走进院系]在发电领域树立“华电”品牌——记生物质发电成套设备国家工程实验室

  月22日，在2014年中国国际电力电工展上，依托我校建设的“生物质发电成套设备国家工程实验室”展出的“板式脱硝催化剂及有关技术”引起了业界的关注，这套国内唯一具有完全自主知识产权的成套板式脱硝技术，不但打破了国外的技术封锁，还使整个市场的产品价格下降三分之一，已经获得9项国内发明专利、1项国际发明专利。使用过此催化剂的国电宣威发电有限责任公司在感谢信中说到：“板式脱硝催化剂的使用，保证了我公司脱硝改造工程的顺利完成，且贵公司催化剂在脱硝效率以及使用质量等方面均达到我公司脱硝工程设计的基本要求”。人们在交口称赞的过程中也记住了两个名字：“华北电力大学”和“生物质发电成套设备国家工程实验室”。

  新世纪以来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国能源需求迅速增加，能源、环境和经济三者之间的矛盾一天比一天突出，加快可再次生产的能源发展势在必行。包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等多种发电形式在内的生物质发电，是世界上仅次于风力发电的可再次生产的能源发电技术。1990年以来，欧美许多国家开始全力发展生物质发电，并具备很成熟的技术。

  面对滚滚而来的全球可再次生产的能源利用大潮，华北电力大学基于已有优势学科，结合国家能源电力发展的策略需求和国际能源电力发展的新趋势，提出和构建了“以传统优势学科为基础，以新兴能源学科为重点，以文理学科为支撑”的“大电力”学科体系。在“电”字不变的前提下，全力发展可再次生产的能源和新能源学科方向，建设一批包括环境、核电、水电、风电、太阳能、生物质能等在内的学科生长点。这一状况，为学校在生物质发电领域进行探索与实践提供了契机。

  我国在生物质发电领域起步较晚。2003年《可再生能源法》的颁布，使国内掀起了生物质发电的热潮。然而，当时国内生物质发电产业却处于举步维艰的境地，且不说生物质发电具有比常规煤炭燃烧发电更高的技术难度，单是在生物质锅炉的设计制造层面，仅处于试验示范阶段的国内产业，由于没有掌握核心技术而不得不依赖国外技术与进口设备。缺乏具有中国创造的生物质成套设备和其技术成为制约我国生物质发电大规模发展的瓶颈。

  学校依托可再次生产的能源学院，设立了生物质能研究中心，开始了生物质能发电原理和工程的探索与研究。学校瞄准世界生物质发电领域顶尖水平，加大在该领域的人才引进。现任国家工程实验室常务副主任的董长青就是2004年被引进到学校的。学校还先后从中国科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学等国内外知名院校引进了陆强、郑宗明、赵莹、覃吴、王孝强等一批在生物质燃烧、热解、生化转化等领域从事研究的年轻学者，使他们迅速成为国家工程实验室开展工作的研究支柱。

  这期间，研究中心开始参与到校外科研单位和企业的实际生产应用。研究中心为解决航天动力研究所提出的污染物治理难题，从机理到实验攻关，成功解决了高浓度N2O的处理问题，这次合作，使研究中心和这家单位建立了长期稳定的合作伙伴关系，并促使研究中心确立了“企业技术难题，攻关只许成功不许失败，必须对企业负责到底”的合作态度。

  2005年12月，国家发改委启动国家工程实验室建设，把生物质发电作为重点产业予以扶持，以期在生物质发电产业链条上突破一批共性关键难题，取得相关核心技术。

  面对国家的重大需求，学校积极整合自身在燃烧、热解、气化、测控、材料、发电动力设备、生物质收储运和前瞻性生物质发电技术等方面的优势，力争为我国生物质成套设备产业提供技术支撑和保障。2007年底，学校开始策划申报“生物质发电成套设备国家工程实验室”。2008年，学校成立筹备领导小组，开始组织力量筹备申报国家工程实验室，依托能源与动力工程学院等相关优势单位及研究平台，整合校内资源，联合龙基电力集团（现更名为国能集团）、国能生物质发电集团、济南锅炉集团有限公司等设备生产商以及设备运营商，优势互补，资源共享，共同申报“生物质发电成套设备国家工程实验室”。

