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煤炭能這樣用,就是清潔能源 ——中科院工程熱物理所突破我國低階煤分級轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸側(cè)記
2017-05-26
3月28日晚上7點多,中國科學院工程熱物理研究所廊坊研發(fā)基地5號廠房內(nèi)燈火通明,2兆瓦預(yù)熱燃燒中試裝置上的實驗研究已經(jīng)連續(xù)進行了36個小時。 控制室里,科研人員緊張地盯著電腦顯示屏。“半焦燃燒效率98.65%,氮氧化物排放63mg/Nm3。比上一個燒殘?zhí)康牡趸锱欧?3mg/Nm3更低!”隨著該所循環(huán)流化床實驗室副研究員朱建國興奮地報出經(jīng)過反復核算確認的結(jié)果,大家齊聲歡呼。 他們意識到,這些數(shù)據(jù)意味著研究了13年的預(yù)熱...

3月28日晚上7點多,中國科學院工程熱物理研究所廊坊研發(fā)基地5號廠房內(nèi)燈火通明,2兆瓦預(yù)熱燃燒中試裝置上的實驗研究已經(jīng)連續(xù)進行了36個小時。

控制室里,科研人員緊張地盯著電腦顯示屏?!鞍虢谷紵?8.65%,氮氧化物排放63mg/Nm3。比上一個燒殘?zhí)康牡趸锱欧?3mg/Nm3更低!”隨著該所循環(huán)流化床實驗室副研究員朱建國興奮地報出經(jīng)過反復核算確認的結(jié)果,大家齊聲歡呼。

他們意識到,這些數(shù)據(jù)意味著研究了13年的預(yù)熱燃燒技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)半焦、殘?zhí)康母咝紵偷趸锏牡团欧牛嗄陙碇萍s我國低階煤分級轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸得到突破。

 

一個難以突破的領(lǐng)域

低階煤是一種比較“年輕”的煤,由于其煤化程度低,加熱后可產(chǎn)生較多的油氣,因此是煤炭梯級利用中的重要利用對象。

低階煤的利用價值有多大?據(jù)了解,我國煤炭年消耗量約為40億噸,其中低階煤約占50%。如果這些低階煤全部熱解,可提取出約10%的焦油,相當于每年增加2億噸石油,可替代50%左右的進口原油。此外,低階煤還可以通過氣化,生產(chǎn)工業(yè)燃氣或合成氣、天然氣。然而,伴隨著油氣,同時產(chǎn)生的還有10億噸半焦和殘?zhí)?。這部分半焦和殘?zhí)坑捎诒惶崛×擞蜌猓瑩]發(fā)分往往低于10%甚至5%,其著火和燃盡十分困難,實現(xiàn)燃燒低排放更是天方夜譚。

“如果半焦和殘?zhí)坷貌缓?,低階煤分級轉(zhuǎn)化將無法做下去。”中科院工程熱物理研究所副所長呂清剛說,“對于塊煤產(chǎn)生的熱解半焦,以前人們通常拿去做電石原料,但市場很小,吃不完?!?/span>

低階煤的分級利用,意義很大,但難度很高,讓不少研究者望而生畏。如何處理揮發(fā)分5%以下的半焦和殘?zhí)?,不僅是我國低階煤分級轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,也是一道世界難題。

“我們一開始也跟著國內(nèi)外最前沿的思路走,即采用高溫空氣燃燒技術(shù),先把空氣加熱,再將煤加進去燃燒?!眳吻鍎傉f,“但我們發(fā)現(xiàn),這種方式對于特別難燒的煤不起作用。因為空氣不僅熱容很小,還會因為流動帶走部分熱量?!?/span>

據(jù)了解,最早的高溫空氣燃燒技術(shù)來自鋼鐵行業(yè)。鋼坯加熱過程多采用高溫空氣預(yù)熱,但這項技術(shù)運用到煤炭行業(yè)時,由于加熱主體不同,特別是煙氣中帶有顆粒和細灰,空氣蓄熱式換熱器極易堵塞,無法實際應(yīng)用。“我們在德國、日本相關(guān)領(lǐng)域做交流時發(fā)現(xiàn),他們目前所做的實驗都未取得成功。”呂清剛說。

