重型燃气轮机的现状和发展趋势_蒋洪德.doc

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1、DOI:10.13707/ki.31-1922/th.2012.02.007 第 41 卷 第 2 期 热 力 透 平 Vol 41 No 2 2012 年 6 月 T HERM A L TURB INE Jun 2012 摘 重型 燃 气 轮 机 的 现 状 和 发 展 趋 势 ! 蒋洪德 （ 清华大学热能工程系，北京 100084） 要： 重型燃气轮机是 21 世纪乃至更长时期内能源 高效转换 与洁净利用 系统的 核心动力 装备 。 它 对于能 展 源系统的高效 、 清洁和安全都 具有重要意义 。 当代燃气轮 机主要关键 技术包含多 级轴流 压气机 、 高效 清洁燃 烧室 、 多级轴流冷却

2、透平 、 二次空气系统 镍基超级合金 叶片材料与 制造等等 、 。 以国家需 求为导 向 集 中全行， 业力量，走自主研究和消化吸收相结合的道路，突破燃气轮机的基础科学问题和关键技术，为我国自主开发燃 气轮机提供共性 技术支持 是全面深入推进重型燃气轮机核心技术国产化的必由之 路， 。 关键词： 重型燃气轮机； 自主研发； 压气机； 燃烧室 气冷透平； 中图分类号 ： TK471 文献标识码： A 文章编号： 1672 5549（ 2012） 02 0083 06 Development of the Heavy-Duty Gas Turbine JIANG Hong-de （ Departm

3、ent of Thermal Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China） Abstract： The heavy-duty gas turbine is the core unit of the clean energy system with high efficiency in the 21st century and longer term It is significant for the safety， cleanness and efficiency of the energy system The key te

4、chnologies of the contemporary gas turbine consist of multi-stage axial flow compressor， clean combustion chamber， multi-stage axial turbine， internal cooling air system， the materials of the nickel-based super alloy blade and manufacturing etc It is the only way to promote the localization of the c

5、ore technology of heavy-duty gas turbine by regarding the national demand as guide ， concentrating the strength of the whole industry， integrating the self-research and the technical digestion， achieving the break-through in basic science issues and key technique of the gas turbine， and providing co

6、mmon technical support for the domestic industry Key words： heavy-duty gas turbine； independent research and development； compressor； combustor； air-cooled turbine 燃气轮机自上世纪 30 年代诞生以来迅速发 21 世纪乃至更长时期 内能源高 效转换与洁净利 ，在发电领域，重型燃气轮机联合循环发电热效 用系统的核心动力装备。 率已达到了 60% ，是人类目前已掌握的热 功循 环效率最高的大规模商业化发电方式。目前，燃 气轮机大部分以天

7、然气和燃油为燃料，据统计全 球天然气和燃油发电量占发电总量的五分之一， 是继煤电和核电之后当今世界第三大发电方式。 1 ， 重型燃气轮机的市场现状和发展 趋势 重型燃气轮机电站造价低、调峰性能好、用水 ， 目前我国在运和在建燃气轮机联合循环发电机组 总装机容量约 3 000 万千瓦，预计到 2020 年将成 为继煤电和水电之后我国第三大发电方式。国内 外科技界与产业界已认识到，重型燃气轮机将是 少 在复杂能源系统中占有重要地位 对于能源系 统的高效、清洁和安全都具有重要意义。重型燃 气轮机的市场份额目前主要由 GE、 Siemnes 、 MHI 和 Alstom 几家公司分割。英美德日等国 家

8、通过 收稿日期： 2011 10 28 基金项目： 973 重点项目 “燃气轮机的高性能热 功转换科学技术问题研究 ”（ 2007 CB210100 ） 作者简介： 蒋洪德 （ 1942 ） ，男，湖南人，中国工程院院士，清华大学热能工程系教授，博导。 973 重大项目 “燃气轮机的 高性能热 功转 换科学技术问题研究 ”首席科学家。国家 IGCC 和燃气轮机工程中心主任。长期从事叶轮机械与气动热力学 与计算流体力学 的研究、工程设计与应用 工作。 83 第 2 期 ， 重型燃气轮机的现状和发展趋势 。 在该领域长期的研发投入和技术积累 掌握着燃 活燃料的零排 放电站打下理论 基础 欧盟第 气