  学校依据自己实际，对实验室的研究定位、建设目标、学术方向、建设内涵进行了反复、全面、深入的论证。学校筹备领导小组在整合学校资源、广泛调研的基础上，多次听取包括黄其励院士、清华大学热能工程系原主任吴占松教授等在内的专家学者、政府官员、企业总工的意见，虚心接受指导。校长刘吉臻、副校长杨勇平带头撰写申请报告，时任科技处处长胡三高、时任能源与动力工程学院院长徐鸿以及董长青、李惊涛两位年轻教师，按照学校总体思路和拟定的研究方向，认真撰写、反复修改、逐步完善了实验室申请报告，2008年5月，学校向国家发改委正式提交实验室申请报告，刘吉臻校长带领项目团队参加了专家组的评审答辩。6月，发改委组织专家组到校考察后认为学校选择了一条适合我国国情且具有发展前途的技术路线。

  经过不懈努力，2009年2月，国家发改委批准学校建设“生物质发电成套设备国家工程实验室”，由国能生物质发电集团有限公司、龙基电力集团有限公司和济南锅炉集团有限公司参与共建。2009年11月，华北电力大学首个国家级科研平台正式被授牌。

  在传统火力发电领域一直占据领头羊的华北电力大学现今在新能源领域取得了学校发展历史上国家级实验平台零的突破，毋庸置疑，这得益于学校长期以来在能源电力领域具备完善的学科体系、先进的研究平台、雄厚的师资队伍的沉淀与积累，更是学校在新形势下，审时度势、明确目标、整合资源、全力以赴的回报与收获。“生物质发电成套设备国家工程实验室”的获批建设，使得学校一举抢占了国家生物质发电领域的制高点，借助这一崭新平台，学校将开启其在生物质发电领域乃至新能源发电领域的新里程。

  对实验室未来的发展，学校充满了自信，也寄予着希望。刘吉臻校长曾说到：“学校将全力办好国家工程实验室，为国家生物质发电产业提供人才、技术与智力支持，使实验室成为推动我们国家生物质发电产业理论研究与工程实践迈出新步伐的重要基地。同时，作为学校首个国家级科研平台，学校也期望通过在实验室建设过程中体制机制的创新，为学校高端平台的建设发展起到示范、引领作用；通过技术的发展、经验的积累，为整个学校的学科建设、科学研究、人才培养起到积极的推动作用，在带动学校相关学科、前沿学科的发展与进步的过程中，推动学校高水平大学的建设进程。”

  学校异常重视与珍惜首个“国字头”实验平台的建设机遇，将建设好国家工程实验室上升到事关整个学校学科建设、平台建设、科学研究再上新台阶，事关学校高水平大学建设进程的高度予以重视。

  如何在体制机制保障实验室建设的顺利运行、如何在管理体制上对实验室做考核测评，是摆在学校面前的一道崭新的课题。根据实验室真实的情况以及学校和企业长年来积累的密切合作基础这一优势，学校探索、创新了一种开放式、即与社会力量有机整合共同管理、建设实验室的新体制。

  2009年6月，由刘吉臻校长为理事长的实验室理事会成立，理事会由华北电力大学为理事长单位、国能生物质发电集团有限公司为副理事长单位，国能电力集团有限公司、济南锅炉集团有限公司作为理事单位。理事会是实验室的决策机构，是对实验室发展的策略、规划、科研、产业等重要事务进行审议和指导的机构，其在增进生物质发电企业与实验室加强联系、增强实验室服务生物质发电企业能力等层面，发挥着及其重要的作用。理事会的四家单位有着明确的分工：华北电力大学主要负责科学研究、技术创新平台建设、人才教育培训和产品研制；国能生物质发电集团有限公司主要负责科研成果推广、工程应用示范；国能电力集团有限公司和济南锅炉集团有限公司负责生物质锅炉的制造与安装调试。三方共同加速成果转化，培育产业链条。并在此基础上，积极申请国家前瞻性工程研发技术项目，强化产业技术持续供给，保障实验室持续发展。

