3月28日晚上7點(diǎn)多，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所廊坊研發(fā)基地5號(hào)廠房?jī)?nèi)燈火通明，2兆瓦預(yù)熱燃燒中試裝置上的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了36個(gè)小時(shí)。
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(gè)燒殘?zhí)康牡趸锱欧?3mg／Nm3更低！”隨著該所循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室副研究員朱建國(guó)興奮地報(bào)出經(jīng)過(guò)反復(fù)核算確認(rèn)的結(jié)果，大家齊聲歡呼。
他們意識(shí)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(shí)現(xiàn)半焦、殘?zhí)康母咝紵偷趸锏牡团欧?，多年?lái)制約我國(guó)低階煤分級(jí)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸得到突破。
一個(gè)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(jí)利用中的重要利用對(duì)象。
低階煤的利用價(jià)值有多大？據(jù)了解，我國(guó)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(jìn)口原油。此外，低階煤還可以通過(guò)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(shí)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(shí)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(jí)轉(zhuǎn)化將無(wú)法做下去?！敝锌圃汗こ虩嵛锢硌芯克彼L(zhǎng)呂清剛說(shuō)，“對(duì)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(chǎng)很小，吃不完?！?/span>
低階煤的分級(jí)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?yè)]發(fā)分5％以下的半焦和殘?zhí)?，不僅是我國(guó)低階煤分級(jí)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，也是一道世界難題。
“我們一開(kāi)始也跟著國(guó)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(jìn)去燃燒?！眳吻鍎傉f(shuō)，“但我們發(fā)現(xiàn)，這種方式對(duì)于特別難燒的煤不起作用。因?yàn)榭諝獠粌H熱容很小，還會(huì)因?yàn)榱鲃?dòng)帶走部分熱量?！?/span>
據(jù)了解，最早的高溫空氣燃燒技術(shù)來(lái)自鋼鐵行業(yè)。鋼坯加熱過(guò)程多采用高溫空氣預(yù)熱，但這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到煤炭行業(yè)時(shí)，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(wú)法實(shí)際應(yīng)用。“我們?cè)诘聡?guó)、日本相關(guān)領(lǐng)域做交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們目前所做的實(shí)驗(yàn)都未取得成功?！眳吻鍎傉f(shuō)。
難點(diǎn)如何突破？如何才能實(shí)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(lái)的想法讓呂清剛頗為興奮，“一般焦炭的著火點(diǎn)是700℃，如果我們先把燃料加熱到800℃至900℃，這時(shí)再通空氣，就可以直接燃燒，且不存在穩(wěn)定性的問(wèn)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(shí)驗(yàn)室率先提出了燃料預(yù)熱燃燒概念，繼而申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)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(diǎn)、預(yù)熱燃料在爐膛中實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒。
一項(xiàng)從零做起的實(shí)驗(yàn)
“理念發(fā)生了改變，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有可借鑒經(jīng)驗(yàn)，所有的東西都要從頭做起。”呂清剛說(shuō)。
新的燃燒理論提出，關(guān)鍵的問(wèn)題隨之而來(lái)：如何用低成本的方式把燃料加熱到800℃至900℃？
“國(guó)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(guò)高?！眳吻鍎傉f(shuō)，“我們提出了一個(gè)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(dá)到平衡時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定加熱?！?/span>
朱建國(guó)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(gè)博士生。
“還記得當(dāng)時(shí)開(kāi)題立項(xiàng)，我查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國(guó)外最多就是探討預(yù)熱空氣，但對(duì)于預(yù)熱煤炭，從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)?！敝旖▏?guó)回想起當(dāng)時(shí)的情境，記憶猶新，“我也沒(méi)多想，只是覺(jué)得這個(gè)理論可行，那就試試吧。”
2004年至2012年，在國(guó)家自然科學(xué)基金和所長(zhǎng)基金的資助下，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了30千瓦預(yù)熱燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，掌握煤粉預(yù)熱機(jī)制、預(yù)熱燃料燃燒機(jī)理和煤N遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。
“從新想法產(chǎn)生到設(shè)計(jì)出第一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，是最困難的階段。”呂清剛說(shuō)，“一會(huì)兒這個(gè)管子燒漏了，一會(huì)兒那個(gè)管子結(jié)焦了，一會(huì)兒給粉又出了問(wèn)題。我們?cè)欢日J(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可能做不下去了?！?/span>
