一爐之變：為“舊”能源賦“新動(dòng)能”

龐貝 毛艷玲

它不是一臺(tái)普通的爐子。

它叫晉華爐，由清華大學(xué)清潔能源研究院和山西陽(yáng)煤集團(tuán)共同打造。

它一問世，就獲得無數(shù)嘉獎(jiǎng)和贊譽(yù)：

2016、2017、2019年石油化工行業(yè)十大國(guó)之重器、第22屆全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)金獎(jiǎng)、2017年中國(guó)氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)進(jìn)步特等獎(jiǎng)、2018年度中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)、2019年榮獲第47屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)……

它是所在專業(yè)領(lǐng)域的“網(wǎng)紅”，受到倪維斗、金涌、謝克昌等院士點(diǎn)贊，2016年投運(yùn)以來，接待300多個(gè)參觀團(tuán)，簽約轉(zhuǎn)化72套。

在環(huán)境保護(hù)日益深入人心、輿論場(chǎng)對(duì)煤炭十分不喜的當(dāng)下，這個(gè)“死磕”煤炭的爐子，為什么會(huì)受到如此多的關(guān)注和喜愛？

原因就在于它為煤炭潔凈、高效利用開辟了一條新路徑——煤氣化。

它雖沒有太上老君煉丹爐的威力，不能把肉眼凡胎煉成火眼金睛，卻可以讓煤這種大眾眼中“舊產(chǎn)能”煥發(fā)出新的能量——更清潔的能量。

它是如何具有這種神奇的轉(zhuǎn)化能力的？

請(qǐng)它的設(shè)計(jì)者、清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系教授、清華大學(xué)山西清潔能源研究院常務(wù)副院長(zhǎng)張建勝為我們一道原委。

煤氣化：能源安全定盤星，生態(tài)環(huán)境守護(hù)者

煤，經(jīng)常同這些詞產(chǎn)生關(guān)聯(lián)：黑、灰、臟、污染……

在這個(gè)關(guān)注環(huán)境保護(hù)，崇尚低碳生活的時(shí)代，煤似乎是該被遠(yuǎn)離和拋棄的。

然而，當(dāng)我們從小資生活的美好一隅走進(jìn)更為宏闊的現(xiàn)實(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)世界的真相遠(yuǎn)比想象要復(fù)雜，有些事物并不能一拋了之。

最近幾年，我國(guó)原油對(duì)外依存度就已經(jīng)從2015年的“首破60%”逼近70%大關(guān)。天然氣對(duì)外依存度也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，已經(jīng)接近50%。隨著我國(guó)北方推行的煤改氣等措施，天然氣需求仍將保持快速增長(zhǎng)，而且季節(jié)性供需矛盾依然突出。

雖有上述結(jié)構(gòu)變化，但是基于能源安全考量，我國(guó)仍力爭(zhēng)在2035年前將石油、天然氣對(duì)外依存度分別控制在70%和50%以下。

可以說，現(xiàn)在的數(shù)字已經(jīng)逼近這一臨界值。那么，后續(xù)的能源缺口應(yīng)由誰來補(bǔ)位？能補(bǔ)上嗎？如何去補(bǔ)？

答案無疑是煤，也只能是煤。

煤炭，無疑是保障我國(guó)能源安全的定盤之星。這是由我國(guó)能源資源稟賦所決定的。自然資源部數(shù)據(jù)表明，中國(guó)能源狀況依然是“富煤、貧油、少氣”。煤炭在未來一段時(shí)間內(nèi)，仍將是我國(guó)能源消費(fèi)的主體。

但是，如何利用好煤，也是亟待解決的問題。

有關(guān)資料表明，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)是形成以城市為中心的大氣污染的重要原因。排入大氣中90%的二氧化硫、70%的煙塵、85%的二氧化碳均來自于燃煤。也正因此，我們才提出了節(jié)能減排、低碳發(fā)展之路。

不過低碳不等于拋棄煤。不拋棄，那就只能另辟蹊徑，探索更好、更清潔的利用方式，這就是煤氣化。

張建勝介紹，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦決定了我國(guó)以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)，油氣保障能力較低?，F(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)能夠部分替代我國(guó)石油和天然氣的消費(fèi)量，促進(jìn)石化行業(yè)原料多元化，為國(guó)家能源安全提供戰(zhàn)略支撐，為石油安全提供應(yīng)急保障。