  理事会的成立，从体制上打通了生物质发电领域从生产需求、研发技术、设备制造、成果推广、工程示范等在内的整条产业链，理事单位之间相互配合、取长补短，使得实验室真正的完成了研究成果从需求、到构想、到研发、到应用，再从实际应用中寻找问题、完善研发的有机结合。

  理事会聘任专家组成技术委员会，成立了以岑可法院士为主任和企业总工在内的专业技术人员组成的技术委员会，为实验室提供战略规划、研究方向等方面的咨询和建议，负责审定实验室研究课题，评价研究成果等事务；实验室实行理事会领导下的主任负责制，组建了以清华大学热能工程系原主任吴占松教授为主任、由产学研单位共同参与的实验室管理团队。在理事会的领导下，主任负责实验室的日常运营管理。

  对于实验室的管理体制，吴占松认为，从实验室的申报过程以至理事会的建立，都能够说是成功打破了以往高校实验室一心搞研究、不闻窗外事的封闭局面，这也更符合实验室作为国家工程实验室的定位。产学研单位共同申报、共同管理，使得实验室研发的周期得以延长、发展的平台得以扩展、产出的成果得以应用。

  事实也证明，这一开放式的建设管理体制，为实验室更好的进入角色、融入到生物质发电领域，发挥了及其重要的作用。2010年1月，根据国家发改委明确的实验室建设目标，理事会就如何建好实验室做了专题研讨，经过充分讨论，最后决定根据共建单位各自优势及侧重研究方向，实验室下设设计与仿真实验室、能动学院分室、控制与计算机学院分室、生物质能发电与生态环境影响研究室和生物质能政策法律研究室共5个分室。之后，又增添了验证性实验平台和成套设备集成与优化研究室。2010年8月，在理事会的指导下，实验室确立了“边建设、边完善、边研究”的原则，将实验室建设周期分为三个阶段，制定了发展规划，细化了实验室的阶段性建设目标，进一步明确了实验室的主要研究方向。

  国家工程实验室贯彻“开放、流动、联合、竞争”的开放运行管理方针，与包括学校理事会成员单位在内的能源电力企业在诸多层面开展了广泛深入的合作，取得了显著成效。

  2012年，在分析测试领域，实验室通过国家认证认可监督管理委员会的实验室资质认定，获得国家级CMA资质认定计量认证证书，能够出具具有法律上的约束力的检测报告。使实验室既可以为自身的科研实验做多元化的分析测试，也可以对外承接其他研究机构、企业的测试样本，为研究机构与公司可以提供完善、高标准的研究和开发环境。

  与国家重点实验室相比，国家工程实验室在研究方向上主要侧重实际工程的生产运用。根据这一状况，国家工程实验室与多家电厂合作开展示范工程，将实验室的最新研究成果直接应用到企业的实际生产应用中。同时，国家工程实验室成立了北京华电光大环保技术有限公司（简称华电光大），根据自愿原则，每位研究人员都是公司的投资者。公司的成立，扩充了实验室的资产金额来源，研究课题更加贴近实际。通过公司，实验室能够迅速获得产业的技术需求，缩短研发周期，为产业提供支撑。

  尽管有着广阔的发展前途，但国内整个生物质能产业技术起步晚、基础薄弱，无论是国家工程实验室建设期间，还是其前身生物质能研究中心运行期间，研究人员的研究过程并非一帆风顺、研究成果也非顺手拈来。

  来校后作生物质气化燃烧研究的董长青坦言当时压力很大：“担心自己拿不出科研成绩，没法向学校交待”。学校领导在生物质能领域敏锐的眼光、坚定的信念，以及对研究人员的关心、信任、包容与支持，使包括董长青在内的所有研究人员增强了信心，为研究人员踏实工作吃下了放心丸。