回想第一次實(shí)驗(yàn)成功，是10多年前的一天下午，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用預(yù)熱粉煤的方式，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行?！爱?dāng)時(shí)大家都非常興奮?！敝旖▏?guó)說(shuō)，“雖然實(shí)驗(yàn)臺(tái)規(guī)模很小，但足以說(shuō)明，這種燃燒方式是可行的，也為后來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究明晰了方向?！?/span>
2013年至今，在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“低階煤清潔高效梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與示范”的資助下，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
從0．2兆瓦到2兆瓦，放大的過(guò)程中，會(huì)遇到結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)、穩(wěn)定性等各種問(wèn)題?！胺晟介_(kāi)路，遇水架橋。遇到問(wèn)題就解決問(wèn)題?！眳吻鍎傉f(shuō)。
團(tuán)隊(duì)的眼光沒(méi)有僅僅停留在把低階煤吃干榨凈上。在呂清剛看來(lái)，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(dá)到600mg／Nm3至1000mg／Nm3，需要加上尾部脫硝裝置來(lái)處理，處理后依然不能實(shí)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(shí)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_(kāi)展的多次實(shí)驗(yàn)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(shuō)，“從既有經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，從中試過(guò)渡到工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段，還需1年到2年的時(shí)間?！?/span>
一場(chǎng)沒(méi)有下班的科研
數(shù)年前一個(gè)周五的傍晚，朱建國(guó)在實(shí)驗(yàn)室里做完了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的全部準(zhǔn)備工作，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室管理的實(shí)驗(yàn)師已經(jīng)下班了。按照部門(mén)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)師不在場(chǎng)，不可以擅自啟動(dòng)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。
急于看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的朱建國(guó)圍著實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去，最后還是忍不住啟動(dòng)了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)。隨著爐膛溫度的逐漸升高，朱建國(guó)看到，一根耐溫1500℃的不銹鋼管下方開(kāi)始滴鋼水。原來(lái)是溫度沒(méi)有控制好，把鋼管燒化了。
“那個(gè)時(shí)候滿腦子都是實(shí)驗(yàn)的事情，著了魔一樣成天都在想著做實(shí)驗(yàn)?！敝旖▏?guó)回想起來(lái)有些不好意思，“后來(lái)還被實(shí)驗(yàn)室通報(bào)批評(píng)了?！?/span>
“我們這里有句話叫‘科研是沒(méi)有下班的’?！敝锌圃汗こ虩嵛锢硌芯克h(huán)流化床實(shí)驗(yàn)室主任助理高鳴說(shuō)，“團(tuán)隊(duì)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(lái)自團(tuán)隊(duì)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(méi)閑過(guò)，邊走路邊思考問(wèn)題，曾被車(chē)撞過(guò)兩回?！?/span>
從2004年理論提出，到今年3月中試成功，歷時(shí)13年。
從30千瓦，到0．2兆瓦，到0．4兆瓦，到2兆瓦，再到未來(lái)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(gè)人的想法，到兩個(gè)人的實(shí)驗(yàn)，再到今天十人左右的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)，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(xiàng)目計(jì)劃在今年年底或明年年初確定落實(shí)。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(zhēng)取實(shí)現(xiàn)超低排放，機(jī)理上的研究工作也沒(méi)有停止?！澳壳暗牡趸锱欧旁?00mg／Nm3以下，未來(lái)我們想降到50mg／Nm3以下，不再需要尾部脫硝裝置，直接實(shí)現(xiàn)超低排放，讓煤炭成為清潔能源?！眳吻鍎傉f(shuō)，“也許會(huì)花上5年，或者更長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)，前景將十分廣闊。
一方面，可用于低階煤分級(jí)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(guó)低階煤分級(jí)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(wú)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(duì)煤種無(wú)要求。
“這是目前最大的市場(chǎng)。我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐超過(guò)50萬(wàn)臺(tái)，年消耗煤炭超過(guò)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?！眳吻鍎傉f(shuō)，“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(chǎng)容量超過(guò)千億元量級(jí)?！?/span>
當(dāng)被問(wèn)及此項(xiàng)裝置的名稱(chēng)時(shí)，一心撲在技術(shù)研發(fā)上的團(tuán)隊(duì)成員們表示還未考慮過(guò)?！安痪徒星鍧嵏咝ьA(yù)熱燃燒鍋爐嗎？”朱建國(guó)根據(jù)裝置的性能，一本正經(jīng)地當(dāng)場(chǎng)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(chǎng)不易被記住?！?/span>
（轉(zhuǎn)自中科院工程熱物理研究所網(wǎng)站）
