中國石油大學(xué)教授田原宇對記者表示：“煤炭并不一定是‘骯臟的能源’。能源‘潔凈’與否，必須與利用技術(shù)聯(lián)系在一起。”田原宇認為，煤炭氣化后燃氣燃燒能夠有效降低過剩空氣系數(shù)從而提高其使用效率，借助燃氣低成本凈化大幅度降低煙氣的污染排放指數(shù)，降低企業(yè)用能成本，從而提高煤炭使用的清潔性、經(jīng)濟性和便利性。
經(jīng)過多重設(shè)計和改進，田原宇帶領(lǐng)低碳能源團隊開發(fā)出了適于利用中高揮發(fā)分煙煤和褐煤等中低級煤的分級熱解氣化技術(shù)(CPG)。日前，山東金沂蒙集團公司為了實現(xiàn)企業(yè)用能、化工原料和發(fā)電的清潔高效環(huán)保，響應(yīng)山東省新舊動能轉(zhuǎn)化的號召，正與低碳能源團隊合作建設(shè)500噸/天CPG氣化技術(shù)的工業(yè)示范，以期為我國煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用樹立行業(yè)標桿。
清潔高效，煤炭燃氣化研究的痛點
“燃氣品質(zhì)的標準有兩個。”田原宇介紹：一是燃氣熱值要滿足現(xiàn)有用戶需求且穩(wěn)定，以提高后續(xù)利用系統(tǒng)的效率;二是燃氣中基本不含焦油，以減少后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性。
而現(xiàn)有燃氣型氣化技術(shù)，例如移動床氣化(BGL)、輸送床氣化(TRIG)等，均存在碳轉(zhuǎn)化率不足，生成較大量的焦油以及含酚廢水排放等問題，成為制約固體煤炭燃氣化技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。
因此，如何將目前我國占煤炭資源80%以上的中高揮發(fā)分煙煤和褐煤，通過適當?shù)臍饣绞剑a(chǎn)滿足今后相當長時間窯爐和燃氣輪機水平火焰溫度要求的燃氣，實現(xiàn)中低階煤炭資源的清潔高效燃燒利用，提高煤炭作為燃料在化石能源中的競爭力，成為目前我國煤炭清潔高效利用研究和開發(fā)的熱點和難點，也成為田原宇及其團隊成員們惦念的研究目標。
穩(wěn)扎穩(wěn)打，團隊逐步突破技術(shù)瓶頸
煤氣化制取燃氣的成本僅為同熱值天然氣價格的不到1/3 ，燃燒效率和煙氣清潔度高于天然氣，能夠大幅度降低工礦企業(yè)清潔用能成本，有效提高企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，低成本解決“煤改氣”的難題，確保打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”。為此，田原宇為帶頭人的低碳能源團隊，從2000年起，在中國工程院院士謝克昌的指導(dǎo)下，按照化學(xué)相似性，通過創(chuàng)建具有普適性的煤可溶化和化學(xué)族組分分離體系，利用化學(xué)族組分深入探究煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性，解析煤熱轉(zhuǎn)化的基本熱解反應(yīng)，提出熱解初始反應(yīng)機理和路徑，構(gòu)建了煤化學(xué)分子水平研究理論體系，為煤高效清潔轉(zhuǎn)化利用打下堅實的理論基礎(chǔ)。
在該研究理論的指導(dǎo)下，2001年，團隊設(shè)計了提升管循環(huán)流化床煤轉(zhuǎn)化裝置，通過湍流床和提升管結(jié)構(gòu)耦合，強化了熱解焦的氣化或燃燒過程，解決了提升管有效反應(yīng)區(qū)小的難題。2006年，自混合下行循環(huán)流化床快速熱解裝置實現(xiàn)了3000噸/年煤、生物質(zhì)、油砂、油頁巖快速熱解液化或提煉工業(yè)中試。2007年和2009年，分別建成投產(chǎn)兩套2萬噸/年生物質(zhì)自混合下行循環(huán)流化床快速熱解液化工業(yè)示范裝置。2012年，又建成投產(chǎn)了國際上最大規(guī)模的20萬噸/年生物質(zhì)自混合下行循環(huán)流化床快速熱解液化工業(yè)化裝置，完成了3000噸/年復(fù)合流化氣化爐利用低階煤、生物質(zhì)、生活垃圾分級熱解氣化制燃氣的工業(yè)中試，表明該技術(shù)為工業(yè)燃氣、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)和煤制天然氣技術(shù)提供了有效利用中低階煤(中高揮發(fā)分煙煤和褐煤)的理想方案。
國際領(lǐng)先，新技術(shù)優(yōu)勢明顯
目前國際主要的粉煤燃氣型技術(shù)包括輸運床氣化技術(shù)(TRIG)，以及魯奇移動床氣化技術(shù)(Lurgi)。前者由美國KBR和南方電力公司共同開發(fā)，代表了燃氣型氣化國際先進水平。后者在國內(nèi)外的大規(guī)模工業(yè)化中應(yīng)用最為廣泛。
田原宇對記者說：“在燃氣熱值方面，我們比美國第三代IGCC所用的TRIG氣化技術(shù)要高，日本笏來電廠所用的普通循環(huán)流化床氣化比我們要落后。”燃氣型CPG氣化技術(shù)為干粉碎煤進料、干渣排放、粗合成氣廢鍋流程的多種流態(tài)化結(jié)構(gòu)耦合分級熱解氣化技術(shù)，田原宇稱，其生產(chǎn)過程中“基本沒有煤焦油產(chǎn)生，灰渣分離，殘留在灰中的炭可以回收利用，進而提高碳的利用率;只有渣干法外排，不產(chǎn)生含鹽廢水和含酚廢水”。
據(jù)田原宇介紹，該技術(shù)適合處理高水分、高灰分、中高揮發(fā)分的中低階煤，而現(xiàn)有的大部分氣化技術(shù)難以對低階煤進行有效處理和高效轉(zhuǎn)化，具有原料優(yōu)勢。同時，使用專有的干粉泵輸送系統(tǒng)進料來代替通常需要頻繁維護的水煤漿噴嘴或燒嘴以及干渣換熱外排，無須設(shè)置備爐。該技術(shù)單位截面積處理能力比普通流化床氣化提高1倍以上，最高單爐處理量可達5000噸/天。對于IGCC發(fā)電項目，可以帶來很大的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。此外，還可根據(jù)下游生產(chǎn)要求選擇空氣氣化或氧氣氣化模式，利用氣化余熱裂解粉煤和焦油則降低了氧煤比，生產(chǎn)的有效組分富含甲烷、不含焦油，適宜于煤制天然氣生產(chǎn)。
田原宇及其團隊開發(fā)的復(fù)合流化氣化爐分級熱解氣化技術(shù)(CPG)，憑借其高碳轉(zhuǎn)化率、高燃氣熱值、低污染排放、低能耗利用的優(yōu)勢特點，打破了工業(yè)燃氣、IGCC和煤制天然氣技術(shù)方面對于中低階煤利用的瓶頸，能夠生產(chǎn)出基本滿足各種工業(yè)窯爐和今后五十年內(nèi)燃氣輪機水平對火焰溫度要求的燃氣，實現(xiàn)中低階煤炭資源的清潔高效利用，提高煤炭燃料在國家能源結(jié)構(gòu)改革發(fā)展中的競爭力，對我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)境污染的改善具有重要意義。