張建勝說，從煤炭利用方式來看，目前主要有直接燃燒、煉焦和氣化三種方式，其中以煤炭的氣化最為清潔，過程也最為復(fù)雜。與直接燃燒和煉焦等利用方式相比，煤氣化是最為清潔的煤炭利用方式。煤氣化是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心和龍頭，它不僅是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，在煉油、電力和冶金行業(yè)也有廣泛應(yīng)用，是這些行業(yè)的共性關(guān)鍵技術(shù)。煤氣化是發(fā)展煤基大宗化學(xué)品（如化肥、甲醇、烯烴、芳烴、乙二醇等）、煤基清潔燃料合成（如油品、天然氣等）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等工業(yè)的基礎(chǔ)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，清潔高效地利用煤炭資源，對(duì)于保障國(guó)家能源安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

一爐三變：保障煤炭清潔利用，打造“國(guó)之重器”

工欲善其事，必先利其器。

對(duì)煤氣化這件事來說，做得好不好，要看爐子怎么樣。

張建勝說：“從理論上講，煤氣化也是燃燒過程，比直接燃燒更容易實(shí)現(xiàn)污染物控制，還可以解決多煤種的選用問題，但當(dāng)時(shí)并沒有好的技術(shù)路線，不能將煤燒好燒凈。最大的問題是怎樣把煤里面的有害物質(zhì)處理好，減少含渣量，不要讓它留在燃燒受熱面上?！?/p>

2002年，在863項(xiàng)目的支持下，剛剛博士畢業(yè)留校不到一年的張建勝開始向煤的清潔利用這個(gè)難攻的堡壘進(jìn)發(fā)。

當(dāng)時(shí)大規(guī)模的煤氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬空白，全國(guó)僅有的4家建有這類技術(shù)的企業(yè)全部用的是國(guó)外技術(shù)。面對(duì)攔路虎，張建勝消化吸收國(guó)外技術(shù)路線所長(zhǎng)，分析它們的弊端，認(rèn)為其核心缺點(diǎn)在于燃燒噴嘴使用壽命短，只能用60天左右就要停爐更換。針對(duì)這一缺點(diǎn)，他創(chuàng)新性地提出了分級(jí)給氧的煤氣化技術(shù)路線，使噴嘴附近的溫度降下來，壽命延長(zhǎng)一倍。第一代煤氣化技術(shù)快速定型。

2003年，在山西豐喜集團(tuán)，他們開始著手建造第一代“清華爐”。2006年1月，“非熔渣—熔渣分級(jí)氣化技術(shù)”研制成功，這就是晉華爐1.0。

晉華爐1.0讓煤炭燒好、燒凈成為現(xiàn)實(shí)，并給出了水煤漿氣化裝置運(yùn)行的好成績(jī)：在豐喜集團(tuán)第一年投運(yùn)就實(shí)現(xiàn)年運(yùn)轉(zhuǎn)率高達(dá)94%，年負(fù)荷率高達(dá)120%，投資成本降低20%。第一代技術(shù)一問世就受到煤氣化技術(shù)市場(chǎng)的青睞，通過科技鑒定后，馬上有20余家用戶前去尋求合作。

運(yùn)行1年后，晉華爐1.0的短板逐步顯現(xiàn)：?jiǎn)螤t可用率低，煤種適應(yīng)性差;采用耐火磚結(jié)構(gòu)，運(yùn)行周期短，維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)且成本高。

而這些，不僅是這臺(tái)爐子的缺點(diǎn)，且是當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)煤氣化爐的共通點(diǎn)。

當(dāng)時(shí)煤氣化爐，采用的都是內(nèi)嵌耐火磚結(jié)構(gòu)，耐火磚主要起隔熱作用，成本昂貴，一臺(tái)爐子僅耐火磚的成本就需要200多萬元。而且隨著氣化爐運(yùn)行，耐火磚在高溫高壓下不斷腐蝕剝落。內(nèi)層過薄容易引起氣化爐外殼超溫，因此使用一段時(shí)間必須更換。而更換就又是100多萬的檢修費(fèi)，還要停爐養(yǎng)護(hù)兩個(gè)月，造成氣化爐可用率低。