9、轮机研发制造的核心技术。 近年来，这些燃气轮机技术的原发国投入大 量人力、物力来加大未来燃气轮机技术的研发，以 期抢占燃气轮机领域的先机和未来的市场份额。 燃气轮机未来的发展趋势可以说是分为三步走： 当代的以 E / F 级燃气轮机为代表的燃用天然气 的联合循环发电站已经比较成熟； 在此基础上以 G / H 级燃气轮机为代表的燃用合 成气的燃气轮 机正在大力发展之中； 未来的燃气轮机向着燃用 氢气的近零排放燃气轮机发展。图 1 所示为重型 燃气轮机 的发展趋势。 图 1 重型燃气轮机发展趋势 英美德日各国以国家行为统筹，有力有机地 结合产业、高校和科研机构，推动了一系列的燃气 轮机研发项目。美

10、国能源部（ DOE） 在 2005 年同 时启动了为期 6 年的 “先进 IGCC / H2 燃气轮机 ” 项目 和 “先进燃氢透平的发展 ”项目 。 2 x 3 ppm 的 E / F 级先进能源系统为目标，研究内容 包括富氢燃料 / 氢燃料燃气轮机内燃烧、透平 冷 / 却、材料、系统等各个方面，如图 2 所示。 七 框架（ FP7） 在 2008 年专门把 “发展高效富氢燃 料燃气轮机 ”作为一项重大项 目，旨在加 强针对 富氢燃料燃气轮机的研究，为 2015 年实现其零排 放煤 基 IGCC 系 统 奠定 基 础 。 Siemens 以 SGT6 6000G （ W501G ） 为基础开

11、发燃氢 / 合成气 燃气轮机，提出了详细的路线图。它的主要技术 路线包括： 压气机加末 级、部分压 气机排气 去空 分； 燃烧室采用扩散 + 催化燃烧 + 蒸汽冷却过渡 段。高 温 透 平 采 用 定 向 结 晶 透 平 叶 片 （ CM247LC） + 高效冷却 + 新涂层材料。 日本将高效富氢燃料 IGCC 系统的研究作为 未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期 28 年的 “新日光计划 ”中（ WE NET） ，以效率大 于 60% 的低 污染煤 基 IGCC 系统 为目标展 开研 究 。 2 重型燃气轮机发展的关键技术 近 50 年来重型燃气轮机技术有了革命性的 进步，其中燃气轮机

12、燃气初温和整机功率可以视 为具有表征意义的指标。燃气轮机燃气初温平均 每年提高约 12 ，如图 3 所示。这代表着高温材 料和冷却技术的不断进步。 图 3 燃气轮机发展的典型技术进步指标 图 2 DOE 先进燃氢燃气轮机路线图 目前已经形成以 GE、 MHI、 Siemens、 Alstom 4 家公司为代表的当代重型燃气轮机主流派技术和 产品系列。从燃气轮机部件的角度来分析，当代 欧盟 2007 年在其第七框架协议 （ FP7） 中启 燃气轮机主要关键技术包含 ： 动的 “高效低排放燃气燃气轮机和联合循环 ”重 大项目，以从稀释氢到 100% 氢燃料燃气轮机为 主要研究对象，预期为燃用低碳燃

13、料具有适 应灵 多级轴流压气机 高效清洁燃烧室 多级轴流冷却透平 84 4 1 2 3 2015 50% 、 NO 5 6 7 9 重型燃气轮 机的现状和发展趋势 热力透平 2 1 二次空气系统 镍基超级合金叶片材料与制造 多级轴流压气机 当代 F 级多级轴流压气机的基本结构如图 4 所示，其技术指标已经达到： 流量： 600 / （ kgs 压比： 15 19 级数： 17 级左右 ） 级平均压比 ： 1 15 1 2 效率： 85% 87% 喘振裕度： 15% 多级轴流压气机的关键技术包括气动热力设 图 5 燃气轮机燃烧室 ， 计 、结构和强度设计 。同时 ，随着发动机向着高负 未来燃气轮

