一炉之变：为“旧”能源赋“新动能”

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　　它不是一台普通的炉子。
　　它叫晋华炉，由清华大学清洁能源研究院和山西阳煤集团共同打造。
　　它一问世，就获得无数嘉奖和赞誉：
　　2016、2017、2019年石油化工行业十大国之重器、第22届全国发明展览会金奖、2017年中国氮肥工业协会技术进步特等奖、2018年度中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖、2019年荣获第47届日内瓦国际发明展金奖……
　　它是所在专业领域的“网红”，受到倪维斗、金涌、谢克昌等院士点赞，2016年投运以来，接待300多个参观团，签约转化72套。
　　在环境保护日益深入人心、舆论场对煤炭十分不喜的当下，这个“死磕”煤炭的炉子，为什么会受到如此多的关注和喜爱？
　　原因就在于它为煤炭洁净、高效利用开辟了一条新路径——煤气化。
　　它虽没有太上老君炼丹炉的威力，不能把肉眼凡胎炼成火眼金睛，却可以让煤这种大众眼中“旧产能”焕发出新的能量——更清洁的能量。
　　它是如何具有这种神奇的转化能力的？
　　请它的设计者、清华大学能源与动力工程系教授、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜为我们一道原委。
　　煤气化：能源安全定盘星，生态环境守护者
　　煤，经常同这些词产生关联：黑、灰、脏、污染……
　　在这个关注环境保护，崇尚低碳生活的时代，煤似乎是该被远离和抛弃的。
　　然而，当我们从小资生活的美好一隅走进更为宏阔的现实，就会发现世界的真相远比想象要复杂，有些事物并不能一抛了之。
　　最近几年，我国原油对外依存度就已经从2015年的“首破60%”逼近70%大关。天然气对外依存度也呈现快速增长，已经接近50%。随着我国北方推行的煤改气等措施，天然气需求仍将保持快速增长，而且季节性供需矛盾依然突出。
　　虽有上述结构变化，但是基于能源安全考量，我国仍力争在2035年前将石油、天然气对外依存度分别控制在70%和50%以下。
　　可以说，现在的数字已经逼近这一临界值。那么，后续的能源缺口应由谁来补位？能补上吗？如何去补？
　　答案无疑是煤，也只能是煤。
　　煤炭，无疑是保障我国能源安全的定盘之星。这是由我国能源资源禀赋所决定的。自然资源部数据表明，中国能源状况依然是“富煤、贫油、少气”。煤炭在未来一段时间内，仍将是我国能源消费的主体。
　　但是，如何利用好煤，也是亟待解决的问题。
　　有关资料表明，以煤为主的能源结构是形成以城市为中心的大气污染的重要原因。排入大气中90%的二氧化硫、70%的烟尘、85%的二氧化碳均来自于燃煤。也正因此，我们才提出了节能减排、低碳发展之路。
　　不过低碳不等于抛弃煤。不抛弃，那就只能另辟蹊径，探索更好、更清洁的利用方式，这就是煤气化。
　　张建胜介绍，“富煤、贫油、少气”的资源禀賦决定了我国以煤为主体的能源结构，油气保障能力较低。现代煤化工产业能够部分替代我国石油和天然气的消费量，促进石化行业原料多元化，为国家能源安全提供战略支撑，为石油安全提供应急保障。
　　张建胜说，从煤炭利用方式来看，目前主要有直接燃烧、炼焦和气化三种方式，其中以煤炭的气化最为清洁，过程也最为复杂。与直接燃烧和炼焦等利用方式相比，煤气化是最为清洁的煤炭利用方式。煤气化是煤炭清洁高效转化的核心和龙头，它不仅是现代煤化工的基础，在炼油、电力和冶金行业也有广泛应用，是这些行业的共性关键技术。煤气化是发展煤基大宗化学品（如化肥、甲醇、烯烃、芳烃、乙二醇等）、煤基清洁燃料合成（如油品、天然气等）、整体煤气化联合循环发电（IGCC）、多联产系统、制氢、燃料电池等工业的基础。
　　从长远看，清洁高效地利用煤炭资源，对于保障国家能源安全、经济和社会可持续发展意义重大。