不因司空見慣而對(duì)缺陷視若無睹，張建勝說“清華的老師就是要啃難啃的骨頭?！?/p>

平實(shí)質(zhì)樸中，難掩一絲攻艱克難的傲氣，這或許才是術(shù)業(yè)有成的科技工作者的共性。

為了解決這一問題，張建勝獨(dú)辟蹊徑地提出用水冷壁代替耐火磚。這在行業(yè)內(nèi)可以說是革命性的創(chuàng)新。

也因?yàn)檫@個(gè)看似“離經(jīng)叛道”的想法太過另類，一經(jīng)提出就被同行評(píng)價(jià)“清華的老師腦子有問題”。當(dāng)時(shí)主攻這一項(xiàng)目的只有張建勝一人，一貫合作得不錯(cuò)的合作方也給清華校領(lǐng)導(dǎo)寫信，委婉提出對(duì)于項(xiàng)目“科研力量投入不夠，希望予以重視。”

面對(duì)質(zhì)疑，張建勝?zèng)]有自我懷疑，他說“我們熱能系是專門研究燃燒的，我們有幾十年搞燃燒的經(jīng)驗(yàn)，另外我們有鍋爐水冷壁的經(jīng)驗(yàn)。我們的技術(shù)方案是結(jié)合這些經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過深入思考提出的，自信是沒有問題的，剩下的問題在于如何讓用戶相信?！?/p>

耐心細(xì)致地講原理、談經(jīng)驗(yàn)，帶客戶現(xiàn)場(chǎng)參觀石化企業(yè)大型水冷壁鍋爐，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)演示，安排博士生專門做渣流動(dòng)的支撐性研究……科學(xué)和現(xiàn)實(shí)是最有說服力的。

2011年8月，采用水煤漿水冷壁氣化技術(shù)的第二代晉華爐投用。這就是晉華爐2.0。

第一套晉華爐2.0裝置首次投料，就創(chuàng)造了安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行140天的煤化工行業(yè)氣化技術(shù)開車新紀(jì)錄。不僅為氣化爐運(yùn)行節(jié)約投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件，還擴(kuò)大了原料煤的適應(yīng)性，成功解決了水煤漿的點(diǎn)火、穩(wěn)燃和效率問題。

很快，晉華爐2.0的簽約合同數(shù)量占據(jù)了同類裝置的半壁江山。

氣化爐可以停，創(chuàng)新的腳步卻不能停下。

晉華爐2.0運(yùn)行很好，還有沒有余熱可利用？

特別多。

“之前的高溫合成氣直接過水冷卻，從1500度降到200多度，浪費(fèi)太多。我們就希望通過蒸氣發(fā)生器，把它的熱量拿回來?！睆埥▌俳榻B，國(guó)外也有類似技術(shù)，但積灰、結(jié)渣問題沒有解決，“我們就嘗試把原來的雙筒結(jié)構(gòu)改成單筒結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大通道面積，這樣就不存在積灰和結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

2016年4月1日，采用“水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發(fā)生器”技術(shù)的晉華爐3.0在陽(yáng)煤豐喜臨猗分公司一次點(diǎn)火、投料、并氣成功，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)也一次性達(dá)標(biāo)。

它就是文章開頭提到的晉華爐。

它讓煤炭清潔高效利用實(shí)現(xiàn)了重要突破，并且創(chuàng)造了兩個(gè)全球第一：一是將“水煤漿+膜式壁+輻射式蒸汽發(fā)生器”進(jìn)行組合，并成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化;二是將原氣化爐通過改造直接升級(jí)為更高效、可靠的聯(lián)產(chǎn)爐，開創(chuàng)了新型煤氣化技術(shù)改造的先河。

與前兩代爐子相比，核心部件輻射式蒸汽發(fā)生器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效避免了積灰和結(jié)渣問題;同時(shí)，通過回收高溫合成氣熱量，大大提高了能源轉(zhuǎn)換效率。

