如何將煤炭吃干榨凈？中科院團隊突破關鍵技術瓶頸

煤炭，堪稱中國能源的「命門」。我國煤炭儲量雖然豐富，但煤化程度較低的低階煤卻佔了幾乎半壁江山。近年來，隨著能源與環境雙重壓力的不斷升級，如何把煤炭「吃干榨凈」，成為中國煤炭科技人員最緊迫的任務之一。中國科學院工程熱物理研究所循環流化床實驗室，就是中國煤炭科技大軍中的一支中堅力量。專註燒煤三十餘年，最近，他們終於燒出了「大名堂」。

日前，該團隊研發的預熱燃燒技術實現了半焦、殘炭的高效燃燒和氮氧化物的低排放，成功突破制約我國低階煤分級轉化的關鍵技術瓶頸。

吃干榨凈 大勢所趨

我國低階煤儲量接近5000億噸，約佔煤炭探明儲量的42%。這類煤化程度較低的煤揮發分高、含水率高，開發利用受到諸多限制，且能源利用效率和經濟性相對較低。

低階煤含有豐富的油氣成分，直接燃燒無法充分利用其資源價值，在國家能源形勢如此緊張的情況下，這不啻是一種巨大的浪費。

實際上，國家已經認識到了這一點。2016年，國家發改委、能源局聯合印發的《能源技術革命創新行動計劃2016-2030年》，將「煤炭分級分質轉化」列為煤炭清潔高效利用技術創新的戰略方向；同時科技部也已將其列入國家重點研發計劃「煤炭清潔高效利用和新型節能技術」專項實施方案。

「低階煤的分級利用十分必要。」中科院工程熱物理所副所長呂清剛告訴《中國科學報》記者，「分級轉化技術是先從低階煤里提取出價值較高的油氣，剩餘的半焦或殘炭作為燃料，繼續燃燒發電，這樣就最大程度的發揮了煤炭的利用價值。」

似乎順著這條思路，就能把煤炭「吃干榨凈」了。然而到了操作層面，一切並非想像中那麼簡單。

低階煤熱解或氣化的副產品半焦、殘炭屬於「超低揮發分碳基燃料」，即揮發分含量遠低於常規煤炭。採用傳統技術燃燒時，會遇到著火穩燃困難、燃盡率低的難題。

「為了克服這些難題，工業上往往採取提高燃燒溫度的辦法，但這樣做，又帶來了污染物排放高的問題。」

呂清剛說的污染物，主要指的是氮氧化物。現有研究已經證實，氮氧化物是造成霧霾天氣的重要因素之一，處理起來卻並不容易。

要麼燒不好，要麼燒不凈，高效與清潔，成為了一對難解的矛盾。

魚與熊掌 如何兼得？

一項數字顯示，低階煤熱解的半焦產率約為原料煤的50~70%，氣化的殘炭產率約為原料煤的20~30%。隨著我國低階煤分級轉化產業的發展，煤氣化、制焦等行業每年將產生數億噸半焦、殘炭。

「如果不能利用好這些超低揮發分燃料，將嚴重製約我國低階煤分級轉化產業發展。」中科院工程熱物理所循環流化床實驗室副主任李詩媛說。

既然傳統燃燒技術走不通，從2004年起，研發團隊開始「另起爐灶」，摸索一種全新的燃燒模式。他們針對超低揮發分碳基燃料，原創性地提出了一種預燃燒技術，形成新型的預熱燃燒器，有別於常規的直流和旋流燃燒器。

「我們發現，燃料預熱達到可燃燒溫度後，反應活性會顯著提高，而在燃燒室中通過分級配風控制溫度分布能有效降低氮氧化物的轉化率。」中科院工程熱物理所副研究員朱建國說，「這就為穩定、高效、快速、清潔的燃燒提供了保障。」

2013~2016年，在中科院戰略性先導科技專項「低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示範」資助下，團隊將預熱燃燒技術與半焦、殘炭等超低揮發分燃料燃燒利用相結合，取得了顯著效果。

2017年3月，經過36小時連續試驗，團隊在2MW預熱燃燒中試裝置上實現了神木半焦燃燒效率98.65%、氮氧化物原始排放濃度63mg/Nm³；氣化殘炭燃燒效率87.6%、氮氧化物原始排放濃度83mg/Nm³。這些數字意味著，在不降低燃燒效率的同時，兩種燃料的氮氧化物原始排放濃度均遠低於國家火電大氣污染物排放標準，而這兩種燃料的乾燥無灰基揮發分僅為8%和0.7%。

至此，該團隊歷時十三年，完成了預熱燃燒技術的機理研究、關鍵技術研究和中試研究，通過創新並集成燃料自預熱、高溫改性、無著火直接燃燒以及燃料氮析出調控等一系列關鍵技術，終於攻克了超低揮發分碳基燃料著火穩燃、燃盡和污染物排放控制三大難題。

產業應用 面向未來

預熱燃燒技術的開發成功，打破了低階煤分級分質轉化的關鍵技術瓶頸，為這一鏈條上的最後一環——超低揮發分碳基燃料的高效清潔燃燒利用——提供了強有力的技術支撐。

目前，團隊正在加緊將這項技術向工業性示範應用推進。依託試驗研究成果並結合實際鍋爐工程經驗，預熱燃燒研發團隊以揮發分接近於0、熱值不高於3200kcal/kg的氣化殘炭為設計燃料，正在廣西河池開展100噸/日氣化殘炭鍋爐工程示範項目。該示範工程目前已完成建設，預計2017年下半年正式投入運行。

事實上，這項技術還可走得更遠。國家「一帶一路」戰略沿線有許多能源結構同樣以煤為主的國家，他們同樣對煤炭清潔高效利用的技術和裝備充滿著渴望。

呂清剛呼籲：「採用預熱燃燒技術實現超低揮發分碳基燃料的高效清潔燃燒利用，將帶來巨大的經濟效益和環保效益，我們認為應用前景十分廣闊，建議國家加大技術研發和產業化的支持力度。」

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