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“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”被列為今年的重點任務(wù)之一，持續(xù)提升能源利用效率是完成這項任務(wù)的重要一環(huán)。2016年，國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項啟動，其取得的眾多技術(shù)突破正成為實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的堅實支撐。

本版今起推出該項目優(yōu)秀成果系列報道，展現(xiàn)該項目的攻關(guān)歷程及其取得的重大突破。

煤炭梯級利用是煤炭清潔高效利用的重要途徑之一。然而半焦和殘?zhí)康膿]發(fā)分含量很低，實現(xiàn)清潔高效燃燒難度很大，通常存在著火穩(wěn)燃困難、燃盡率低、NOx排放高等問題。

因此，如何實現(xiàn)此類超低揮發(fā)分碳基燃料的清潔高效燃燒利用，已成為我國煤炭清潔高效梯級利用產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

科技日報記者從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉，國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項部署的“超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”項目取得重大突破——項目研發(fā)的兩項技術(shù)：預(yù)熱燃燒技術(shù)和電站鍋爐大比例摻燒技術(shù)均已完成了工程驗證。其中預(yù)熱燃燒技術(shù)在35噸/小時煤粉工業(yè)鍋爐上成功示范，實現(xiàn)了長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

低階煤高效燃燒利用是難點

煤炭分級分質(zhì)梯級利用是我國煤炭清潔高效利用技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向之一。“所謂分級分質(zhì)梯級利用是指將部分合適的煤炭(主要是低階煤)通過熱解或氣化方式轉(zhuǎn)化為油和氣，隨之產(chǎn)生的副產(chǎn)品熱解半焦和氣化殘?zhí)靠勺鳛槿剂习l(fā)電，最終實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用。”項目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院工程熱物理研究所原研究員李詩媛在接受科技日報記者采訪時表示。

我國低階煤儲量巨大，隨著煤化工技術(shù)的不斷發(fā)展，低階煤分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品熱解半焦(蘭炭)和氣化殘?zhí)?，這類副產(chǎn)品作為高品位潔凈燃料的清潔高效利用是煤炭清潔高效梯級利用產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分。

“然而熱解半焦和氣化殘?zhí)康膿]發(fā)分含量極低，實現(xiàn)清潔高效燃燒利用具有較大難度。但熱解半焦大多具有低灰分、低硫分、高熱值等特點，與原煤相比是一種清潔的燃料，如何實現(xiàn)此類超低揮發(fā)分碳基燃料的清潔高效利用，已成為制約我國煤炭清潔高效梯級利用產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并亟待解決。”李詩媛說。

因此，國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點專項部署了“超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”項目。項目為共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)類項目，要求通過項目的研究，開發(fā)出適用于超低揮發(fā)分碳基燃料的燃燒技術(shù)和設(shè)備，并完成工程驗證。

“本項目的目標(biāo)是開發(fā)出適用于純?nèi)紵峤獍虢辜皻饣瘹執(zhí)康念A(yù)熱燃燒技術(shù)和適用于電站煤粉鍋爐大比例摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料的高效低NOx燃燒技術(shù)，并完成相應(yīng)的工程試驗及示范，推動工業(yè)化應(yīng)用。”李詩媛說。

獲得摻混協(xié)同燃燒及NOx控制機(jī)理

李詩媛介紹，項目的攻關(guān)過程被分為實驗室研究、中試試驗和工程試驗及示范3個階段。

“與原煤相比，熱解半焦及氣化殘?zhí)康睦砘匦?、燃燒特性以及污染物生成機(jī)理均發(fā)生了變化。為了更好地實現(xiàn)此類燃料在工業(yè)鍋爐上的純?nèi)己驮诖笮兔悍坼仩t上的清潔高效摻燒，需要全面掌握此類燃料純?nèi)己蛽綗膹?qiáng)化燃燒和污染物控制機(jī)理。”項目成員、西安交通大學(xué)副教授王長安介紹。

在實驗室研究階段，王長安指出，項目團(tuán)隊通過多種實驗技術(shù)手段系統(tǒng)地研究了超低揮發(fā)分碳基燃料的煤質(zhì)特征、著火特性、NOx生成機(jī)理、燃盡特性以及結(jié)渣傾向等，獲得了超低揮發(fā)分碳基燃料與煙煤混燃過程中燃料氮的遷移規(guī)律及燃料氮轉(zhuǎn)化協(xié)同的NOx控制機(jī)理。

“此外，我們通過數(shù)值模擬手段研究了電站鍋爐大比例摻燒的燃燒組織優(yōu)化技術(shù)方案，為大比例摻燒試驗提供了前期的理論和技術(shù)指導(dǎo)。通過實驗室研究工作，形成了可應(yīng)用于300兆瓦(MW)等級電站煤粉鍋爐摻燒45%比例以上熱解半焦及氣化殘?zhí)康牡蚇Ox燃燒技術(shù)方案，并成功應(yīng)用于實際電站鍋爐摻燒工程試驗。”王長安說。

