CGAS技術(shù)：講好中國煤炭故事

眼看著(zhù)塊煤價(jià)格飆升至1000元/噸，甘肅金昌蘭石氣化技術(shù)有限公司總經(jīng)理范飛暗自慶幸：要不是找到了中科院的新技術(shù)，企業(yè)的煤氣化業(yè)務(wù)恐難維持。

9月底，新項目投入運營(yíng)，隨著(zhù)技術(shù)升級、成本下降，“嗷嗷待哺”的下游企業(yè)終于有機會(huì )扭虧脫困。

同樣將命運寄希望于這一技術(shù)的還有貴州安順宏盛化工有限公司?？偨?jīng)理孫向明告訴《中國科學(xué)報》：塊煤價(jià)格飆升、環(huán)保標準不斷提高，企業(yè)已無(wú)退路，但技術(shù)升級卻面臨著(zhù)采用國外技術(shù)四五億元的改造成本。關(guān)鍵時(shí)刻，聽(tīng)說(shuō)采用中科院的技術(shù)僅需1億元，他們就這樣慕名而來(lái)。

這一“救命稻草”般的技術(shù)就是中科院工程熱物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“工程熱物理所”)研發(fā)的循環(huán)流化床煤氣化(CGAS)技術(shù)。

甘肅金昌千噸級循環(huán)流化床加壓煤氣化示范項目 工程熱物理所供圖

給國產(chǎn)煤更大的舞臺

甘肅金昌，地處河西走廊中段，因發(fā)現鎳礦而設企設市，是一座典型的資源型工礦城市。近幾年，金昌市著(zhù)力加快傳統產(chǎn)業(yè)高端化、低碳化、智能化改造。2015年，塊煤價(jià)格上漲使得煤化工企業(yè)難以為繼，更凸顯產(chǎn)業(yè)升級的必要性。

正是在這一節骨眼上，2016年，千噸級循環(huán)流化床加壓煤氣化示范項目作為金昌市重點(diǎn)招商引資項目落地，由蘭石集團和工程熱物理所聯(lián)合開(kāi)發(fā)，以污染小、成低本的循化流化床技術(shù)替代高污染、高成本的固定床氣化技術(shù)。

沒(méi)想到，工程剛建完，意外就來(lái)了：由于國家政策調整，原計劃的新疆廣匯煤無(wú)法使用，更換為本地低階粉煤，灰分由15%上升到25%。

這令企業(yè)措手不及，工程熱物理所的技術(shù)團隊卻十分淡定。

“CGAS技術(shù)煤種適應性強，最大的特點(diǎn)是不挑煤，更換煤種只需要重新校核計算，改變操作參數，不管源頭怎么波動(dòng)，都能保證下游穩定。”工程熱物理所研究員朱治平告訴《中國科學(xué)報》。

項目負責人、工程熱物理所循環(huán)流化床實(shí)驗室主任呂清剛則表示：“高灰分、高熔點(diǎn)、高水分等傳統技術(shù)氣化不了、氣化不好的煤，我們也能搞得定。”

敢攬瓷器活，必有金剛鉆。這種自信來(lái)源于占領(lǐng)了技術(shù)制高點(diǎn)。

我國煤的特點(diǎn)是復雜多樣、煤質(zhì)較差，比較難利用的低階粉煤比例高達55%。但在傳統認知中，煤氣化只能用反應活性好的煤，低階粉煤被拒之門(mén)外。

循環(huán)流化床實(shí)驗室卻未止步于此，他們提出：從科學(xué)和技術(shù)上看，量大面廣的低階粉煤能否從“死刑”中出列?

以此為重要課題，實(shí)驗室突破傳統認知，經(jīng)過(guò)十多年攻關(guān)，如今，不管是新疆高堿煤還是貴州高灰分煤，甚至印尼高含水褐煤都可用于CGAS技術(shù)。這意味著(zhù)，僅這一項就能節省超過(guò)1/3的運行成本。

初秋時(shí)節，《中國科學(xué)報》記者來(lái)到位于金昌市河西堡化工循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園的項目現場(chǎng)，同不少傳統煤氣站的臟亂差不同，這里干凈整潔，僅有風(fēng)機水泵的噪音提醒人們工程正在運行。

“現在看來(lái)這套系統煤種適應性極強，完全達到了設計指標。”范飛松了口氣。

據悉，這是國內首套循環(huán)流化床加壓煤氣化系統，全過(guò)程自動(dòng)化，節水節能，干凈環(huán)保，每年可為企業(yè)節約成本約5000萬(wàn)元，減排含酚廢水近10萬(wàn)噸。

十年磨一劍

之所以能處理復雜多變的煤種，訣竅就在“循環(huán)”兩字上。

所謂“循環(huán)”流化床，是指在這一系統中構建大規模的物料循環(huán)，使氣化爐中始終含有高濃度物料，保證氣化反應高效進(jìn)行。據介紹，CGAS系統中，物料保持在60~100倍循環(huán)。也就是說(shuō)，加入1噸煤，爐里至少有60噸固體物料在循環(huán)反應。

要實(shí)現這么高效的循環(huán)，任何一個(gè)環(huán)節都不能掉鏈子。因此朱治平說(shuō)：“循環(huán)流化床是一項系統工程。”

