系统，与太原理工大学、山西华仁通电力科技有限公司、山西漳电大唐塔山发电有限公司合作承担山西省科技计划揭榜招标项目——火电机组全过程节能智能监控技术及工程示范，实现了上述技术在山西省火电机组的示范应用。

生物质清洁利用研发团队与山西省长治市政府积极接洽，就建筑节能及打造生物质小镇、光伏小镇等特色小镇初步确定合作计划，提出了利用本地化资源实现清洁供暖的可靠路径，将智能型温室大棚生物质增温炉、智能型户用生物质颗粒取暖（炊事）炉等研究成果成功转化，研发产品已批量生产市场化，并在山西、山东、河北等多地进行实际应用。

      多功能低温脱硝催化剂研发团队针对山西乃至全国非电行业的烟气污染物排放高效治理，以新型碱式铁基硫酸盐氧化物脱硝催化剂为基础，重点开展低温条件下催化剂的抗硫、抗水、抗化学污染物并联合脱汞等特性的研究。该团队根据现场锅炉炉膛情况，采用低氮燃烧器+烟气再循环的技术路线，以分析软件Fluent为平台计算模拟火焰燃烧情况，对宁夏建筑设计研究院1.05MW热水锅炉进行低氮排放改造，实现NOx排放不高于30mg/Nm3的目标。此外，在2019年，研究院作为排名第三的起草单位，与工业互联网研究中心牵头制定了3项国家标准，分别是“智慧城市—跨系统交互第1部分：总体框架”；“智慧城市—跨系统交互第2部分：技术要求及测试规范”和“智慧城市—跨系统交互第3部分：接口协议及测试规范”，助力城市信息化和智能化水平的提升。

      分布式能源研究中心根据清洁能源利用研究的需要及冷热源的实际情况，对清华山西院冷热源机房进行设计，新增水冷螺杆式地源热泵机组2台、燃气三联供机组1台、燃气热水锅炉1台及其配套设备，实现了能效合理利用。

      “十三五”时期，清华山西院坚持自主创新，构建“产、学、研、用”相结合的技术创新体系，密切关注企业创新型需求，努力突破创新型技术难点，在山西省政府的指引下与高校、企业开展全方位、深层次、多形式、新模式的合作，相互支持，共同发展，实现了共赢的发展模式。

      2019年10月19日，清华山西院与中北大学、古交市政府签署战略合作协议，为双方的进一步深度合作奠定了坚实基础。

      为了更好的贯彻落实国家“新基建”的整体要求，响应山西省十四个战略性新兴产业集群建设，清华山西院所申项目均服务于高新技术领域，并逐渐向综合能源发展模式、集中式与分布式相协调的能源系统以及依托能源互联网技术的“能源+”绿色产业目标转变，为创新型技术的发展提供了强有力的支持。

      此外，清华山西院参考清华大学管理制度中合理、适用、科学的部分，结合山西省政府相关制度要求，以项目“带产业、引人才”，形成了一套完整、科学的运行机制及管理制度，合理控制成本、多方组织经费，准确把握研究院发展方向，保障了研究院健康运营、可持续发展。

      在人才管理方面，清华山西院着重专业队伍建设，重点引入了包括清华大学、复旦大学、同济大学、中科院山西煤化所、太原理工大学等一批国内双一流大学博士、硕士，以及海外高校优秀留学生等，形成了一支高层次人才队伍；大力推行人才激励制度，突破传统事业单位的“铁饭碗”弊端，采用更具活力的激励机制促进组织高效运转；通过对基础研究成果，承担项目，发表论文、专利，科技成果转化等进行考核，使科研人员的积极性、主动性、创造性充分发挥出来，也提高了清华山西院对人才的吸引力。

      “十四五”时期，清华山西院将继续落实成果转化激励政策，探索成果转化和产学研合作新机制新模式，努力建成功能完善、高效运行、规范有序、服务专业、市场导向的新型科研平台和科技成果转移转化体系；融合清华大学学科优势与山西省地方特色，继续深度参与国家和地方创新驱动战略，走出一条符合自身发展的新道路。