  还是在生物质能研究中心时期，时任动力系主任的杨勇平十分看好研究中心的发展趋势，在研究中心起步阶段给予了大力的资金支持和智力支持，并推荐企业与之合作。在这种宽松优惠的环境中，研究中心自己画图、买装备设备、自己制造了第一台气化炉，通过这台气化炉的实验，研究中心提出生物质气化混燃的概念，并将其逐步完善演变成“生物质多功能可调振动炉”。这台可以对燃烧角度、燃烧功能、炉排做调整的实验平台，能适应不同企业在实际生产中的个性化需求，实验室在为企业解决实际生产应用问题的同时，争取了企业资金，顺利拿到了各种项目，成为行业示范工程的同时带动了整个产业向混燃方向发展。“在最困难的时候，学校给你支持、给你时间，让你慢慢来，包容你，关心你，这种氛围让我受益匪浅。”董长青说。

  研究中心通过自身设计、制作的设备，联系、吸引企业与科研单位来作实验，在逐步扩大在此领域知名度的同时，从服务实际应用、引导实际应用做起，在给企业解决实际问题的过程中提炼科学问题，并以此为基础申请承担新的科研项目。“在做企业项目的过程中产生新的idea，然后提炼出科学问题，通过科研项目验证这些idea，实现引领技术的发展。”生物质能研究中心逐步独立承担包括“863”、教育部重点项目、北京市自然基金等在内的各类科研项目，这些都为实验室基础研究和研发技术奠定了基础。

  学校依据实验室的建设目标，联合国内知名的制造和生产运营企业，组织顶尖学术团队，从人、财、物等每个方面给予全力支持。实验室获批，适逢主楼投入到正常的使用中，学校将主楼B座两层建筑用房划归实验室建设使用。学校全方位的支持给予实验室发展基本的物质条件，但在实验室在获批建设初期，仍遇到各种困难。

  立项初期，科研经费从审批到划转有一个时间段，为了不让实验室建设有些许的空白期，在校领导的支持下，学校垫资帮助实验室开展建设，吴占松回忆当时实验室有几次亟需用钱而经费没有到位的情况，只要向学校提出申请，每次都能在最短时间之内得到经费支持，“有求必应”，吴占松这么说。

  人员短缺也是实验室面临的最要紧的麻烦，“当时大家既要保证已有科研任务的顺利进展，又要参与实验室各种设备、物资的采购、调试与运行。任何一个人都身兼数职，既是科研人员、又是物资采购员、资产管理员。贴发票、跑基建，每天都需要加班，但是大家每天都感到很充实、很兴奋。学校已经给实验室建设创造好了条件，划拨了那么多房子给我们，我们的任务就是将这些房子充实起来，建设完善实验室。一想到实验室将在我们手里发展壮大起来，每个人都有无穷的动力。”2009年从哈尔滨工业大学博士毕业加盟华北电力大学的赵莹回忆说。

  实验室的建设与发展，人是至关重要的核心元素。个人自身发展的科学规划、对实验室的归属感与责任感，个人发展与实验室发展的有机融合，一直是实验室关注的重点。

  实验室对每一位新人进行科研规划和职场策划，依据新人之前的研究方向和专业背景，结合实验室科研的主攻领域，以及当前行业发展的总体趋势与国家的政策路线，对新人在实验室的研究方向和研究领域提出建设性的意见。如果新人有自己感兴趣而且是符合实验室发展需求的研究内容，实验室同样给予全力支持。

  实验室年年都会设立开放课题，对新人的科研进行资助，只要是从事与实验室目前的研究相关，或者是有明确的前沿性、开拓性及重要学术意义的理论方法研究课题，都能申请开放课题。实验室学术委员会将按照“公平竞争、择优支持”的原则进行评审，入选的课题会在一到两年的时间内得到年度拨款支持，持续较长时间的重大课题还可以分阶段申请。这一措施有效缓解了新人科研经费相对紧张的局面，对于新人在不中断自身科研工作的过程中逐渐适应新局面、接受新任务，起到了不可估量的作用。赵莹最初是通过开放课题作出了自己的第一个科研课题，并在此基础上，先后获得国家科技支撑项目、北京市青年英才项目、中央高校专项基金等多项纵向及横向项目。

  广阔的科研前景、良好的科研氛围，成为实验室每位研究人员为之奋斗的力量源泉。“实验室里没有闲人，任何一个人都能寻找自我的位置，有自己的任务与责任。大家每天都很忙、很充实。”每位研究人员都清醒的认识到：自身的发展是和实验室的发展紧密联系在一起的，以实验室为平台、以学校为支撑，任何一个人都能在发挥个人专长的过程中实现自身的科研梦想。

