1、新能源用新材料 能源用先进无机非金属新材料 薛友祥 中材高新材料股份 简介 能源是国民经济的主题，洁净煤技术和合理开发利用新的能源资源是国家十五期间推出的可保持国民经济可持续开展的一项重大举措。 洁净煤技术是改善煤炭利用和环境污染矛盾的关键技术，是国民经济可持续开展的战略措施之一，其中高温燃气含尘气体的净化技术是洁净煤技术的关键技术。高温陶瓷过滤技术是近十年来国外开展的最主要的高温气体净化技术，相对于目前国内通常采用的水膜除尘、布袋式过滤除尘、旋风除尘、静电除尘技术具有更高的过滤效率和更高的使用温度，目前在国外许多洁净煤示范电场得到推广应用。 高温陶瓷过滤材料是高温陶瓷过滤技术的关键材料，是近
2、十多年来主要开展的高温气体过滤材料。高温陶瓷过滤材料相对于目前的其它过滤材料，具有更高的耐温性能（900以上）、更高的工作压力（大于3mpa）和更高的过滤效率（除尘效率可到达99。5%以上），且可以集高温气体过滤、脱硫与脱硝多功能为一体，用于洁净煤燃烧发电系统的高温燃气净化，其净化后的气体含尘浓度最高可以到达5ppm，远低于国家排放标准，到达洁净煤发电的需求，这一技术指标是其它高温除尘技术很难实现的。另外，采用高温陶瓷过滤材料进行高温汗尘气体的净化，既可以解决常温湿法净化系统煤气显热损失大的缺点，又可以有效解决其它高温技术操作温度和除尘效率低的问题，可提高发电效率（绝对值）1.9 2.1，可望
3、达23。据美国能源部（doe）及能源技术中心（metc）对近十余种高温除尘技术进行商用规模的技术经济分析说明，高温陶瓷过滤技术是九十年代以来，可在工业应用的首推高温过滤技术，高温陶瓷过滤材料被国际公认为高温气体净化领域中最具开展前途的一种过滤材料，先进的燃煤发电系统的需要，推动这一技术的快速开展。目前，洁净煤燃煤发电技术已在国内大力启动中，高效高温燃气净化技术尤其是高效高温陶瓷过滤技术的研究开发势在必行。 太阳能作为我国又一重要的清洁的自然能源资源，其利用技术较多，其中太阳能光伏发电技术实现了直接将太阳能转化为电能，是一种最便利，最具前途的应用技术，因而受到了世界各国的重视。其中采用光聚焦新材
4、料的跟踪聚光发电技术是降低光伏发电系统本钱的有效手段之一，在使用同样数量半导体材料的情况下，采用跟踪聚光发电技术比普通光光伏发电系统多获得数倍甚至几百倍以上1 的电能，从而大幅度降低光伏发电系统的本钱。除此之外，当聚光太阳能电池以阵列的形式应用时，将会带来的更大的经济效益，因为原来需要的散热装置可用有效的集热装置代替，从而可获得电能、热能双重的效益，尤其适用于建设2023kw以上的中大型集中式光伏发电系统。这些都为太阳能光伏发电系统的开发应用开辟了一条新的道路。 风能是一种取之不尽，用之不竭的绿色环保型能源，风力发电越来越受到人们的关注，我国政府已把利用风能作为一项根本的能源政策。风能发电的一
5、个关键技术就是高性能风机叶片的制备技术，目前在我国已有制造600千瓦风力发电机复合材料叶片的技术能力，但不具备生产兆瓦级风机叶片的制备技术。因此要提高我国风力发电的技术水平，实现兆瓦级风力发电，必须采用国际最新技术及成果研制生产具有我国特色的兆瓦级风力发电机复合材料叶片。 二国外开展状况 在净煤技术领域的燃煤气体净化用高温陶瓷过滤材料研究、开发方面，国外已有二十余年的历史，目前在陶瓷过滤材料的材料选择、材料改性、结构设计、加工工艺、按装系统及集成式净化系统的研究和实验及开发应用方面已具备较高的水平。其中美、日、欧共体等国先后完成了一系列重大研究开展方案，如美国能源部（doe）九十年代中期制定了