14、机将朝着富氢方向发展 氢脆是 荷、高性能发展，级压比提高导致压气机在失速边 界和跨音边界上的流体振荡加强，影响压气机的 运行范围，这对于压气机失速特性也提出了更高 的要求。 图 4 燃气轮机多级轴流压气机 2 2 高效清洁燃烧室 燃烧室的主要指标为 Nox 排放量和燃气出口 温度特性。当代 F 级燃气轮机的燃烧室主要指标 X 关键技术包括干式低污染燃烧技术（ 扩散、预混、 分级） 、燃烧稳定性技术、冷却技术、密封技术和 试验技术等。图 5 所示为一典型当代燃气轮机燃 烧室。 在燃料燃烧过程中，表面压力、温度的变化会 对燃烧室壁面产生激励作用，从而引起燃烧室相 关结构的振动。随着燃烧室温度的不断

15、攀升，综 合分析燃烧室在激励作用下的结构响应，提出针 对破坏性响应的主动控制方法 具有重要意义。 对富氢燃烧室的一个挑战。氢脆是金属在含氢介 质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机 械性能严重退化、发生脆断的现象，这给富氢燃料 燃烧室的设计与运行带来了较大风险。有效地在 氢燃烧室材料氢脆形成演化与预防控制过程中提 出解决方案，对于燃氢燃气轮机是很重要的。 燃气轮机高温部件之燃烧室和透平之间的复 杂影响效应包括热斑 旋流、 、辐射和尾迹涡。有效 地控制和利用这些交互作用就能提高燃气轮机的 特性和寿命。 2 3 多级轴流冷却透平 当代 F 级多级气冷透平（ 如图 6 所示） 的 技 术指标已经

16、达到： 燃气初温 1 350 大焓降（ 级压比 2） 高效率 92% 长寿命 5 8 万小时 关键技术为综合空气冷却技术 图 6 燃气轮机气冷透平叶片 85 1 ： 1 400 、 NO 25 ppm。 第 2 期 现代发电用燃气轮机的透平进口温度 （ 例如 重型燃气轮机的现状和发展趋势 这些转静系和转转系中的流动传热特性的准确掌 GE 的 9FA 燃气轮机为 1 430 ） 已远远高于叶片 材料的耐高温极限，未来的燃氢燃气轮机透平前 温更将高达 1 700 。为了保证透平在此高温下 能够长时间正常工作，可行的方法是在提高叶片 的耐热性能的同时，采用先进的冷却技术来降低 叶片表面温度，包括研发

17、新的合金材料、使用热障 涂层，以及综合使用气膜冷却、内部对流和冲击冷 却、蒸发冷却和蒸汽冷却等技术。 气冷透平的关键技术为综合空气冷却技术， 这里面包含气动热 力设计、冷却设计、超级合金、 精密铸造、耐热涂层材料和喷涂、激光和电加工等 等。 2 4 二次空气系统 现代燃气轮 机面临着高 效与环保 并重的挑 战。为了进一步提高燃气轮机的效率，降低污染 物的排放，燃气轮机的压气机压比越来越大，透平 进口温度越来越高。燃气轮机的二次冷却空气系 统包含了燃气轮机内外轴间的冷却空气通道，一 方面负责冷却燃气轮机的外轴，另一方面为涡轮 主流道内的部件提供保护，有效地提高二次冷却 空气系统的作用，可以有效地

18、减少由压气机内部 抽走的压缩冷却空气，提高燃气轮机的整体效率 和性能 。图 7 所示为当代燃气轮机二次空气系统 结构示意图。 握一直是提高燃气轮机二次冷却空气系统性能的 一个瓶颈。有效把握二次空气系统中自然强迫对 流的特征将能更好地控制燃气轮机系统中对于冷 却流量的利用。 2 5 镍基超级合金叶片材料与制造 燃气轮机中的高温部件是燃气轮机工作环境 最恶劣、结构最复杂的零件之一，也是燃气轮机断 裂故障多发部件之一。苛刻的运行环境使得高温 部件的组织退化 可靠性和寿命降低 并可能产生、 ， 突发性事故。相对于航空发动机而言，重型燃气 轮机要求机 组具有更长的使用寿命、可靠性和稳 定性，而在重型燃气

