煤炭能這樣用，就是清潔能源

3月28日晚上7點多，中國科學(xué)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(fù)核算確認(rèn)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?，多年來制約我國低階煤分級轉(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(dāng)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?xì)饣蚝铣蓺?、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貌缓茫碗A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。”

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。”呂清剛說，“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。”

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(xì)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。”

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。”呂清剛說。

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。”呂清剛說，“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(dāng)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。”

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(dāng)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。”朱建國回想起當(dāng)時的情境，記憶猶新，“我也沒多想，只是覺得這個理論可行，那就試試吧。”

2004年至2012年，在國家自然科學(xué)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。”呂清剛說，“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(rèn)為，這個實驗可能做不下去了。”

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(dāng)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。”

2013年至今，在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)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。“這讓我們吃了定心丸。”呂清剛說，“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。”

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(zhǔn)備工作，負(fù)責(zé)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。”

“我們這里有句話叫‘科研是沒有下班的’。”中科院工程熱物理研究所循環(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。”

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。“呂老師腦子就一直沒閑過，邊走路邊思考問題，曾被車撞過兩回。”

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。“目前的氮氧化物排放在100mg／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。”呂清剛說，“也許會花上5年，或者更長時間。”

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(biāo)且難以監(jiān)督。”呂清剛說，“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。”

當(dāng)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。“不就叫清潔高效預(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(dāng)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(fù)雜，走向市場不易被記住。”