【云展览 微科普】20、让煤炭化身清洁能源——你不知道的煤炭清洁燃烧与气化利用技术
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走进中国科学院创新成果展
（二十）让煤炭化身清洁能源——
你不知道的煤炭清洁燃烧与气化利用技术
“整个契丹省到处都发现有一种黑色的石块，它挖自矿山，在地下呈脉状延伸。一经点燃，效力和木炭一样，而它的火焰却比木炭更大更旺。甚至可以从夜晚燃烧到天明仍不会熄灭。这种石块，除非先将小块点燃，否则平时并不着火。若一旦着火，就会发出巨大的能量。”
——《马可·波罗游记》
一本《马可·波罗游记》，写尽了元朝的繁华，也激发了哥伦布的冒险精神。而书中记载的黑色石块，后来成为了人类第一次工业革命的核心动力，它们就是煤炭，至今仍然是我国工业的“主食”，在我国的能源体系中，牢牢占据基础地位。作为世界煤炭消耗量最大的国家，实现煤炭清洁高效的利用，对经济发展和社会进步，尤其是环境保护，具有非常重要的意义。可是怎么实现清洁高效利用呢？
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煤炭清洁利用
困难重重
我们伟大的祖国地大物博，煤炭储量相当丰富，然而东北的煤和西南的煤却长得不完全一样。这就像同样是主食，大米这类细粮很容易就做熟了，但是玉米这种粗粮就要在锅里煮上很久才能嚼得动，对于烧煤的设备“锅炉”来说，有的煤好“嚼”，有的煤“嚼不烂”，倒霉的是，我国的煤炭大多“嚼不烂”。为此煤炭利用技术领域的专家们，针对“好煤”和“坏煤”设计了不同的形式的锅炉，但是企业往往无法控制喂给锅炉“主食”的好坏，经常偏离原定的煤种运行，锅炉的性能大打折扣。这叫做“煤种适应性”不好。
除了煤种适应性，污染物的处置也是煤炭清洁利用的大难题。比如，煤炭燃烧中的污染气体排放：二氧化硫、粉尘、氮氧化物，其中最难处置的是氮氧化物（NOx），它是雾霾的成因之一。如今电厂大多向炉内或者烟气通道中喷氨（NH3），使得NOx在氨的还原作用下，变成氮气。但是，为了达到国家标准甚至是超低排放标准，企业往往需要喷入大量甚至是超量的氨，这些多余的氨一旦逃逸到大气中，又造成了二次污染。诸如此类的问题，制约着煤炭的利用。
这些问题的解决，就需要研发煤炭清洁燃烧与气化技术。中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室团队潜心四十年，开发了循环流化床燃煤技术和循环流化床煤气化技术，为守护绿水青山、打赢蓝天保卫战贡献了智慧和力量。
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烧煤
还得是专业的
锅炉，是煤炭燃烧产生蒸汽或热水的主要设备，由“锅”和“炉”两部分组成，循环流化床燃烧技术是在“炉”中采用的技术，其主要结构是由“炉膛”“分离器”和“返料器”两两相连形成的一个“循环回路”，燃料从炉膛下部进入，炉膛顶部出口连接分离器，分离器下面与返料器相连，而返料器又炉膛下部连接。运行时，煤炭在回路中一边燃烧一边循环流动，烧好了的烟气从分离器的出口离开锅炉，没烧好的煤则继续在锅炉中循环燃烧。炉内大量的循环物料仿佛一个“热汤池”，新加入锅炉的燃料对热汤池内的燃烧几乎没有影响，而炉内的高温环境，反而使得加入的燃料易于燃烧，不管是什么样的煤种，都很快变成热汤池的一部分，从而解决了煤种适应性问题。由于汤池内的燃烧条件温和，氮氧化物等污染物生成量也显著低于其他煤炭燃烧技术。
图1 循环流化床锅炉原理图
循环的稳定是技术的关键，工程热物理研究所开发了系列专利技术：流态化均匀布风技术、高性能旋风分离技术、稳定返料技术等等，实现了稳定循环和高效燃烧，技术受到行业欢迎，技术产品累计超过3000台，产值超过了300亿元。这一技术还被拓展至秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等生物质燃料燃烧领域，并且已经实现了大规模的产业化应用。