預(yù)熱燃燒技術(shù)成功示范，實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行

純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料預(yù)熱燃燒技術(shù)是本項目研發(fā)技術(shù)之一，其中預(yù)熱式燃燒器是該項技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

“因此按照項目實施方案，在中試試驗階段，我們需要研制預(yù)熱式燃燒器中試裝置并完成燃燒器性能試驗研究，為預(yù)熱式燃燒器下一步在工業(yè)裝置上的驗證提供設(shè)計和運(yùn)行依據(jù)。”項目成員、中國科學(xué)院工程熱物理研究所副研究員歐陽子區(qū)說。

項目團(tuán)隊成功地建成了熱功率16MW預(yù)熱式燃燒器測試平臺，針對熱解半焦和氣化殘?zhí)块_展了一系列試驗研究，獲得了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù)，此階段的研究為預(yù)熱式燃燒器在35噸/小時鍋爐上的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2019年預(yù)熱燃燒器及預(yù)熱燃燒技術(shù)在陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司35噸/小時煤粉工業(yè)鍋爐上成功示范，實現(xiàn)了長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，該項成果當(dāng)年被評為2019年煤炭科技十大新聞之首。

解決了排放及難著火與燃盡等問題

“本項目的工程試驗階段是在現(xiàn)役電站煤粉鍋爐上開展摻燒45%比例以上半焦和氣化殘?zhí)康墓こ袒囼灱笆痉?，系統(tǒng)全面研究超低揮發(fā)分碳基燃料及其與典型煤種摻混后的制粉特性、燃料特性、污染物排放特性等，為大比例摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料的電站煤粉鍋爐方案提供設(shè)計和運(yùn)行依據(jù)。”項目成員、陜煤集團(tuán)陜西長安電力有限公司總經(jīng)理馮平安說。

“工程試驗中，我們提出了適用于超低揮發(fā)分碳基燃料和煙煤混燃的空氣多點適度逐級匹配、燃料分區(qū)燃燒、粒徑優(yōu)化匹配及爐膛關(guān)鍵特性參數(shù)耦合的低NOx燃燒方案，開發(fā)了不同類型電站煤粉鍋爐大比例摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料的低NOx高效燃燒關(guān)鍵技術(shù)。”馮平安說。

此后，經(jīng)過分別在現(xiàn)役石門電廠300MW和京能寧東電廠660MW等級機(jī)組上的工程試驗及示范，項目首次實現(xiàn)了摻燒超低揮發(fā)分半焦比例50%以上、氣化殘?zhí)?%以上，鍋爐各項指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，驗證了項目團(tuán)隊開發(fā)的核心關(guān)鍵技術(shù)，解決了此類燃料在現(xiàn)役電站鍋爐上摻燒存在的高氮氧化物排放及難著火與燃盡等問題。

各項指標(biāo)均達(dá)預(yù)期，技術(shù)應(yīng)用指日可待

“目前，項目研發(fā)的兩項技術(shù)：預(yù)熱燃燒技術(shù)和電站煤粉鍋爐大比例摻燒技術(shù)均已完成了工程驗證。其中預(yù)熱燃燒技術(shù)已成功在35噸/小時煤粉工業(yè)鍋爐上完成了技術(shù)驗證，實現(xiàn)了長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;大比例摻燒技術(shù)分別在300MW亞臨界電站煤粉鍋爐和660MW超臨界電站煤粉鍋爐上完成了超低揮發(fā)分碳基燃料摻燒比大于50%的工程試驗驗證，各項指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。”李詩媛說，本項目的研究成果為超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒利用提供了解決方案。

陜煤集團(tuán)正在推廣粉煤熱解半焦與電站煤粉鍋爐耦合技術(shù)。“該技術(shù)以廉價的粉煤為原料通過蓄熱式下行床無熱載體快速熱解工藝，獲得清潔半焦、煤焦油和煤氣，同時，通過對半焦品質(zhì)的調(diào)控，將其直接用作鍋爐燃料，通過‘熱焦熱送’或‘熄焦遠(yuǎn)送’的方式實現(xiàn)熱解燃燒一體化，最終實現(xiàn)低階煤的清潔高效梯級利用，其中熱解半焦燃燒技術(shù)為本項目研究成果。”馮平安說。

在李詩媛看來，項目之所以能取得關(guān)鍵突破，主要的經(jīng)驗是項目團(tuán)隊的參加單位在本領(lǐng)域?qū)嵙?qiáng)勁，并且均具有前期的研究基礎(chǔ);項目總體實施嚴(yán)格按照任務(wù)書和實施方案推進(jìn)，保證重要節(jié)點和里程碑;項目團(tuán)隊充分的學(xué)術(shù)和技術(shù)交流。

李詩媛透露，純?nèi)汲蛽]發(fā)分碳基燃料預(yù)熱燃燒技術(shù)是本項目研發(fā)的一項具有原創(chuàng)性的技術(shù)，該項技術(shù)已經(jīng)在小容量鍋爐上實現(xiàn)了成功應(yīng)用，目前項目團(tuán)隊正在攻關(guān)在更大容量鍋爐上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。