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CGAS技术:讲好中国煤炭故事
字号:[    ] 发布时间:2019-10-28 10:24:31 来源:中国科学报
  眼看着块煤价格飙升至1000元/吨,甘肃金昌兰石气化技术有限公司总经理范飞暗自庆幸:要不是找到了中科院的新技术,企业的煤气化业务恐难维持。

  9月底,新项目投入运营,随着技术升级、成本下降,“嗷嗷待哺”的下游企业终于有机会扭亏脱困。

  同样将命运寄希望于这一技术的还有贵州安顺宏盛化工有限公司。总经理孙向明告诉《中国科学报》:块煤价格飙升、环保标准不断提高,企业已无退路,但技术升级却面临着采用国外技术四五亿元的改造成本。关键时刻,听说采用中科院的技术仅需1亿元,他们就这样慕名而来。

  这一“救命稻草”般的技术就是中科院工程热物理研究所(以下简称“工程热物理所”)研发的循环流化床煤气化(CGAS)技术。

  给国产煤更大的舞台

  甘肃金昌,地处河西走廊中段,因发现镍矿而设企设市,是一座典型的资源型工矿城市。近几年,金昌市着力加快传统产业高端化、低碳化、智能化改造。2015年,块煤价格上涨使得煤化工企业难以为继,更凸显产业升级的必要性。

  正是在这一节骨眼上,2016年,千吨级循环流化床加压煤气化示范项目作为金昌市重点招商引资项目落地,由兰石集团和工程热物理所联合开发,以污染小、成低本的循化流化床技术替代高污染、高成本的固定床气化技术。

  没想到,工程刚建完,意外就来了:由于国家政策调整,原计划的新疆广汇煤无法使用,更换为本地低阶粉煤,灰分由15%上升到25%。

  这令企业措手不及,工程热物理所的技术团队却十分淡定。

  “CGAS技术煤种适应性强,最大的特点是不挑煤,更换煤种只需要重新校核计算,改变操作参数,不管源头怎么波动,都能保证下游稳定。”工程热物理所研究员朱治平告诉《中国科学报》。

  项目负责人、工程热物理所循环流化床实验室主任吕清刚则表示:“高灰分、高熔点、高水分等传统技术气化不了、气化不好的煤,我们也能搞得定。”

  敢揽瓷器活,必有金刚钻。这种自信来源于占领了技术制高点。

  我国煤的特点是复杂多样、煤质较差,比较难利用的低阶粉煤比例高达55%。但在传统认知中,煤气化只能用反应活性好的煤,低阶粉煤被拒之门外。

  循环流化床实验室却未止步于此,他们提出:从科学和技术上看,量大面广的低阶粉煤能否从“死刑”中出列?

  以此为重要课题,实验室突破传统认知,经过十多年攻关,如今,不管是新疆高碱煤还是贵州高灰分煤,甚至印尼高含水褐煤都可用于CGAS技术。这意味着,仅这一项就能节省超过1/3的运行成本。

  初秋时节,《中国科学报》记者来到位于金昌市河西堡化工循环经济产业园的项目现场,同不少传统煤气站的脏乱差不同,这里干净整洁,仅有风机水泵的噪音提醒人们工程正在运行。

  “现在看来这套系统煤种适应性极强,完全达到了设计指标。”范飞松了口气。

  据悉,这是国内首套循环流化床加压煤气化系统,全过程自动化,节水节能,干净环保,每年可为企业节约成本约5000万元,减排含酚废水近10万吨。

  十年磨一剑

  之所以能处理复杂多变的煤种,诀窍就在“循环”两字上。

  所谓“循环”流化床,是指在这一系统中构建大规模的物料循环,使气化炉中始终含有高浓度物料,保证气化反应高效进行。据介绍,CGAS系统中,物料保持在60~100倍循环。也就是说,加入1吨煤,炉里至少有60吨固体物料在循环反应。

  要实现这么高效的循环,任何一个环节都不能掉链子。因此朱治平说:“循环流化床是一项系统工程。”