  为缓解人员短缺问题，实验室采取多种方式招聘研究人员，既设有专职研究人员岗位，也有兼职人员岗位，既有校内研究人员，也有校外研究人员，逐步形成了一支结构符合常理、富有创造新兴事物的能力的开发团队。目前实验室有固定人员40余人，流动人员50余人。为了让大家有一个轻松自由的科研环境，华电光大公司成立的时候，根据自愿原则，每位研究人员都成为了公司的投资者并按期能够获得分红。“公司的成立，从另一层面讲，解决了大家的生存问题，使得大家不必为生计担忧，从而能够安心地开展工作。”这支一半成员为80后、平均岁数只有36岁的研究团队在生物质多联产、清洁燃烧、垃圾综合处理、污染物脱除、量子化学等方面具有鲜明的特色，在国家工程实验室建设中、在生物质能领域的研究中取得了一项项突破，并积极承担了包括973、863、自然基金在内的多项国家研究课题及企业委托课题。

  除常规科研任务外，实验室还担负着研究生的培养任务。为提升实验室研究生培养质量，实验室按照学校人才培养的总体要求，从生物质发电学科的自身实际出发，更为注重培育学生协同作战的团队精神、创新坚定的科研精神以及严谨规范的科研习惯。

  每一位新入学的研究生，由导师帮助其确定研究方向，也会和新入职的员工一样，加入到一个科研团队，在同其他人员的交流互动、科研攻关中开展自己的研究生学习生活。为了争取实验做到一次成功，不在无谓的地方犯错误，每次做实验前，导师都会指导学生进行充分的准备，剖析背景、查阅文献、分析数据、筹划布局、思索细节，每个环节、每种结果都事先进行充分的考虑，必要时还要进行讨论论证。

  实验室研究生三年级的学生叶小宁是2013-2014年度全校十一名校长奖学金获得者之一，两年多的求学，使他获益匪浅。“实验室老师会帮助你学会怎么样思考问题、如何提出问题、怎么样才能解决问题、如何将问题转化为能应用于实践的方法与模式。实验室对每一个学生要求都很高，我们一般是早上8：30到实验室，晚上11点以后才离开，平均每天科研时间超过10个小时，节假日与周末也都基本按照这一个作息规律来要求自己。”充分的利用实验室这一有利平台，让学生加入科研团队，使实验室慢慢的变多的学生开始了从一名普通学生到真正的科研人员的蜕变，他们和老师一起参与研究课题的申报、科研论文的撰写、发明专利的申请。目前，实验室共培养七十余名研究生，其中，在读的三十三名研究生中，就有四名获得了2014年度研究生国家奖学金。

  “从身份确定上讲，我们是一名高校的科研人员，但我们第一步是一名教师，培养教育学生，是我们作为一名教师应尽的责任。高质量人才是实验室未来发展的基础，今天的学生，明天就非常有可能是实验室的主人。从这些层面讲，作为高校第一个任务的人才教育培训，同样也是实验室重要的职责。”董长青说。

  国家级实验平台，其技术路线特别是核心技术路线明确与否、是不是满足实际，不仅关系到实验室自身能否在竞争激励的业界环境中异军突起，更关系到在此领域我国能否快速缩小与先进国家的差距、成功摆脱国外的技术垄断与封锁。自建设以来，国家工程实验室从国家层面出发，围绕突破制约生物质发电产业高质量发展的瓶颈技术，在多个领域明确技术路线，开展关键技术探讨研究，目前，共有30余项研究成果得到了实际应用，部分研究成果已成为国际国内标准，为解决国家在生物质能源领域方面的重大需求提供了支持。