“之前使用耐火磚的爐子，開車前需要3天時(shí)間升溫，我們只需3小時(shí)就可以滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)?！睆埥▌俳榻B，晉華爐還可以不設(shè)置備用爐。“按照一條備用生產(chǎn)線計(jì)算，光這一項(xiàng)就可以節(jié)省上億元投資，而且由于爐內(nèi)水處于循環(huán)利用狀態(tài)，需水量小。此外幾乎沒有廢棄物排出，非常干凈，還可以進(jìn)行廢水處理。”

陽(yáng)煤化機(jī)董事長(zhǎng)李廣民介紹，改造后的氣化爐投煤量增加了50%;燃燒室爐內(nèi)操作溫度可以由1400度提高至1600度以上，解決了山西高灰、高硫、高灰熔點(diǎn)煤的氣化難題，煤種適應(yīng)性提高;一爐變兩爐，不僅能夠生產(chǎn)合成氣，每小時(shí)還可以生產(chǎn)約40噸5.4MPa的高溫高壓蒸汽，用于熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，每年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益3200萬元以上。

自晉華爐3.0投運(yùn)以來，到訪者更絡(luò)繹不絕。晉華爐帶動(dòng)陽(yáng)煤化機(jī)其他非標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)值增量巨大，目前已簽約72臺(tái)套。近三年來，“晉華爐”累計(jì)新增銷售額43.30億元，新增利潤(rùn)6.98億元。

與此同時(shí)，晉華爐也加快“走出去”步伐，獲得美國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞、韓國(guó)等11個(gè)國(guó)家的發(fā)明專利授權(quán)。目前，已成功出口，首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)自主煤氣化技術(shù)在海外的商業(yè)化應(yīng)用。

晉華爐代表了行業(yè)技術(shù)的世界高度。

中國(guó)工程院院士、熱能工程專家岳光溪評(píng)價(jià)，該技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為全國(guó)“三高煤”綜合利用、氣化煤實(shí)現(xiàn)本地化提供了新手段。

晉華爐打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，為煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型找到了新出路。

一爐多用：為了明天的碧水藍(lán)天

“多年以來，我們一直從事煤的清潔燃燒技術(shù)。煤進(jìn)行完全燃燒，生成二氧化碳和水。但是如果能夠生成一氧化碳和氫氣，就成為更加清潔的氣體燃料?！睆埥▌僬f。

基于這種想法，他和日漸壯大的科研團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)著煤氣化爐，這才有了一代代推陳出新的晉華爐。

走到現(xiàn)在，晉華爐繼續(xù)向前的腳步?jīng)]有停下。

2018年3月份，陽(yáng)煤豐喜集團(tuán)與清華大學(xué)等召開了晉華爐4.0項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)議。晉華爐4.0將在輻射式余熱回收廢鍋的基礎(chǔ)上，再加一個(gè)對(duì)流式廢鍋回收熱量，將比晉華爐3.0再多回收20%～30%熱量，實(shí)現(xiàn)全熱回收。

張建勝和他的團(tuán)隊(duì)將與合作單位一起，以工匠精神錘煉精品，加快晉華爐系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、大型化、成套化、信息化、智能化開發(fā)，建設(shè)晉華爐4.0示范裝置，形成國(guó)際領(lǐng)先超大規(guī)模水煤漿氣化成套技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)供合成氣、蒸汽、發(fā)電、供熱等聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，支撐我國(guó)現(xiàn)代大型煤化工產(chǎn)業(yè)和國(guó)際煤化工綠色發(fā)展。

前三代晉華爐，都是以煤為燃料。不過可以燃燒的，不只有煤。

張建勝的目光，已經(jīng)投向了難處理固體、液體廢棄物、難降解城市垃圾與生物質(zhì)。

擴(kuò)展原料多樣性，把這些廢物變成可以燃燒的氣體，減少它們對(duì)環(huán)境的占用和侵害，這一臺(tái)爐子仍大有潛力可挖。

學(xué)以致用，這是一位工程設(shè)計(jì)者的最高榮譽(yù)和歸屬。

物盡其用，這是一臺(tái)爐子的最好歸宿。