清潔高效氣化創(chuàng)造“煤”好未來
——記中國石油大學（華東）“低碳能源化工”研究團隊
◎? 王大勇 王敬賢
今年5月,，由中國石油大學（華東）發(fā)明,、黃臺氣化爐有限公司獨家授權加工的800噸/天第四代氣化爐-復合提升管分區(qū)氣化爐純氧氣化制燃氣裝置點火成功，標志著我國在煤炭清潔高效氣化領域實現(xiàn)重大突破,。
在此過程中,，中國石油大學（華東）教授田原宇帶領“低碳能源化工”研究團隊發(fā)明的“0到1”變革性氣化技術——粉煤復合提升管分區(qū)氣化爐技術,，首次實現(xiàn)煤清潔高效氣化和全資源高值化利用，處于國際領先水平,。
田原宇（中）教授指導中試裝置實驗
首創(chuàng)基于化學族組成的煤化學新研究體系
20多年前,，田原宇攻讀博士學位時，面對我國“富煤,、缺油,、少氣”的資源條件和煤炭單位熱值價格不到石油和天然氣1/6的能源價格，毅然選擇了當時少有人觸碰的煤化工研究方向。
“國家需要什么,，我們就研究什么,。”田原宇表示,，煤炭對于我國能源安全體系的兜底和壓艙石作用不斷加大,，也愈加凸顯了開展煤炭清潔高效利用研發(fā)的急迫性。
煤氣化是煤清潔高效利用的核心技術和龍頭技術,，但田原宇研究后發(fā)現(xiàn),，當時世界煤氣化基礎研究還處于顯微組成的宏觀水平，國內外研究人員囿于慣性思維,，仍將煤視作單一物質,。
田原宇借鑒此前學習和工作中豐富的重質油研究經驗，深入開展煤結構研究后發(fā)現(xiàn),，煤和重質油類似,，都是一種混合物，將煤視為單一物質的理論和研究方法,，已經不能滿足煤氣化創(chuàng)新研究的需要,。
基于此，田原宇率先將化學族組成研究理論和方法引入煤氣化基礎研究中,，在世界上首創(chuàng)基于化學族組成的煤化學新研究體系,，一舉將煤結構與反應性研究從宏觀水平提升到分子水平，開創(chuàng)了全新的研究領域和方向,。
這一創(chuàng)新破解了困擾國際煤化學界200多年的分子水平結構與反應性的世紀難題,，為開展煤清潔高效氣化與全資源高值化利用奠定了理論基石，指導了煤分級熱解與氣化基礎研究,、復合提升管分區(qū)氣化爐技術研發(fā)及其中試與工業(yè)示范,、工業(yè)化裝置的設計與運行。
田原宇帶領團隊將煤化工與石油化工交叉融合,，形成了獨具特色的低碳能源化工方向,。2010年，作為負責人完成的“富含腐植酸的劣質煤梯級綜合利用”研究項目獲得國家科技進步二等獎,；2020年,，作為負責人完成的“農林廢棄物快速熱解創(chuàng)制腐植酸環(huán)境材料及其應用”研究項目獲國家技術發(fā)明二等獎。
發(fā)明復合提升管分區(qū)氣化爐技術
田原宇在將煤氣化科研成果應用轉化過程中發(fā)現(xiàn),，當時廣為應用的流化床氣化技術具有備煤容易、能耗低,、投資低等優(yōu)點和碳轉化率低的缺點,，而同樣應用廣泛的氣流床氣化技術具有碳轉化率高的優(yōu)點和備煤難、能耗高,、投資高的缺點,，均未能實現(xiàn)清潔高效氣化與全資源化利用,。
能不能把二者創(chuàng)造性地結合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補,？田原宇帶著這樣的思索,，帶領團隊深入開展二者耦合研究，努力探索“流化床氣化的易備煤低能耗低投資+氣流床氣化的高碳轉化率”的優(yōu)異氣化效果,，以滿足不同煤種氣化的需求,，實現(xiàn)煤清潔高效氣化與全資源高值化利用。