難點如何突破?如何才能實現(xiàn)低揮發(fā)分燃料的穩(wěn)定燃燒與清潔排放?尋求突破需另辟蹊徑。

呂清剛的思路回溯到最基本的燃燒三要素上:可燃物、氧氣和溫度。

“如果不先加熱空氣,而是先加熱燃料呢?”突如其來的想法讓呂清剛頗為興奮,“一般焦炭的著火點是700℃,如果我們先把燃料加熱到800℃至900℃,這時再通空氣,就可以直接燃燒,且不存在穩(wěn)定性的問題了?!?/span>

據(jù)此,2004年,呂清剛所在的中科院工程熱物理研究所循環(huán)流化床實驗室率先提出了燃料預(yù)熱燃燒概念,繼而申請了發(fā)明專利并獲授權(quán)。這是燃燒方式的重大轉(zhuǎn)變,從理論上突破了常規(guī)的加熱、著火和燃燒方式,使煤粉在燃燒器中預(yù)熱至溫度高于著火點、預(yù)熱燃料在爐膛中實現(xiàn)高效清潔燃燒。

 

一項從零做起的實驗

“理念發(fā)生了改變,國內(nèi)外均沒有可借鑒經(jīng)驗,所有的東西都要從頭做起?!眳吻鍎傉f。

新的燃燒理論提出,關(guān)鍵的問題隨之而來:如何用低成本的方式把燃料加熱到800℃至900℃?

“國內(nèi)現(xiàn)存等離子體電弧、微波等加熱方法,但特別耗電,成本過高?!眳吻鍎傉f,“我們提出了一個低成本的想法,即讓燃料燒掉自己的一部分(5%至10%),將自己加熱,當煤的吸熱量與燃燒的釋放量達到平衡時,就實現(xiàn)了穩(wěn)定加熱?!?/span>

朱建國是呂清剛2004年招收的博士生,也是預(yù)熱燃燒概念提出后,主攻該方向的第一個博士生。

“還記得當時開題立項,我查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻,發(fā)現(xiàn)國外最多就是探討預(yù)熱空氣,但對于預(yù)熱煤炭,從來沒有人做過?!敝旖▏叵肫甬敃r的情境,記憶猶新,“我也沒多想,只是覺得這個理論可行,那就試試吧?!?/span>

2004年至2012年,在國家自然科學基金和所長基金的資助下,實驗室建設(shè)了30千瓦預(yù)熱燃燒實驗平臺,開展機理實驗研究,掌握煤粉預(yù)熱機制、預(yù)熱燃料燃燒機理和煤N遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

“從新想法產(chǎn)生到設(shè)計出第一個實驗臺,是最困難的階段?!眳吻鍎傉f,“一會兒這個管子燒漏了,一會兒那個管子結(jié)焦了,一會兒給粉又出了問題。我們曾一度認為,這個實驗可能做不下去了?!?/span>

回想第一次實驗成功,是10多年前的一天下午,實驗數(shù)據(jù)顯示,實驗臺采用預(yù)熱粉煤的方式,實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。“當時大家都非常興奮。”朱建國說,“雖然實驗臺規(guī)模很小,但足以說明,這種燃燒方式是可行的,也為后來的實驗研究明晰了方向?!?/span>

2013年至今,在中科院戰(zhàn)略性先導專項“低階煤清潔高效梯級利用關(guān)鍵技術(shù)與示范”的資助下,實驗室加大了預(yù)熱燃燒中試、放大和工程示范研發(fā)力度,先后在廊坊研發(fā)基地建設(shè)了0.2兆瓦、0.4兆瓦和2兆瓦預(yù)熱燃燒實驗平臺。

從0.2兆瓦到2兆瓦,放大的過程中,會遇到結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)、穩(wěn)定性等各種問題。“逢山開路,遇水架橋。遇到問題就解決問題。”呂清剛說。

團隊的眼光沒有僅僅停留在把低階煤吃干榨凈上。在呂清剛看來,煤炭分質(zhì)利用,不僅要把不好燒的煤燒掉,還要燒得清潔。

以前的煤炭利用是先污染、再治理。難燃煤種燃燒后氮氧化物的排放量達到600mg/Nm3至1000mg/Nm3,需要加上尾部脫硝裝置來處理,處理后依然不能實現(xiàn)超低排放。采用預(yù)熱燃燒的方法后,煤粉活性提高,可以在爐內(nèi)實現(xiàn)均勻、充分燃燒,氮氧化物本身的生成就很少。

今年3月,以半焦、殘?zhí)繛槿剂祥_展的多次實驗均顯示氮氧化物排放低于100mg/Nm3,意味著預(yù)熱燃燒技術(shù)取得了中試成功?!斑@讓我們吃了定心丸?!眳吻鍎傉f,“從既有經(jīng)驗來看,從中試過渡到工業(yè)實驗階段,還需1年到2年的時間?!?/span>