CGAS系統由氣化爐、分離器、返料器等部分組成，啟動(dòng)后整個(gè)回路都處在高溫高壓之下，并要在1000℃連續運行超過(guò)一年。系統內沒(méi)有機械轉動(dòng)部件，全部依靠操作參數調節。高溫煤氣出來(lái)之后，還有余熱回收、布袋除塵、飛灰熔融等環(huán)節。任何一個(gè)環(huán)節出錯，都會(huì )導致工程停產(chǎn)。

這樣的高難度，使得技術(shù)模仿者望而卻步。

“我走到哪都主動(dòng)宣傳，因為這是真正能‘循環(huán)’起來(lái)的流化床技術(shù)。”煤炭科學(xué)研究總院研究員曲思建評價(jià)稱(chēng)。

“通過(guò)集體智慧，實(shí)現別人實(shí)現不了的效果，是我們團隊的核心價(jià)值所在。”朱治平說(shuō)。

常壓固定床氣化技術(shù)規模小、自動(dòng)化程度低，污染嚴重，部分爐型已被國家明令禁止新建。呂清剛指出，煤種適應性強、清潔高效、低成本的煤氣化技術(shù)是市場(chǎng)迫切而重大的需求。

1981年就已成立的循環(huán)流化床實(shí)驗室瞄準這三大目標，從2002年開(kāi)始CGAS技術(shù)開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)十多年的系統研究和工業(yè)示范，形成了針對不同工業(yè)行業(yè)需求的系列產(chǎn)品。漸漸地，CGAS技術(shù)從被市場(chǎng)推著(zhù)走發(fā)展到引領(lǐng)行業(yè)變革和升級。

例如，在對燃料氣成本十分敏感的氧化鋁行業(yè)，粉煤氣化有2/3為CGAS技術(shù)產(chǎn)品，全國最大的兩家氧化鋁生產(chǎn)商都選用CGAS技術(shù)替代固定床氣化爐，每年節約成本數億元，且解決了困擾公司多年的環(huán)保問(wèn)題。

“業(yè)內只要說(shuō)到循環(huán)流化床技術(shù)，不可能不想到工程熱物理所。”西安交通大學(xué)教授車(chē)得福表示。

目前，CGAS技術(shù)已有70臺套工業(yè)應用，其中投運30套，設備產(chǎn)值33億元，煤氣產(chǎn)值超過(guò)100億元;全部投運后，可替代固定床氣化爐660臺，每年減排含焦油和酚的廢水260萬(wàn)噸，利用低階粉煤超過(guò)900萬(wàn)噸;成套裝備還走出國門(mén)，出口印尼，服務(wù)于“一帶一路”沿線(xiàn)國家。

但這只是冰山一角。呂清剛表示，固定床氣化爐改造市場(chǎng)巨大，目前僅改造了不到5%。

向煤化工規?；~進(jìn)

氨是化肥工業(yè)和有機化工的主要原料，全世界每年產(chǎn)量1億噸以上。歷史上，合成氨是三獲諾貝爾獎的“高大上”技術(shù)，現實(shí)中卻是污水排放的“老大難”工業(yè)。

“從美麗中國的角度，合成氨工業(yè)必須要用循環(huán)流化床改造。”曲思建表示，我國建材、鋼鐵、焦化等工業(yè)領(lǐng)域的規模都是世界第一，超低排放是大勢所趨，CGAS技術(shù)潛力巨大。

我國煤質(zhì)較差，如何清潔高效利用低階粉煤?呂清剛表示，煤氣化技術(shù)是源頭，可將固體煤轉化為氣體煤之后再進(jìn)入工業(yè)燃氣和合成氣領(lǐng)域。2017年我國有約8億噸煤氣化后廣泛用于鋼鐵、冶金、化工、建材、合成氨等領(lǐng)域。據預測，直至2030年，我國每年仍有約8億噸煤炭須通過(guò)轉化利用。

面對這樣龐大的市場(chǎng)，呂清剛表示，計劃到2020年規?；M(jìn)入傳統煤化工領(lǐng)域，同時(shí)開(kāi)拓煤制氫等現代煤化工應用。

既然走到市場(chǎng)上，再高大上的技術(shù)也必須接地氣。為了落實(shí)成果轉化，工程熱物理所與地方政府合資設立中科合肥煤氣化技術(shù)有限公司。在中科院弘光專(zhuān)項支持下，截至2018年底，在以粉煤為原料生產(chǎn)清潔工業(yè)燃氣的市場(chǎng)中，CGAS技術(shù)的市場(chǎng)占有率已達到65.3%。

車(chē)得福表示，技術(shù)永遠在進(jìn)步，不可能一步到位，希望團隊能繼續將技術(shù)向極致發(fā)展。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所黨委書(shū)記黃從利表示，作為從中科院走出去的技術(shù)，公司要創(chuàng )新思路和管理模式，把好技術(shù)推廣出去造福人民，讓地方經(jīng)濟有所得。

對循環(huán)流化床實(shí)驗室來(lái)說(shuō)，則要講好一個(gè)煤炭故事。“中國要繼續發(fā)展，實(shí)現中國夢(mèng)，不可避免還要使用煤炭，我們的任務(wù)就是幫助工業(yè)領(lǐng)域清潔高效地用好煤，加強國家能源安全，守護祖國青山綠水。”呂清剛說(shuō)。