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新技术助力煤炭变身清洁能源

国际燃气网  来源:中国科学报  作者:廖洋  日期:2018-08-20
    在世界能源结构中,煤炭资源的消费量约占30%,几大能源机构均认为,在未来五十年煤炭将继续是世界的主要能源之一。我国“富煤少油贫气”,这进一步决定了能源结构在我国未来相当长的时期内仍以煤为主。目前我国煤炭产量的80%以上用于直接燃烧提供能量,但煤炭组成复杂且含有诸多有害元素和大量灰分,其燃烧产生的烟气排放是当前大气污染形成的主要因素之一,使得当前能源消费“去煤化”已由思潮演变为行动。
 
    中国石油大学教授田原宇对记者表示:“煤炭并不一定是‘肮脏的能源’。能源‘洁净’与否,必须与利用技术联系在一起。”田原宇认为,煤炭气化后燃气燃烧能够有效降低过剩空气系数从而提高其使用效率,借助燃气低成本净化大幅度降低烟气的污染排放指数,降低企业用能成本,从而提高煤炭使用的清洁性、经济性和便利性。
 
    经过多重设计和改进,田原宇带领低碳能源团队开发出了适于利用中高挥发分烟煤和褐煤等中低级煤的分级热解气化技术(CPG)。日前,山东金沂蒙集团公司为了实现企业用能、化工原料和发电的清洁高效环保,响应山东省新旧动能转化的号召,正与低碳能源团队合作建设500吨/天CPG气化技术的工业示范,以期为我国煤炭清洁高效转化利用树立行业标杆。
 
    清洁高效,煤炭燃气化研究的痛点
 
    “燃气品质的标准有两个。”田原宇介绍:一是燃气热值要满足现有用户需求且稳定,以提高后续利用系统的效率;二是燃气中基本不含焦油,以减少后处理系统的复杂性。
 
    而现有燃气型气化技术,例如移动床气化(BGL)、输送床气化(TRIG)等,均存在碳转化率不足,生成较大量的焦油以及含酚废水排放等问题,成为制约固体煤炭燃气化技术推广应用的瓶颈。
 
    因此,如何将目前我国占煤炭资源80%以上的中高挥发分烟煤和褐煤,通过适当的气化方式,生产满足今后相当长时间窑炉和燃气轮机水平火焰温度要求的燃气,实现中低阶煤炭资源的清洁高效燃烧利用,提高煤炭作为燃料在化石能源中的竞争力,成为目前我国煤炭清洁高效利用研究和开发的热点和难点,也成为田原宇及其团队成员们惦念的研究目标。
 
    稳扎稳打,团队逐步突破技术瓶颈
 
    煤气化制取燃气的成本仅为同热值天然气价格的不到1/3 ,燃烧效率和烟气清洁度高于天然气,能够大幅度降低工矿企业清洁用能成本,有效提高企业产品的市场竞争力,低成本解决“煤改气”的难题,确保打赢“蓝天保卫战”。为此,田原宇为带头人的低碳能源团队,从2000年起,在中国工程院院士谢克昌的指导下,按照化学相似性,通过创建具有普适性的煤可溶化和化学族组分分离体系,利用化学族组分深入探究煤的结构与反应性,解析煤热转化的基本热解反应,提出热解初始反应机理和路径,构建了煤化学分子水平研究理论体系,为煤高效清洁转化利用打下坚实的理论基础。
 
    在该研究理论的指导下,2001年,团队设计了提升管循环流化床煤转化装置,通过湍流床和提升管结构耦合,强化了热解焦的气化或燃烧过程,解决了提升管有效反应区小的难题。2006年,自混合下行循环流化床快速热解装置实现了3000吨/年煤、生物质、油砂、油页岩快速热解液化或提炼工业中试。2007年和2009年,分别建成投产两套2万吨/年生物质自混合下行循环流化床快速热解液化工业示范装置。2012年,又建成投产了国际上最大规模的20万吨/年生物质自混合下行循环流化床快速热解液化工业化装置,完成了3000吨/年复合流化气化炉利用低阶煤、生物质、生活垃圾分级热解气化制燃气的工业中试,表明该技术为工业燃气、整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)和煤制天然气技术提供了有效利用中低阶煤(中高挥发分烟煤和褐煤)的理想方案。
 
    国际领先,新技术优势明显
 
    目前国际主要的粉煤燃气型技术包括输运床气化技术(TRIG),以及鲁奇移动床气化技术(Lurgi)。前者由美国KBR和南方电力公司共同开发,代表了燃气型气化国际先进水平。后者在国内外的大规模工业化中应用最为广泛。
 
    田原宇对记者说:“在燃气热值方面,我们比美国第三代IGCC所用的TRIG气化技术要高,日本笏来电厂所用的普通循环流化床气化比我们要落后。”燃气型CPG气化技术为干粉碎煤进料、干渣排放、粗合成气废锅流程的多种流态化结构耦合分级热解气化技术,田原宇称,其生产过程中“基本没有煤焦油产生,灰渣分离,残留在灰中的炭可以回收利用,进而提高碳的利用率;只有渣干法外排,不产生含盐废水和含酚废水”。
 
    据田原宇介绍,该技术适合处理高水分、高灰分、中高挥发分的中低阶煤,而现有的大部分气化技术难以对低阶煤进行有效处理和高效转化,具有原料优势。同时,使用专有的干粉泵输送系统进料来代替通常需要频繁维护的水煤浆喷嘴或烧嘴以及干渣换热外排,无须设置备炉。该技术单位截面积处理能力比普通流化床气化提高1倍以上,最高单炉处理量可达5000吨/天。对于IGCC发电项目,可以带来很大的规模经济优势。此外,还可根据下游生产要求选择空气气化或氧气气化模式,利用气化余热裂解粉煤和焦油则降低了氧煤比,生产的有效组分富含甲烷、不含焦油,适宜于煤制天然气生产。
 
    田原宇及其团队开发的复合流化气化炉分级热解气化技术(CPG),凭借其高碳转化率、高燃气热值、低污染排放、低能耗利用的优势特点,打破了工业燃气、IGCC和煤制天然气技术方面对于中低阶煤利用的瓶颈,能够生产出基本满足各种工业窑炉和今后五十年内燃气轮机水平对火焰温度要求的燃气,实现中低阶煤炭资源的清洁高效利用,提高煤炭燃料在国家能源结构改革发展中的竞争力,对我国能源结构的调整和环境污染的改善具有重要意义。
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