为满足更低的污染物排放要求，近些年，团队又开发了新一代的循环流化床燃烧技术——“高温超低氮燃烧技术”，它仅需对现有锅炉进行简单改造，配合燃烧控制方法，使炉内的燃烧处在“弱还原性”区间，抑制NOx的生成。这一技术可在燃烧环节实现NOx的大幅度降低，显著减少其他炉内或尾部的脱硝设备和氨的使用，将大大降低企业的环保成本。在中国科学院洁净能源A类先导专项“高效清洁燃烧关键技术与示范”项目的支持下，该技术已经实现了工业示范应用，在实际锅炉运行中证明了技术指标的先进性。
图2 应用循环流化床燃煤锅炉的大型热电站
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孜孜以求，创造
更好的燃煤技术
除此之外，团队还创造性地提出了“预热燃烧”技术，这一技术的核心原理，是将燃料通过“预热燃烧器”进行燃料的“自预热”处理，改善其燃烧性能，使其变成非常好烧的高温气固混合燃料后，再通入到锅炉的炉膛中燃烧，基于预热燃烧技术形成的“预热燃烧锅炉”胃口好，不挑食，完美解决了锅炉的煤种适应性问题。所谓的“自预热”，是指燃料的预热过程不需要其他外部热源辅助，特别是煤粉在“预热燃烧器”预热过程中，实现了煤氮的“定向转化”，预热过程的强还原性气氛使燃料中原本会因为燃烧氧化变成NOx的氮元素转化成了氮气，从源头阻断NOx的生成路径。配合炉内的燃烧组织，NOx产生量可直接符合国家标准，不再需要NOx脱除装置。
“预热燃烧”技术已经拓展至水泥窑炉的污染物控制领域，为NOx排放居高不下的水泥工业，提供了解决方案。“预热燃烧”技术在中试规模上已经实现了煤燃烧的原始超低排放，炉膛出口NOx浓度直接小于50mg/m3。未来，它还将在煤燃烧污染物控制中发挥更大的作用。
图3 预热燃烧技术的应用
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煤气化，煤炭转化
利用的源头技术
煤炭不仅是燃料，也是原料。煤的另一种利用方式是气化转化利用，生产气/液体燃料或化学品。煤气化，就是将固态煤变成气态的过程，比如工业燃气或组分特定的化工原料气，也就是合成气。工业燃气在玻璃、陶瓷、有色冶金、制铝等领域需求巨大；合成气可用于氨、甲醇、费托合成、羰基合成等工业生产。发展清洁高效的煤气化技术，对国家经济社会发展的重要性不言而喻。
将煤炭气化的装置是气化炉，有些锅炉“吃饭”很挑剔，气化炉比锅炉还难照顾，煤种适应性的问题，在气化炉中更加突出。而煤种适应性正是关系到煤气化企业经济效益的重大问题。
研究团队在循环流化床燃烧技术研发中积累的丰富经验基础上，提出了一种通过构建高浓度的碳循环回路来实现强化气化反应、控制污染物生成的技术路线，研发出了“循环流化床煤气化技术”。循环流化床煤气化炉能够在900℃的“温和”温度条件下不产生焦油和酚类，关键诀窍就是“高碳循环”：循环回路中的碳不仅是气化的原料，也是一种还原剂和催化剂，正是巧妙利用了这一点，循环流化床煤气化技术实现了温和条件下的无污染、高效气化。在持续十五年的研发中，团队开发了八大核心关键技术，形成了成熟的工艺体系，并在中科院弘光专项项目“循环流化床煤气化技术产业化”的支持下加速产业化，实现了技术产品批量工程应用。
如今拥有纯正中国科学院“血统”的循环流化床煤气化炉，已在祖国大江南北遍地开花：东部的山东、江苏，南部的广西、四川，西部的新疆、甘肃，北部的辽宁、宁夏，中部的河北、贵州，70余台套技术产品正在运行，平均每台循环流化床煤气化炉可以替代十台固定床气化炉，它们源源不断地将黑色的煤转化为清洁的工业燃气和合成气。显著提高了我国煤气化行业的环保水平。
图4 循环流化床气化装置
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结束语
让煤炭变成一种清洁的燃料，充分发挥它在新时期的能源基石作用，是工程热物理研究所循环流化床实验室团队的使命。用原创技术守护祖国的绿水青山，是我们四十年来不变的初心。我们相信，这些煤炭清洁燃烧与气化利用技术，将在服务国民经济主战场中，发挥它的巨大价值。
特别感谢
李百航 助理工程师
（中国科学院工程热物理研究所）
提供以上内容
鸣谢
中国科学院重大任务局
中国科学院工程热物理研究所
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