　　一炉三变：保障煤炭清洁利用，打造“国之重器”
　　工欲善其事，必先利其器。
　　对煤气化这件事来说，做得好不好，要看炉子怎么样。
　　张建胜说：“从理论上讲，煤气化也是燃烧过程，比直接燃烧更容易实现污染物控制，还可以解决多煤种的选用问题，但当时并没有好的技术路线，不能将煤烧好烧净。最大的问题是怎样把煤里面的有害物质处理好，减少含渣量，不要让它留在燃烧受热面上。”
　　2002年，在863项目的支持下，刚刚博士毕业留校不到一年的张建胜开始向煤的清洁利用这个难攻的堡垒进发。
　　当时大规模的煤气化技术在国内尚属空白，全国仅有的4家建有这类技术的企业全部用的是国外技术。面对拦路虎，张建胜消化吸收国外技术路线所长，分析它们的弊端，认为其核心缺点在于燃烧喷嘴使用寿命短，只能用60天左右就要停炉更换。针对这一缺点，他创新性地提出了分级给氧的煤气化技术路线，使喷嘴附近的温度降下来，寿命延长一倍。第一代煤气化技术快速定型。
　　2003年，在山西丰喜集团，他们开始着手建造第一代“清华炉”。2006年1月，“非熔渣—熔渣分级气化技术”研制成功，这就是晋华炉1.0。
　　晋华炉1.0让煤炭烧好、烧净成为现实，并给出了水煤浆气化装置运行的好成绩：在丰喜集团第一年投运就实现年运转率高达94%，年负荷率高达120%，投资成本降低20%。第一代技术一问世就受到煤气化技术市场的青睐，通过科技鉴定后，马上有20余家用户前去寻求合作。
　　运行1年后，晋华炉1.0的短板逐步显现：单炉可用率低，煤种适应性差;采用耐火砖结构，运行周期短，维护时间长且成本高。
　　而这些，不仅是这台炉子的缺点，且是当时业内煤气化炉的共通点。
　　当时煤气化炉，采用的都是内嵌耐火砖结构，耐火砖主要起隔热作用，成本昂贵，一台炉子仅耐火砖的成本就需要200多万元。而且随着气化炉运行，耐火砖在高温高压下不断腐蚀剥落。内层过薄容易引起气化炉外壳超温，因此使用一段时间必须更换。而更换就又是100多万的检修费，还要停炉养护两个月，造成气化炉可用率低。 　　不因司空见惯而对缺陷视若无睹，张建胜说“清华的老师就是要啃难啃的骨头。”
　　平实质朴中，难掩一丝攻艰克难的傲气，这或许才是术业有成的科技工作者的共性。
　　为了解决这一问题，张建胜独辟蹊径地提出用水冷壁代替耐火砖。这在行业内可以说是革命性的创新。
　　也因为这个看似“离经叛道”的想法太过另类，一经提出就被同行评价“清华的老师脑子有问题”。当时主攻这一项目的只有张建胜一人，一贯合作得不错的合作方也给清华校领导写信，委婉提出对于项目“科研力量投入不够，希望予以重视。”
　　面对质疑，张建胜没有自我怀疑，他说“我们热能系是专门研究燃烧的，我们有几十年搞燃烧的经验，另外我们有锅炉水冷壁的经验。我们的技术方案是结合这些经验经过深入思考提出的，自信是没有问题的，剩下的问题在于如何让用户相信。”
　　耐心细致地讲原理、谈经验，带客户现场参观石化企业大型水冷壁锅炉，搭建实验台演示，安排博士生专门做渣流动的支撑性研究……科学和现实是最有说服力的。
　　2011年8月，采用水煤浆水冷壁气化技术的第二代晋华炉投用。这就是晋华炉2.0。
　　第一套晋华炉2.0装置首次投料，就创造了安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业气化技术开车新纪录。不仅为气化炉运行节约投资及运行维护费用创造了条件，还扩大了原料煤的适应性，成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题。
　　很快，晋华炉2.0的签约合同数量占据了同类装置的半壁江山。
　　气化炉可以停，创新的脚步却不能停下。
　　晋华炉2.0运行很好，还有没有余热可利用？
　　特别多。