19、轮机高温部件运行过程中，高 温合金基体材料机械性能降低、高温合金涂层高 温氧化及热障涂层热冲击疲劳性能是引起高温部 件失效的决定性因素。各个国家都在镍基超级合 金叶片材料与制造技术上不遗余力地投入研究开 发，目前已有的制造 工艺包括常规（ 多晶） 、定向 结晶和单晶技术。图 8 所示为一单晶结构的燃气 轮机气冷透平叶片。 图 8 单晶结构的燃气轮 机气冷透平叶片 ， 对高温部件进行状态检测和寿命评估 合理 图 7 燃气轮机二次空气系统示意图 延长高温部件的使用寿命和大修间隔，是世界各 国燃气轮机联合循环发电产业面临的另一个共同 问题。因此，在重型燃气轮机的研发中，在高温部 件系统全面分析的基础

20、之上，针对不同运行工况 从功能上分，二次空 气系统的典型结构包含 旋转盘腔、预旋腔和密封泄露结构。二次空气系 统中不同类型的腔室中存在着不同于传统叶轮机 械的流动传热特征。这很大程度上影响了对二次 冷却空气系统性能的控制与优化。基于此，对于 下的不同机组的情况，建立并验证与实际机组相 对应的燃气轮机高温部件氧化寿命、热疲劳及高 温蠕变寿命模型，由此提出并建立燃气轮机高温 部件在多维复杂环境下高温部件寿命评估体系理 论和方法。 86 重型燃气 轮机的现状和发展趋势 ， 、 热力透平 题 着力于实验台建设 核心实验与测量技术的突 3 我国重型燃气轮机发展现状 我国 重 型 燃 气 轮 机 发 展

21、的 早 期 （ 1950 破、理论研究方法的创新，集中力量突破燃气轮机 的基础科学问题和关键技术，为我国自主开发燃 气轮机提供共性技术支持。 1970s） ， 、 是以前苏联技术为基础而开展自主研发的 在该项目的支持下 、 共新建 扩改建燃气轮机 34 阶段。当时自主设计、试验和制造了一系列 200 关键部件压气 机 燃 烧室和 透平 冷却实 验台 25 000 kW 燃气轮机。这其中包括了 200 kW 车载 燃气轮机、 1 500 kW 重型燃气轮机和 4000HP 机车 燃气轮机。当时清华 大学、哈尔滨汽 轮机厂（ 哈 汽） 、上海汽轮机厂（ 上汽） 、南京汽轮机厂（ 南汽） 、 中国北

22、车集团长春机车厂（ 长春机车） 、青岛汽轮机 厂（ 青汽） 、杭州汽轮机厂（ 杭汽） 等单位都投入到 了我国燃气轮机早期研制阶段。 到了 1980s 2000 年，我国的燃气轮机产业 走上 了仿制与合作生产的道路，不再自行研究、设 计和试验燃气轮机产品。当时以南汽为主测绘、 仿制了 GE 公司 MS5001 （ 23 MW） 燃 气轮 机，与 GE 合作生产了 PG6581（ 6B /36 MW） 燃气轮机。 随着社会生产力的不断进步，电力工业持续 高速发展； 随着环保压力的增加，电网需要燃气轮 机保持电网的平稳高效运行。自 2002 年打捆招 标以来，我国重型燃气轮机产业进入到新的发展 时期

23、，引进了当代先进的 F / E 级技术，希望以此 推动消化吸收、再创新。在 2001 2007 年 的 6 年 间，我国以 3 次 “打捆招标、市场换技术 ”方式，引 进了 GE、 MHI、 Siemens 公司的 F / E 级重型燃气轮 机 50 余套共 2000 万千瓦，由哈汽 GE、东汽 MHI、上汽 Siemens、南汽 GE 等 4 个联合体实 行国产化制造，目前国产化率接近 70% 。同时， 以西气东输和进口液化天然气（ LNG ） 为标志，保 证了燃气轮机的燃料供应。 但是，外方坚持不转让燃气轮机设计、热端部 件制造等核心技术，我国燃气轮机行业只能制造 非核心部件，产业发展受到