田原宇原創(chuàng)提出“分區(qū)氣化”理念,，發(fā)明了復合提升管分區(qū)氣化爐裝備技術,。“簡單來說,，就是將容易氣化的煤先在提升管循環(huán)流化床里進行氣化,，將難氣化的飛灰在高氣流床進行氣化?！?/p>
“這個工藝理念,，打破了以往一股腦進行反應的舊有煤氣化方式，提高了碳轉化率,，減少了投入,，降低了能耗和污染?！眻F隊成員喬英云教授表示,。
田原宇教授團隊以此工藝發(fā)明的裝備，首次按照第二代流化床氣化和第三代氣流床氣化結構耦合的理念,，將自行研發(fā)的內循環(huán)階梯流化床,、脈沖提升管循環(huán)流化床和Y型旋流式氣流床等原創(chuàng)設備技術集成耦合，發(fā)明了“0到1”變革性的復合提升管分區(qū)氣化爐技術,。
“田老師的發(fā)明裝置在煤氣化渣高效利用上也有獨到的優(yōu)勢,。”團隊成員,、青年教師王敬賢博士介紹,，團隊面臨3000多萬噸的煤氣化渣，另辟蹊徑,、變廢為寶,，通過研制氣化渣改性全量化生產低碳水泥技術、系列腐植酸改性氣化渣修復劑技術,、大規(guī)模煤氣化渣碳灰分離關鍵裝備與技術,，實現(xiàn)氣化灰渣由“固廢”向“原料”轉變，破解煤氣化渣大規(guī)模高值資源化利用的關鍵核心技術和世界難題。
實現(xiàn)經濟社會效益雙豐收
經過20多年的科技攻關,，田原宇教授團隊研發(fā)的粉煤復合提升管分區(qū)氣化爐氣化和全資源化利用成套技術,，不論空氣氣化、還是純氧氣化,，設備都能良好運行,，氣化效率高，燃氣,、合成氣品質高,，且能耗和水耗大幅降低，灰渣大規(guī)模高值化利用前景廣闊,。
團隊研發(fā)的復合提升管分區(qū)氣化爐已在印尼,、河北、廣西,、山東等地建成投產23臺,，同時17臺氣化爐已在建設和設計中，氣化渣高值資源化利用也實現(xiàn)了工業(yè)化應用,，近3年新增經濟效益超42億元,。該項目授權發(fā)明專利35件（含美國專利8件），發(fā)表SCI/EI論文87篇,、出版專著3部,，培養(yǎng)8名博士、15名碩士,。
2021年9月5日,，中國化工學會組織專家對“中低階煤分解熱解氣化制燃氣技術研發(fā)與中試”進行了科技成果評價，中國工程院院士金涌,、孫麗麗等專家對該技術給予高度評價,，表示技術在基礎理論、工藝及其配套裝備技術等方面均取得顯著突破,，具備了開展工業(yè)示范的條件和基礎,。2023年7月6日，中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會在北京組織有關專家對該技術進行鑒定,，認為該技術“具有碳轉化率高,、節(jié)水節(jié)能等特點，總體處于國際領先水平”,。
“煤清潔高效氣化所得的燃氣,，替代天然氣，可將燃料成本降低50%以上,?！碧镌罱榻B,，復合提升管分區(qū)氣化爐裝備技術的大規(guī)模工業(yè)推廣應用,，將在降低企業(yè)用能成本的同時有效減少碳排放,。
田原宇團隊開發(fā)的這一成套技術，顯著提升了我國煤氣化技術的國際競爭力,，實現(xiàn)了煤炭的高效清潔氣化與全資源化利用,，有望解決因煤炭非清潔高效利用帶來的眾多能源與環(huán)境問題，創(chuàng)造“煤”好未來,。
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