6、一个采用先进的高温陶瓷材料净化高温气体五年商业化开展规划，日本电能开展公司（epdc）从八十年代末期开始开展陶瓷过滤材料在pfbc装置中的商业化推广应用研究，国际能源协会（iea）从九十年代初也开始开始选择高温陶瓷过滤材料作为过滤试验工程，并在pfbc和igcc装置热气体净化方面进行应用推广。另外，其他国家，如英国、德国、瑞典等都开展了相关的研究工作。 洁净煤用高温陶瓷过滤材料的关键技术就是材料孔结构的设计、材料的高温性能和高温过滤性能、高温强度、材料的持久性平安操作性能，围绕这些问题，近年来，国外在高温陶瓷过滤材料的材质及性能研究方面都做了大量的研究工作。首先，在材料体系选择方面，先后开展了
7、热性能较好的碳化硅、堇青石、高温陶瓷纤维返等单一或复合体系。在材料孔结构设计方面，目前以开展了具有高温外表过滤性能的高温陶瓷复合膜及高温陶瓷纤维复合膜过滤材料。在材料的制备工艺方面，先后开展了等静压成型技术、连续纤维缠绕技术和化学气相沉积技术。另外，采用化学气相沉积技术或浸渍工艺的高温陶瓷材料的催化剂涂敷技术和集高温过滤、脱硫与脱硝为一体的高温陶瓷过滤材料也在大力开展中。 通过对高温陶瓷过滤材料在实际运行过程中出现的一些问题，诸如陶瓷材料 的耐高温性、长周期运行的可靠性、材料本身的结构、高温陶瓷过滤器反吹性能以及高温陶瓷过滤器的热应力问题等进行初步的解决，使高温陶瓷过滤器的除尘效率、工作可靠性
8、、经济运行寿命有了明显提高。目前，洁净煤燃煤发电用的高温陶瓷过滤材料已在国外大规模商业示范电站中成功应用，其处理风量到达202200m3/h，除尘效率可达99以上，分级效率可达dc50为1.6m，其最高使用 温度到达950，平安运行周期到达8000hr以上 在采用光聚焦新材料的太阳能跟踪聚光光伏发电系统方面，70年代中后期，美国sandia国家实验室研制成功第一套现代跟踪聚光光伏发电系统，到了90年代以后，跟踪聚光光伏发电的研究掀起了新的高潮，美国开始了pvusa和pvci两个研究聚光光伏发电系统的方案。澳大利亚国立大学于1997年在act的spring山谷建成了一个3.5kw的系统，在202
9、2年又与solahart合作共同建成一个20kw的rockingham抛物槽式聚光发电系统，该系统已于2022年并入电网；1998年美国航空航天署在“深空一号上使用了由entech提供的一种聚光光伏发电系统，聚光比为8倍，它用一行行排列的菲涅尔透镜把所有阳光都聚集到电池片上，从而减少了太阳能电池的使用面积，减轻了卫星电源局部的重量。entech生产的聚光光伏发电系统此前已被成功应用于陆地应用，其近期目标是研制聚光比在400以上的聚光光伏发电系统。其它还有俄罗斯ioffe物理技术研究所、澳大利亚新南威尔士大学、德国fraunhoferise研究所、美国midway实验室和sunpower公司、p
10、owersource公司、amonix公司等都在开展跟踪聚光太阳能发电系统的研究。 在风力发电风机叶片的研究方面，目前国外已经开展varim、rtm、scrimp、sprint和高强芯材发泡等技术在特大型叶片成型工艺上应用，并实现55米左右的特大叶片工业化生产技术。目前，世界上的风电机叶片以刚性的为主，只有美国主张开发高度柔性的变桨矩风力机。在叶片的材料应用方面，新型材料已开始应用于大型的风电机叶片的制造，如高强碳纤维（丹麦neg-micon公司），韧性天然纤维（法国atv公司开始研制）。其总的开展趋势是向低本钱、低重量的方向开展，提高损伤容限和可靠性。近年来，兆瓦级风机已成为风电市场上的主要
11、产品，出现了从单机容量为1mw到4.5mw等多种机型，因此，风机叶片开展趋势就是向大型化开展。 三国内研究现状 国内多孔陶瓷材料的研制已有多年的历史，并且在许多领域得以应用，如高压空气过滤等，但这些应用领域根本上都是在常温（300）下应用。在高温陶瓷过滤材料的研究开发方面，我国从九四年开始，从二十世纪九十年代末期开始安排重点工程进行工作，并于2022将其年列入国家新材料研究方案。但总体来讲，目前国内该方面涉及的研究领域仅仅处于耐高温陶瓷过滤材料的制备工艺以及高温陶瓷过滤器脉冲清洗系统的初步研究阶段。目前研制的陶瓷过滤材料紧能在相对高的温度（600）下运行，而对影响高温气体过滤效率的材料的孔结构