 

 

一場沒有下班的科研

數(shù)年前一個周五的傍晚,朱建國在實驗室里做完了熱態(tài)實驗的全部準備工作,負責實驗室管理的實驗師已經(jīng)下班了。按照部門規(guī)定,實驗師不在場,不可以擅自啟動熱態(tài)實驗。

急于看到實驗結(jié)果的朱建國圍著實驗臺轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去,最后還是忍不住啟動了熱態(tài)實驗。隨著爐膛溫度的逐漸升高,朱建國看到,一根耐溫1500℃的不銹鋼管下方開始滴鋼水。原來是溫度沒有控制好,把鋼管燒化了。

“那個時候滿腦子都是實驗的事情,著了魔一樣成天都在想著做實驗。”朱建國回想起來有些不好意思,“后來還被實驗室通報批評了?!?/span>

“我們這里有句話叫‘科研是沒有下班的’?!敝锌圃汗こ虩嵛锢硌芯克h(huán)流化床實驗室主任助理高鳴說,“團隊里的科研人員,最不缺的就是這種執(zhí)著精神?!?/span>

高鳴告訴記者,預(yù)熱燃燒的理論不是來自團隊一瞬間的靈感,而是不斷思考的結(jié)果?!皡卫蠋熌X子就一直沒閑過,邊走路邊思考問題,曾被車撞過兩回?!?/span>

從2004年理論提出,到今年3月中試成功,歷時13年。

從30千瓦,到0.2兆瓦,到0.4兆瓦,到2兆瓦,再到未來的14兆瓦,科研成果在一步步走向工業(yè)應(yīng)用。

從最初一個人的想法,到兩個人的實驗,再到今天十人左右的核心技術(shù)團隊,預(yù)熱燃燒方向的科研力量在逐漸壯大。

呂清剛告訴記者,示范項目計劃在今年年底或明年年初確定落實。目前,用戶使用、鍋爐設(shè)備生產(chǎn)等事宜都在洽談之中。

工業(yè)上爭取實現(xiàn)超低排放,機理上的研究工作也沒有停止?!澳壳暗牡趸锱欧旁?00mg/Nm3以下,未來我們想降到50mg/Nm3以下,不再需要尾部脫硝裝置,直接實現(xiàn)超低排放,讓煤炭成為清潔能源?!眳吻鍎傉f,“也許會花上5年,或者更長時間?!?/span>

據(jù)介紹,預(yù)熱燃燒技術(shù)突破了燃料高效燃燒與低氮氧化物排放的相互制約關(guān)系,一旦投入市場,前景將十分廣闊。

一方面,可用于低階煤分級轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的超低揮發(fā)分燃料的燃燒利用。低階煤熱解的半焦產(chǎn)率為原料煤的50%左右,氣化的殘?zhí)慨a(chǎn)率為原料煤的20%左右。隨著我國低階煤分級轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,煤熱解、氣化、制焦等行業(yè)每年將產(chǎn)生數(shù)億噸半焦、殘?zhí)?,預(yù)熱燃燒技術(shù)可充分利用這些原先難以處理和利用的超低揮發(fā)分燃料。另一方面,可用于無煙煤等低揮發(fā)分煤的燃燒利用,大幅降低氮氧化物排放。

不僅如此,這種預(yù)熱燃燒鍋爐還可用于常規(guī)煤種的燃燒,且對煤種無要求。

“這是目前最大的市場。我國燃煤工業(yè)鍋爐超過50萬臺,年消耗煤炭超過6億噸,70%的燃煤鍋爐為鏈條爐,平均效率僅為65%,污染物排放超標且難以監(jiān)督?!眳吻鍎傉f,“我們的技術(shù)投入使用后,可替代現(xiàn)有的落后裝備,提供燃燒效率高、污染物排放低的技術(shù)產(chǎn)品,市場容量超過千億元量級?!?/span>

當被問及此項裝置的名稱時,一心撲在技術(shù)研發(fā)上的團隊成員們表示還未考慮過?!安痪徒星鍧嵏咝ьA(yù)熱燃燒鍋爐嗎?”朱建國根據(jù)裝置的性能,一本正經(jīng)地當場取了名字。話音剛落,就被其他成員大笑著否決了:“名字太復雜,走向市場不易被記住?!?/span>

(轉(zhuǎn)自中科院工程熱物理研究所網(wǎng)站)

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