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(guò)?？諝庀禂祻亩岣咂涫褂眯?，借助燃氣低成本凈化大幅度降低煙氣的污染排放指數，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(guò)多重設計和改進(jìn)，田原宇帶領(lǐng)低碳能源團隊開(kāi)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(shí)現企業(yè)用能、化工原料和發(fā)電的清潔高效環(huán)保，響應山東省新舊動(dòng)能轉化的號召，正與低碳能源團隊合作建設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化利用樹(shù)立行業(yè)標桿。
清潔高效，煤炭燃氣化研究的痛點(diǎn)
“燃氣品質(zhì)的標準有兩個(gè)。”田原宇介紹：一是燃氣熱值要滿(mǎn)足現有用戶(hù)需求且穩定，以提高后續利用系統的效率;二是燃氣中基本不含焦油，以減少后處理系統的復雜性。
而現有燃氣型氣化技術(shù)，例如移動(dòng)床氣化(BGL)、輸送床氣化(TRIG)等，均存在碳轉化率不足，生成較大量的焦油以及含酚廢水排放等問(wèn)題，成為制約固體煤炭燃氣化技術(shù)推廣應用的瓶頸。
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(guò)適當的氣化方式，生產(chǎn)滿(mǎn)足今后相當長(cháng)時(shí)間窯爐和燃氣輪機水平火焰溫度要求的燃氣，實(shí)現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(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也成為田原宇及其團隊成員們惦念的研究目標。
穩扎穩打，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(jià)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(chǎng)競爭力，低成本解決“煤改氣”的難題，確保打贏(yíng)“藍天保衛戰”。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下，按照化學(xué)相似性，通過(guò)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構與反應性，解析煤熱轉化的基本熱解反應，提出熱解初始反應機理和路徑，構建了煤化學(xué)分子水平研究理論體系，為煤高效清潔轉化利用打下堅實(shí)的理論基礎。
在該研究理論的指導下，2001年，團隊設計了提升管循環(huán)流化床煤轉化裝置，通過(guò)湍流床和提升管結構耦合，強化了熱解焦的氣化或燃燒過(guò)程，解決了提升管有效反應區小的難題。2006年，自混合下行循環(huán)流化床快速熱解裝置實(shí)現了3000噸/年煤、生物質(zhì)、油砂、油頁(yè)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(wàn)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)了國際上最大規模的20萬(wàn)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(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(dòng)床氣化技術(shù)(Lurgi)。前者由美國KBR和南方電力公司共同開(kāi)發(fā)，代表了燃氣型氣化國際先進(jìn)水平。后者在國內外的大規模工業(yè)化中應用最為廣泛。
田原宇對記者說(shuō)：“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(lái)電廠(chǎng)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(jìn)料、干渣排放、粗合成氣廢鍋流程的多種流態(tài)化結構耦合分級熱解氣化技術(shù)，田原宇稱(chēng)，其生產(chǎn)過(guò)程中“基本沒(méi)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(jìn)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，而現有的大部分氣化技術(shù)難以對低階煤進(jìn)行有效處理和高效轉化，具有原料優(yōu)勢。同時(shí)，使用專(zhuān)有的干粉泵輸送系統進(jìn)料來(lái)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(wú)須設置備爐。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(lái)很大的規模經(jīng)濟優(yōu)勢。此外，還可根據下游生產(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(kāi)發(fā)的復合流化氣化爐分級熱解氣化技術(shù)(CPG)，憑借其高碳轉化率、高燃氣熱值、低污染排放、低能耗利用的優(yōu)勢特點(diǎn)，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(mǎn)足各種工業(yè)窯爐和今后五十年內燃氣輪機水平對火焰溫度要求的燃氣，實(shí)現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構改革發(fā)展中的競爭力，對我國能源結構的調整和環(huán)境污染的改善具有重要意義。
