煤炭能这样用,就是清洁能源

2017-05-26 中国煤炭网 陶冉

——中科院工程热物理所突破我国低阶煤分级转化关键技术瓶颈侧记

●本网记者陶冉

3月28日晚上7点多,中国科学院工程热物理研究所廊坊研发基地5号厂房内灯火通明,2兆瓦预热燃烧中试装置上的实验研究已经连续进行了36个小时。

控制室里,科研人员紧张地盯着电脑显示屏。“半焦燃烧效率98.65%,氮氧化物排放63mg/Nm3。比上一个烧残炭的氮氧化物排放83mg/Nm3更低!”随着该所循环流化床实验室副研究员朱建国兴奋地报出经过反复核算确认的结果,大家齐声欢呼。

他们意识到,这些数据意味着研究了13年的预热燃烧技术已经实现半焦、残炭的高效燃烧和氮氧化物的低排放,多年来制约我国低阶煤分级转化的关键技术瓶颈得到突破。

一个难以突破的领域

低阶煤是一种比较“年轻”的煤,由于其煤化程度低,加热后可产生较多的油气,因此是煤炭梯级利用中的重要利用对象。

低阶煤的利用价值有多大?据了解,我国煤炭年消耗量约为40亿吨,其中低阶煤约占50%。如果这些低阶煤全部热解,可提取出约10%的焦油,相当于每年增加2亿吨石油,可替代50%左右的进口原油。此外,低阶煤还可以通过气化,生产工业燃气或合成气、天然气。然而,伴随着油气,同时产生的还有10亿吨半焦和残炭。这部分半焦和残炭由于被提取了油气,挥发分往往低于10%甚至5%,其着火和燃尽十分困难,实现燃烧低排放更是天方夜谭。

“如果半焦和残炭利用不好,低阶煤分级转化将无法做下去。”中科院工程热物理研究所副所长吕清刚说,“对于块煤产生的热解半焦,以前人们通常拿去做电石原料,但市场很小,吃不完。”

低阶煤的分级利用,意义很大,但难度很高,让不少研究者望而生畏。如何处理挥发分5%以下的半焦和残炭,不仅是我国低阶煤分级转化的关键技术瓶颈,也是一道世界难题。

“我们一开始也跟着国内外最前沿的思路走,即采用高温空气燃烧技术,先把空气加热,再将煤加进去燃烧。”吕清刚说,“但我们发现,这种方式对于特别难烧的煤不起作用。因为空气不仅热容很小,还会因为流动带走部分热量。”

据了解,最早的高温空气燃烧技术来自钢铁行业。钢坯加热过程多采用高温空气预热,但这项技术运用到煤炭行业时,由于加热主体不同,特别是烟气中带有颗粒和细灰,空气蓄热式换热器极易堵塞,无法实际应用。“我们在德国、日本相关领域做交流时发现,他们目前所做的实验都未取得成功。”吕清刚说。

难点如何突破?如何才能实现低挥发分燃料的稳定燃烧与清洁排放?寻求突破需另辟蹊径。

吕清刚的思路回溯到最基本的燃烧三要素上:可燃物、氧气和温度。

“如果不先加热空气,而是先加热燃料呢?”突如其来的想法让吕清刚颇为兴奋,“一般焦炭的着火点是700℃,如果我们先把燃料加热到800℃至900℃,这时再通空气,就可以直接燃烧,且不存在稳定性的问题了。”

据此,2004年,吕清刚所在的中科院工程热物理研究所循环流化床实验室率先提出了燃料预热燃烧概念,继而申请了发明专利并获授权。这是燃烧方式的重大转变,从理论上突破了常规的加热、着火和燃烧方式,使煤粉在燃烧器中预热至温度高于着火点、预热燃料在炉膛中实现高效清洁燃烧。

一项从零做起的实验

“理念发生了改变,国内外均没有可借鉴经验,所有的东西都要从头做起。”吕清刚说。

新的燃烧理论提出,关键的问题随之而来:如何用低成本的方式把燃料加热到800℃至900℃?

“国内现存等离子体电弧、微波等加热方法,但特别耗电,成本过高。”吕清刚说,“我们提出了一个低成本的想法,即让燃料烧掉自己的一部分(5%至10%),将自己加热,当煤的吸热量与燃烧的释放量达到平衡时,就实现了稳定加热。”

朱建国是吕清刚2004年招收的博士生,也是预热燃烧概念提出后,主攻该方向的第一个博士生。

“还记得当时开题立项,我查阅了国内外相关文献,发现国外最多就是探讨预热空气,但对于预热煤炭,从来没有人做过。”朱建国回想起当时的情境,记忆犹新,“我也没多想,只是觉得这个理论可行,那就试试吧。”

2004年至2012年,在国家自然科学基金和所长基金的资助下,实验室建设了30千瓦预热燃烧实验平台,开展机理实验研究,掌握煤粉预热机制、预热燃料燃烧机理和煤N迁移转化规律。

“从新想法产生到设计出第一个实验台,是最困难的阶段。”吕清刚说,“一会儿这个管子烧漏了,一会儿那个管子结焦了,一会儿给粉又出了问题。我们曾一度认为,这个实验可能做不下去了。”