  CGAS系统由气化炉、分离器、返料器等部分组成,启动后整个回路都处在高温高压之下,并要在1000℃连续运行超过一年。系统内没有机械转动部件,全部依靠操作参数调节。高温煤气出来之后,还有余热回收、布袋除尘、飞灰熔融等环节。任何一个环节出错,都会导致工程停产。

  这样的高难度,使得技术模仿者望而却步。

  “我走到哪都主动宣传,因为这是真正能‘循环’起来的流化床技术。”煤炭科学研究总院研究员曲思建评价称。

  “通过集体智慧,实现别人实现不了的效果,是我们团队的核心价值所在。”朱治平说。

  常压固定床气化技术规模小、自动化程度低,污染严重,部分炉型已被国家明令禁止新建。吕清刚指出,煤种适应性强、清洁高效、低成本的煤气化技术是市场迫切而重大的需求。

  1981年就已成立的循环流化床实验室瞄准这三大目标,从2002年开始CGAS技术开发,经过十多年的系统研究和工业示范,形成了针对不同工业行业需求的系列产品。渐渐地,CGAS技术从被市场推着走发展到引领行业变革和升级。

  例如,在对燃料气成本十分敏感的氧化铝行业,粉煤气化有2/3为CGAS技术产品,全国最大的两家氧化铝生产商都选用CGAS技术替代固定床气化炉,每年节约成本数亿元,且解决了困扰公司多年的环保问题。

  “业内只要说到循环流化床技术,不可能不想到工程热物理所。”西安交通大学教授车得福表示。

  目前,CGAS技术已有70台套工业应用,其中投运30套,设备产值33亿元,煤气产值超过100亿元;全部投运后,可替代固定床气化炉660台,每年减排含焦油和酚的废水260万吨,利用低阶粉煤超过900万吨;成套装备还走出国门,出口印尼,服务于“一带一路”沿线国家。

  但这只是冰山一角。吕清刚表示,固定床气化炉改造市场巨大,目前仅改造了不到5%。

  向煤化工规模化迈进

  氨是化肥工业和有机化工的主要原料,全世界每年产量1亿吨以上。历史上,合成氨是三获诺贝尔奖的“高大上”技术,现实中却是污水排放的“老大难”工业。

  “从美丽中国的角度,合成氨工业必须要用循环流化床改造。”曲思建表示,我国建材、钢铁、焦化等工业领域的规模都是世界第一,超低排放是大势所趋,CGAS技术潜力巨大。

  我国煤质较差,如何清洁高效利用低阶粉煤?吕清刚表示,煤气化技术是源头,可将固体煤转化为气体煤之后再进入工业燃气和合成气领域。2017年我国有约8亿吨煤气化后广泛用于钢铁、冶金、化工、建材、合成氨等领域。据预测,直至2030年,我国每年仍有约8亿吨煤炭须通过转化利用。

  面对这样庞大的市场,吕清刚表示,计划到2020年规模化进入传统煤化工领域,同时开拓煤制氢等现代煤化工应用。

  既然走到市场上,再高大上的技术也必须接地气。为了落实成果转化,工程热物理所与地方政府合资设立中科合肥煤气化技术有限公司。在中科院弘光专项支持下,截至2018年底,在以粉煤为原料生产清洁工业燃气的市场中,CGAS技术的市场占有率已达到65.3%。

  车得福表示,技术永远在进步,不可能一步到位,希望团队能继续将技术向极致发展。

  中国科学院工程热物理研究所党委书记黄从利表示,作为从中科院走出去的技术,公司要创新思路和管理模式,把好技术推广出去造福人民,让地方经济有所得。

  对循环流化床实验室来说,则要讲好一个煤炭故事。“中国要继续发展,实现中国梦,不可避免还要使用煤炭,我们的任务就是帮助工业领域清洁高效地用好煤,加强国家能源安全,守护祖国青山绿水。”吕清刚说。

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