　　“之前的高温合成气直接过水冷却，从1500度降到200多度，浪费太多。我们就希望通过蒸气发生器，把它的热量拿回来。”张建胜介绍，国外也有类似技术，但积灰、结渣问题没有解决，“我们就尝试把原来的双筒结构改成单筒结构，扩大通道面积，这样就不存在积灰和结渣风险。”
　　2016年4月1日，采用“水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器”技术的晋华炉3.0在阳煤丰喜临猗分公司一次点火、投料、并气成功，各项设计指标也一次性达标。
　　它就是文章开头提到的晋华炉。
　　它让煤炭清洁高效利用实现了重要突破，并且创造了两个全球第一：一是将“水煤浆+膜式壁+辐射式蒸汽发生器”进行组合，并成功实现工业化;二是将原气化炉通过改造直接升级为更高效、可靠的联产炉，开创了新型煤气化技术改造的先河。
　　与前两代炉子相比，核心部件辐射式蒸汽发生器的创新设计，有效避免了积灰和结渣问题;同时，通过回收高温合成气热量，大大提高了能源转换效率。
　　“之前使用耐火砖的炉子，开车前需要3天时间升温，我们只需3小時就可以满负荷运转。”张建胜介绍，晋华炉还可以不设置备用炉。“按照一条备用生产线计算，光这一项就可以节省上亿元投资，而且由于炉内水处于循环利用状态，需水量小。此外几乎没有废弃物排出，非常干净，还可以进行废水处理。”
　　阳煤化机董事长李广民介绍，改造后的气化炉投煤量增加了50%;燃烧室炉内操作温度可以由1400度提高至1600度以上，解决了山西高灰、高硫、高灰熔点煤的气化难题，煤种适应性提高;一炉变两炉，不仅能够生产合成气，每小时还可以生产约40吨5.4MPa的高温高压蒸汽，用于热电联产发电，每年可实现经济效益3200万元以上。
　　自晋华炉3.0投运以来，到访者更络绎不绝。晋华炉带动阳煤化机其他非标产品产值增量巨大，目前已签约72台套。近三年来，“晋华炉”累计新增销售额43.30亿元，新增利润6.98亿元。
　　与此同时，晋华炉也加快“走出去”步伐，获得美国、加拿大、日本、澳大利亚、韩国等11个国家的发明专利授权。目前，已成功出口，首次实现了中国自主煤气化技术在海外的商业化应用。
　　晋华炉代表了行业技术的世界高度。
　　中国工程院院士、热能工程专家岳光溪评价，该技术已达到国际领先水平，为全国“三高煤”综合利用、气化煤实现本地化提供了新手段。
　　晋华炉打破了国外技术垄断，为煤炭产业转型找到了新出路。
　　一炉多用：为了明天的碧水蓝天
　　“多年以来，我们一直从事煤的清洁燃烧技术。煤进行完全燃烧，生成二氧化碳和水。但是如果能够生成一氧化碳和氢气，就成为更加清洁的气体燃料。”张建胜说。
　　基于这种想法，他和日渐壮大的科研团队不断创新和改进着煤气化炉，这才有了一代代推陈出新的晋华炉。
　　走到现在，晋华炉继续向前的脚步没有停下。
　　2018年3月份，阳煤丰喜集团与清华大学等召开了晋华炉4.0项目启动会议。晋华炉4.0将在辐射式余热回收废锅的基础上，再加一个对流式废锅回收热量，将比晋华炉3.0再多回收20%～30%热量，实现全热回收。
　　张建胜和他的团队将与合作单位一起，以工匠精神锤炼精品，加快晋华炉系列化、标准化、大型化、成套化、信息化、智能化开发，建设晋华炉4.0示范装置，形成国际领先超大规模水煤浆气化成套技术，率先实现供合成气、蒸汽、发电、供热等联产的产业化推广应用，支撑我国现代大型煤化工产业和国际煤化工绿色发展。
　　前三代晋华炉，都是以煤为燃料。不过可以燃烧的，不只有煤。
　　张建胜的目光，已经投向了难处理固体、液体废弃物、难降解城市垃圾与生物质。
　　扩展原料多样性，把这些废物变成可以燃烧的气体，减少它们对环境的占用和侵害，这一台炉子仍大有潜力可挖。
　　学以致用，这是一位工程设计者的最高荣誉和归属。
　　物尽其用，这是一台炉子的最好归宿。
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