回想第一次实验成功,是10多年前的一天下午,实验数据显示,实验台采用预热粉煤的方式,实现了稳定运行。“当时大家都非常兴奋。”朱建国说,“虽然实验台规模很小,但足以说明,这种燃烧方式是可行的,也为后来的实验研究明晰了方向。”

2013年至今,在中科院战略性先导专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”的资助下,实验室加大了预热燃烧中试、放大和工程示范研发力度,先后在廊坊研发基地建设了0.2兆瓦、0.4兆瓦和2兆瓦预热燃烧实验平台。

从0.2兆瓦到2兆瓦,放大的过程中,会遇到结构、运转、稳定性等各种问题。“逢山开路,遇水架桥。遇到问题就解决问题。”吕清刚说。

团队的眼光没有仅仅停留在把低阶煤吃干榨净上。在吕清刚看来,煤炭分质利用,不仅要把不好烧的煤烧掉,还要烧得清洁。

以前的煤炭利用是先污染、再治理。难燃煤种燃烧后氮氧化物的排放量达到600mg/Nm3至1000mg/Nm3, 需要加上尾部脱硝装置来处理,处理后依然不能实现超低排放。采用预热燃烧的方法后,煤粉活性提高,可以在炉内实现均匀、充分燃烧,氮氧化物本身的生成就很少。

今年3月,以半焦、残炭为燃料开展的多次实验均显示氮氧化物排放低于100mg/Nm3,意味着预热燃烧技术取得了中试成功。“这让我们吃了定心丸。”吕清刚说,“从既有经验来看,从中试过渡到工业实验阶段,还需1年到2年的时间。”

一场没有下班的科研

数年前一个周五的傍晚,朱建国在实验室里做完了热态实验的全部准备工作,负责实验室管理的实验师已经下班了。按照部门规定,实验师不在场,不可以擅自启动热态实验。

急于看到实验结果的朱建国围着实验台转来转去,最后还是忍不住启动了热态实验。随着炉膛温度的逐渐升高,朱建国看到,一根耐温1500℃的不锈钢管下方开始滴钢水。原来是温度没有控制好,把钢管烧化了。

“那个时候满脑子都是实验的事情,着了魔一样成天都在想着做实验。”朱建国回想起来有些不好意思,“后来还被实验室通报批评了。”

“我们这里有句话叫‘科研是没有下班的’。”中科院工程热物理研究所循环流化床实验室主任助理高鸣说,“团队里的科研人员,最不缺的就是这种执着精神。”

高鸣告诉记者,预热燃烧的理论不是来自团队一瞬间的灵感,而是不断思考的结果。“吕老师脑子就一直没闲过,边走路边思考问题,曾被车撞过两回。”

从2004年理论提出,到今年3月中试成功,历时13年。

从30千瓦,到0.2兆瓦,到0.4兆瓦,到2兆瓦,再到未来的14兆瓦,科研成果在一步步走向工业应用。

从最初一个人的想法,到两个人的实验,再到今天十人左右的核心技术团队,预热燃烧方向的科研力量在逐渐壮大。

吕清刚告诉记者,示范项目计划在今年年底或明年年初确定落实。目前,用户使用、锅炉设备生产等事宜都在洽谈之中。

工业上争取实现超低排放,机理上的研究工作也没有停止。“目前的氮氧化物排放在100mg/Nm3以下,未来我们想降到50mg/Nm3以下,不再需要尾部脱硝装置,直接实现超低排放,让煤炭成为清洁能源。”吕清刚说,“也许会花上5年,或者更长时间。”

据介绍,预热燃烧技术突破了燃料高效燃烧与低氮氧化物排放的相互制约关系,一旦投入市场,前景将十分广阔。

一方面,可用于低阶煤分级转化产生的超低挥发分燃料的燃烧利用。低阶煤热解的半焦产率为原料煤的50%左右,气化的残炭产率为原料煤的20%左右。随着我国低阶煤分级转化产业的发展,煤热解、气化、制焦等行业每年将产生数亿吨半焦、残炭,预热燃烧技术可充分利用这些原先难以处理和利用的超低挥发分燃料。另一方面,可用于无烟煤等低挥发分煤的燃烧利用,大幅降低氮氧化物排放。

不仅如此,这种预热燃烧锅炉还可用于常规煤种的燃烧,且对煤种无要求。

“这是目前最大的市场。我国燃煤工业锅炉超过50万台,年消耗煤炭超过6亿吨,70%的燃煤锅炉为链条炉,平均效率仅为65%,污染物排放超标且难以监督。”吕清刚说,“我们的技术投入使用后,可替代现有的落后装备,提供燃烧效率高、污染物排放低的技术产品,市场容量超过千亿元量级。”

当被问及此项装置的名称时,一心扑在技术研发上的团队成员们表示还未考虑过。“不就叫清洁高效预热燃烧锅炉吗?”朱建国根据装置的性能,一本正经地当场取了名字。话音刚落,就被其他成员大笑着否决了:“名字太复杂,走向市场不易被记住。”

责任编辑:张小燕