  在生物质直燃发电和生物质高效热化学转化领域，国家工程实验室明确了一条符合国情、方向准确的技术路线，并取得显著成绩。

  与欧美同一品种生物质资源大面积集中种植相比，我国生物质资源多以农林废弃物为主，品种多样且分布分散。“杂粮”特性带来了燃烧稳定性差、能耗高、燃烧效率低、结焦等问题，如采用国外一种资源用一种锅炉的方法，则会带来非常大的成本问题。国家工程实验室人员通过对热值、元素组成等生物质特性做多元化的分析对比，结合我国生物质资源“杂粮”的独有特性，创造性开展了“生物质直燃发电关键技术探讨研究及工程实践”，其关键技术可将“杂粮”直接送往锅炉进行燃烧，在突破以往燃烧缺陷的同时，节约了成本，提高了燃烧效率，全面系统地解决了包括上料系统堵塞、结焦在内的各种问题。

  同样，在生物质高效热化学转化的重要领域热解气化层面，国际传统上倾向于采用旋转锥快速热解方式，这种热源不固定的热解气化过程尽管已示范多年，但是由于存在密封性、危险性等难以克制的缺陷而无法大规模推广。通过技术路线判断，国家工程实验室认为传统方式很难走向产业化发展，从“用最简单实用的办法解决最难的问题、能推广应用”的方面出发，研究人员成功研发了固定热源的“双床热解气化”这一技术路线。目前，此项技术正在进行工程示范，该工程用热解碳化的工艺将秸秆作成碳和化学品等成型燃料。该工程要将生活垃圾转化成碳和成型燃料的发展目标已获得北京市重大科学技术成果转化支持。

  “SCR板式脱硝催化剂及有关技术”，是国家工程实验室在污染物处理层面明确技术路线、坚持自主创新、产学研紧密结合的成果之一。与煤炭燃烧一样，生物质燃烧产生的氮氧化物是大气污染物的大多数来自。在我国，早期脱硝催化剂配方与生产线均为购买欧美和日本技术。尽管一些环保企业通过引进消化吸收的方式也发开了多种脱硝催化剂，但产品的质量良莠不齐。为成功摆脱国外同行的制约，国家工程实验室决心“为荣誉而战”，在瞄准技术发展前沿并明确核心技术路线后，国家工程实验室自行研制功能化纳米钛白粉，并通过表面修饰与活性组分负载，掌握了板式SCR脱硝催化剂的关键制备技术，打破了国外对板式SCR脱硝催化剂的技术封锁。目前，产品已应用于多家电厂。其中，云南国电宣威电厂应用该技术的脱硝效率，远高于之前应用的国外技术的脱硝效率；而之前采用国外产品的大唐集团哈尔滨第一热电厂，其脱硝效率一直徘徊在50%左右，在应用“SCR板式脱硝催化剂及有关技术”相关这类的产品后，脱硝效率提升至80%以上。大唐集团哈尔滨第一热电厂在感谢信中这样写到：“在催化剂的安装过程中，贵公司派遣专业方面技术人员全程跟踪指导，保证了催化剂安装的顺利进行。并且贵公司产品在脱硝效率以及其他技术方面的要求上均达到并超出我厂工程设计的基本要求。”为了进一步使技术推广，实验室建成了年产量15000 m3板式脱硝催化剂生产线，成为国内唯一具有完全自主知识产权的成套技术。目前，此项技术已创造经济效益5000万元以上。产品荣获第十五届中国国际工业博览会铜奖，是烟气脱硝领域唯一获得此项殊荣的技术。

  “板式脱硝催化剂及有关技术”只是“生物质发电成套设备国家工程实验室”在生物质发电领域开展研究取得的一个典范。自2009年获批建设以来，国家工程实验室已经在完成各功能实验平台及设备验证性实验平台的建设的同时，承担了大量的国家、省部级课题，取得了一批科研成果，构建了新型产学研体系，实现了成果的快速转化与推广应用。

  刘吉臻校长评价说：“如果说五年前实验室的获批是学校联合企业在生物质发电领域搭建的一个美丽平台，那么五年后的实验室则是华电人用勤劳与智慧、汗水与拼搏，赢得了业界以及验收专家的一致好评，并于2014年8月以优异成绩通过教育部专家组验收。生物质发电成套设备国家工程实验室从零起步，经过五年的建设和发展，呈现出生机勃勃的局面，恰如在一张白纸上画出了一幅最美丽的图案。”