12、等没有开展系统的优化研究工作，同时材料性能单一，在陶瓷脱硫、脱硝催化剂的研究及涂敷以及再生方面缺乏系统的研究。可以说目前国内研究的高温陶瓷过滤材料在耐高温性能和可靠性能等方面与国外兴旺国家相比有着非常明显的差距，远不能满足燃煤高温气体净化需要，为满足国家洁净煤技术开展和推广的需要，国内在洁净煤燃气高温含尘气体净化方面需要做较大的研究工作，尤其是在高温陶瓷过滤技术中的高温陶瓷材料的制备、材质持久稳定性、过滤装置的操作可靠性、测量和放大技术、最宜条件、高温陶瓷过滤与脱硫、脱硝一体化技术、支线热试、中试和商业化运行方面需做大量的工作。 在跟踪聚光光伏发电系统新材料、新技术的研究开发方面，在20世纪8
13、0年代国内曾经掀起过一次短暂的研究热潮，但大多因为存在技术缺陷、关键材料价格昂贵、可靠性低而难于普及和推广，始终停留在实验室或试生产阶段，均未实现规模化应用。目前，国内对于该工程的研究水平与国外的先进水平相差甚远。在风力发电用风机叶片的研制方面，国家先后在在“六五、“七五、“八五和“九五期间，国家都投入了大量资金进行风力发电技术研制开发工作。已组织科技攻关工程开展了600kw风电机组关键技术研究，使国内整机制造企业初步具备了自主开发的能力，攻关样机于2022年通过了国家的鉴定，在风电场已成功的投入运行。国内仅具有600千瓦、20米左右风电机复合材料叶片的制造技术，尚无兆瓦级叶片的设计制造技术。
14、另外在风机叶片的可靠性、抗疲劳性和抗雷击的检测、评价性能方面缺乏理论依据。因此，兆瓦级复合材料叶片国产化及兆瓦级风机叶片规模化生产技术是我国风力发电必须解决的关键技术。 四市场需求分析 洁净煤技术是本世纪的关键能源技术，洁净煤技术中高温燃气净化技术仍是本世纪关键的高温气体粒子净化技术。作为国内外公认的和本世纪首推的高温陶瓷（膜）过滤材料用于高温含尘气体的净化不仅可以高效去除高温、高压烟气中的尘粒，同时还可有效去除气体中的有害物质，因而具有其它高温气体净化技术所不具有的优越性，高温陶瓷过滤材料在很多应用领域是其它材料所不可代替 的。因此在在洁净煤燃烧循环发电（pfbc和igcc）系统高温气体净化
15、、管道高温煤气净化、燃煤锅炉、核废气处理、电石气炉、垃圾燃烧炉、化工行业高温催化气体净化与催化剂回收、高压热气体净化等领域有很大的应用前景。目前我国正在运行的各种各种高温含尘气体近万台，如有2023%采用高温陶瓷过滤材料，那么年需过滤材料20多万平方米，而且高温陶瓷过滤材料在今后二十年内将有大幅度增长。据预测，202322年，我国在洁净煤净化领域的高温陶瓷过滤材料的市场将到达数亿元，到2023年将到达2023亿元以上。 另外，光伏发电系统是解决我国遥远无电地区居民和社会用电问题的重要方式，随着环保和能源平安问题日益严峻，光伏发电系统在电网覆盖地区建设大型并网电站成为可能。自90年代到2022年
16、，我国国内光伏发电市场需求旺盛，太阳能电池销售量年均增长率在30%左右，今后一段时期将继续保持高速增长。跟踪聚光光伏发电系统在大规模光伏发电应用中（如20230kw以上的大规模光伏中心电站）具有较高的性能价格比，预计202322年跟踪聚光光伏发电的价格可到达0。5-0。6元/（kwh），开展潜力巨大，所占的市场份额将逐年增加。 生产研制大型兆瓦级风力发电机那么能大大降低其系统造价与运营本钱。根据原国家电力部的统计资料显示，到2022年底，在全国各地陆续建立27个风电场，装机容量到达400mw，预计到2023年，总装机容量将到达1200mw。依次推算，我国风力发电的总装机容量将以每年150-250mw的速度增长，以1mw的风力发电机为