24、了严 重的制约。在消 化、吸收的基础上 自主研究开发燃气轮机核心技， 术已经成为我国发电设备制造行业的重大战略需 求。科技部于 2007 启动了 973 国家重点基础研 究发展计划重大项目 “燃气轮机的高性能热 功 转换科学技术问题研究 ”。该项目集结了清华大 学、北京航天大学 上海交通大学 西安交通大学、 、 、 东南大学、中科院工程热物理研究所、中船重工第 703 研究所的科研力量，重点研究掌握当代先进 的 F 级和 IGCC 合成气燃气轮机关键科学技术问 个，开发掌握 了激光、压力敏 感漆、瞬 态液晶、红 外、高频动态测量等当代先进的测量技术，并获得 大批基础实验数据，建立了具有自主知识

25、产权的 重型燃气轮机基础数据库 。在该项目的执 行过程中，形成了一批燃气轮机的基础研究成果， 培养了一支以博士、硕士为主的重型燃气轮机研 究队伍 同时； ，有效地建立起与美英德日等燃气轮 机的国际合作。在该项目中获得的成果已经用于 我国 F 级重型燃气轮机核心技术、消化吸收和自 主研究开发。 未来我国电力工业还将大发展，我国还要建 设一批 F / E 级燃气轮机联 合循环电站。我们国 家的电力供应迫切需要燃气轮机国产化的支持。 目前，我们已经具备的条件包括： （ 1） F / E 级重型燃气轮机大型部件（ 非热端 部件） 加工、整机装配 / 试车、系统成套能力、电站 系统成套能力； （ 2）

26、具有 E + 级（ 1 250 ） 超级合金冶炼、热 端部件制造初步能力； （ 3） 具有研 究开 发、设计、部 件试 验基本 条 件。 但同时也有很多不足之处： （ 1） 没有重型燃气轮机设计经验，缺乏人才， 特别是有工程经验的高级技术人才； （ 2） 缺乏重大装备研发过程的系统工程管理 人才； （ 3） 各主管部门的研究开发计划需要进一步 协调，形成合力。 发扬优势，明确不足，在实践摸索中尽 快提 高，推动国产燃气轮机产业的发展是我们这一代 科研人员和工程技术人员的责任和义务。 4 结语和展望 燃气轮机集中了人类工程技术领域的最新成 就，是代表一个国家科技和工业水平的重要标志， 它对于能源

27、系统的安全、清洁和高效具有重要作 87 第 2 期 用，是我国国民经济急需的重大装备 。 重型燃气轮机的现状和发展趋势 9 X W Zhang， Y R Wang， and K N Xu Flutter Prediction in Turbomachinery With Energy Method， Proceedings of the Institution 我国燃气轮机产业和技术与国际先进水平的 差距比较大 通过长期坚持不懈努力， ，集 中全行业 of Mechanical Engineers， Part G J Journal of Aerospace 力量，走自主研究和消化、吸收相结合

28、的道路，突破 ， Engineering， 2011， 225（ 9） ： 995 1002 10 Yangwei Liu， Xianjun Yu， Baojie Liu Turbulence Models 燃气轮机的基础科学问题和关键技术 为我国自主 开发燃气轮机提供共性技术支持，是全面深入推进 重型燃气轮机核心技术国产化的必由之路。 参考文献 ： 1 Ed Bancalari， Pedy Chan， Ihor S Diakunchak Advanced Hydrogen Gas Turbine Development Program C / / ASME GT2007 27869 Cana

29、da， 2007 2 FP7 ， Advanced IGCC/H2 Gas Turbine Development C Fact Sheet of FP7， Dec 2006 3 EU Technology Platform， Recommendations for RTD， Support Actions and International Collaboration Priorities Within the Next FP7 Energy Work Program in Support of Deployment of CCS in European R The EU Technolog

30、y Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants， Apr 2007 4 Jean-Marie Bemtgen FP7 Energy -Call 2008 Information and Brokerage Day， FP7 Innovation and Energy Technology C Wine， July 2008 5 Wei Chen， Jing Ren and Hongde Jiang Effect of Turning Vane Configurations on Heat Transfer and Pressure D

