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

本版今起推出該項(xiàng)目優(yōu)秀成果系列報(bào)道，展現(xiàn)該項(xiàng)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(shí)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(shí)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(bào)記者從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)部署的“超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目取得重大突破——項(xiàng)目研發(fā)的兩項(xiàng)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(yàn)證。其中預(yù)熱燃燒技術(shù)在35噸/小時(shí)煤粉工業(yè)鍋爐上成功示范，實(shí)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(diǎn)

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(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效利用。”項(xiàng)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(bào)記者采訪時(shí)表示。

我國低階煤儲(chǔ)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)浚@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(shí)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(diǎn)，與原煤相比是一種清潔的燃料，如何實(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)部署了“超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目。項(xiàng)目為共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)類項(xiàng)目，要求通過項(xiàng)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(yàn)證。

“本項(xiàng)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(yàn)及示范，推動(dòng)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(xiàng)目的攻關(guān)過程被分為實(shí)驗(yàn)室研究、中試試驗(yàn)和工程試驗(yàn)及示范3個(gè)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(shí)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(xiàng)目成員、西安交通大學(xué)副教授王長安介紹。

在實(shí)驗(yàn)室研究階段，王長安指出，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過多種實(shí)驗(yàn)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(yàn)提供了前期的理論和技術(shù)指導(dǎo)。通過實(shí)驗(yàn)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(shí)際電站鍋爐摻燒工程試驗(yàn)。”王長安說。

預(yù)熱燃燒技術(shù)成功示范，實(shí)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(xiàng)目研發(fā)技術(shù)之一，其中預(yù)熱式燃燒器是該項(xiàng)技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

“因此按照項(xiàng)目實(shí)施方案，在中試試驗(yàn)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(yàn)研究，為預(yù)熱式燃燒器下一步在工業(yè)裝置上的驗(yàn)證提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。”項(xiàng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功地建成了熱功率16MW預(yù)熱式燃燒器測試平臺(tái)，針對熱解半焦和氣化殘?zhí)块_展了一系列試驗(yàn)研究，獲得了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此階段的研究為預(yù)熱式燃燒器在35噸/小時(shí)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(shí)煤粉工業(yè)鍋爐上成功示范，實(shí)現(xiàn)了長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，該項(xiàng)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(xiàng)目的工程試驗(yàn)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?yàn)及示范，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(jì)和運(yùn)行依據(jù)。”項(xiàng)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(yàn)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(diǎn)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(yàn)及示范，項(xiàng)目首次實(shí)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，驗(yàn)證了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)預(yù)期，技術(shù)應(yīng)用指日可待

“目前，項(xiàng)目研發(fā)的兩項(xiàng)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(yàn)證。其中預(yù)熱燃燒技術(shù)已成功在35噸/小時(shí)煤粉工業(yè)鍋爐上完成了技術(shù)驗(yàn)證，實(shí)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(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。”李詩媛說，本項(xiàng)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(jià)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(shí)，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(shí)現(xiàn)熱解燃燒一體化，最終實(shí)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(xiàng)目研究成果。”馮平安說。

在李詩媛看來，項(xiàng)目之所以能取得關(guān)鍵突破，主要的經(jīng)驗(yàn)是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目總體實(shí)施嚴(yán)格按照任務(wù)書和實(shí)施方案推進(jìn)，保證重要節(jié)點(diǎn)和里程碑;項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目研發(fā)的一項(xiàng)具有原創(chuàng)性的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在小容量鍋爐上實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，目前項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)在更大容量鍋爐上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。