31、rop in a Ribbed Internal Cooling System J ASME J Turbomachinery， 2011， 133 （ 4） ： paper no 041012（ 11） 6 Wenguo Xiang， Shiyi Chen， Zhipeng Xue， Xiaoyan Sun Investigation of Coal Gasification Hydrogen and Electricity Co-Production Plant With Three-Reactors Chemical Looping Process J International Jou

32、rnal of Hydrogen Energy， 2010 ， 35（ 16 ） ： 8580 8591 7 Bing Ge， Shu-Sheng Zang， Pei-qing Guo Experimental Study on Turbulent Structure of Humid Air Flame in a Bluff-body Burner J Journal of Thermal Science， 2009 ， 18（ 2 ） ： 185 192 8 Kuifang Wana， Shijie Zhang， Jing Wanga， Yunhan Xiao Performance of

33、 Humid Air Turbine With Exhaust Gas Expanded to Below Ambient Pressure Based on Microturbine J Energy Conversion and Management， 2010 ， 51（ 11 ） ： 2127 2133 Assessment for Large-Scale Tip Vortices in an Axial Compressor Rotor J Journal of Propulsion and Power， 2008， 24（ 1） ： 15 25 11 Juan Du， Feng L

34、in， Hongwu Zhang， Jingyi Chen Numerical Investigation on the Self-Induced Unsteadiness in Tip Leakage Flow for a Transonic Fan Rotor J Journal of Turbomachinery， 2010， 132 （ 2） ： paper no 021017（ 9） 12 Xue-song Li， Chun-wei Gu An All-Speed Roe-Type Scheme and Its Asymptotic Analysis of Low Mach Numb

35、er Behaviour J Journal of Computational Physics， 2008， 227（ 10） ： 5144 5159 13 Hao Zhang， Xiaoyu Zhang， Min Zhu Experimental Investigation of Thermoacoustic Instabilities for a Model Combustor With Varying Fuel Components J Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2011， 134 （ 3） ： paper no

36、 031504（ 12） 14 Dianliang Yang， Xiaobing Yu， Zhenping Feng Investigation of Leakage Flow and Heat Transfer in a Gas Turbine Blade Tip With Emphasis on the Effect of Rotation J Journal of Turbomachinery， 2010， 132（ 4） ： paper no 041010（ 9 ） 15 Yuan-Qing Liu， Pei-Xue Jiang， Shao-Shan Jin， Ji-Guo Sun T

37、ranspiration Cooling of a Nose Cone by Various Foreign Gases J International Journal of Heat and Mass Transfer， 2010， 53（ 23 24） ： 5364 5372 16 Bai-Tao An， Jian-Jun Liu， Hong-De Jiang Numerical Investigation on Unsteady Effects of Hot Streak on Flow and Heat Transfer in a Turbine Stage J Journal of

38、Turbomachinery， 2009， 131 （ 3 ） ： paper no 031015（ 15） 17 Xinrong Su， Xin Yuan Implicit Solution of Time Spectral Method for Periodic Unsteady Flows J Int J Numer Meth Fluids， 2010， 63（ 7） ： 860 876 18 CUI YuFeng， L Xuan， XU Gang， NIE ChaoQun Dynamic Analysis of a Flameless Combustion Model Combusto

39、r J Sci China Tech Sci， 2010 ， 53（ 8 ） ： 2291 2298 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 短讯 未来煤电发展技术路线确定 据 2012 年 5 月 18 日中国电力网报道，科技部于上月底发 布了洁净 煤技术 科技发展 “十 二五 ”专项规 划，为未 来推进传 统能源清洁、高效利用奠定了技术路线基础。 专 项规划共部署了四个洁净煤的重点方向，分别是高效洁净燃 煤发电、先进煤转化、先进节能技术、污染 物控制及二 氧化碳捕 集与封存和资源化利用技术。 科 技部指出 今后若干年， ，国内煤电装机增量将高速发展 技术发展趋 势是， “大型 高参数、 、洁净 ”。 在 此背景下，专项规划制定了未来煤电发展的四大方向 ： 大型超 超临界 发电成套 技术和 高参数 超超临 界关键技 术； 高参数 、新型循环流化床燃煤锅炉； 大规模整体煤气化联合循环发电关键单元技术及装备，燃气 轮机及 其集成示范 ； 燃煤 污染治理 ，二氧化碳分离、埋藏及利用技术。 88