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清华成功打造世界水煤浆水冷壁气化技术第一

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来源: 作者: 2019-05-17 00:41:27

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图为山西阳煤丰喜肥业团体第二代“清华炉”全景。

截至2012年10月31日,由清华大学研制、中国完全自主知识产权的世界首套水煤浆水冷壁气化装置———第二代 “清华炉”在山西阳煤丰喜肥业集团自2011年8月22日投料以来,已安全、平稳运行325天,首次投料实现连续A级运行140天,不但创造了世界煤气化技术首次投料的新水平,而且创造了水煤浆气化炉连续运行的世界纪录。此次投料运行的成功,标志着我国煤气化技术走在了国际前列。

水煤浆水冷壁气化炉的问世,一举打破了国际煤气化技术的传统模式———水煤浆与耐火砖、水冷壁与干煤粉的两种技术组合,开创了新的煤气化技术路径,并成功打造出世界水煤浆水冷壁气化技术“第一炉”。

这“第一炉”不仅为中国煤气化装置装上了1颗性能优异的“中国心”,甚至可以用来改造我国早先引进的有技术瑕疵的国外气化炉,替换性能有缺点的“外国心”。在9月3日北京西郊宾馆召开的科技成果鉴定会上,业内专家兴奋地表示,“清华炉”在国际煤化工行业开创了行业先河,实现了行业理想,堪称是我国煤化工行业的“争气炉”。

从“清华炉”到“争气炉”,由我校热能系教授岳光溪院士指导、我校青年教师张建胜担纲课题主要负责人的“清华炉”科研团队,历经十余载的钻研和付出,不但在技术上获得重大突破,而且在科研成果产业化方面摸索出了一条切实可行的道路。

突破:从第一代到第二、3代——“清华炉”首次实现商业运行

世界煤气化技术从诞生至今已有近80年,不仅改写了煤直接燃烧的历史,而且更加清洁环保,成为被广泛采用的清洁利用煤炭资源的重要途径和手段。从气化装置使用的燃料形态和气固流动形式来看,煤气化走过了三个阶段:块煤固定床气化、碎煤流化床和粉煤气流床气化。

当前较为流行的粉煤气化技术包括两大类别,即水煤浆耐火砖技术与干粉水冷壁技术。但在实际运用中,无论哪种粉煤气化技术都有不尽如人意的地方,例如前者煤种适应性窄、后者存在能耗和危险性问题等。这些“老大难”问题成为煤炭清洁利用领域一道难以逾越的障碍。发达国家为何不说“垃圾是放错位置的资源”?我们可能翻译错了

我校热能系“清华炉”团队凭仗扎实的专业基础和丰富的实战经验,提出水煤浆水冷壁煤气化技术,不但充分发挥了水煤浆耐火砖和干粉水冷壁技术的全部优点,而且有效避开了不足,并在稳定性、煤种选择、系统运转率、安全性、环境污染、系统启动时间、能耗、运行周期等技术指标上获得重大突破。

曾有业内专家这样评价“清华炉”的历史意义:“煤气化炉技术的发展,是由‘较单一煤种、适用途径窄、所产气体有效成分不高、对环境有一定污染’的第一代煤气化炉技术向 ‘煤种适用范围宽、能利用劣质煤、气化效率高、所产气体有效成分高、能量利用合理、一气多用、环境友好、消耗低’的第二、3代煤气化技术发展的历史,‘清华炉’的研发具有里程碑式的意义。”

“清华炉”作为世界上首次实现商业运行的水煤浆水冷壁气化炉,成功实现了中国煤气化技术在国际上由“追赶国外”到“超越国外”的嬗变。在9月3日举行的科技成果鉴定会上,由中国工程院院士谢巧玩西溪湿地:“非主流”的畅快旅行
克昌、倪维斗、岑可法、秦裕琨等业内知名专家组成的专家委员会经过认真讨论和质询后,一致同意通过该技术鉴定。专家委员会指出:“水煤浆水冷壁清华炉煤气化技术成果具有显著创新性,具有自主知识产权,同时具有水煤浆耐火砖和干粉水冷壁气化炉的优点,综合性能优良,具有明显的经济效益和社会效益,总体技术处于国际领先水平。”

继承:从追赶到超出——继承传统,大胆创新

我国煤气化技术的发展最早可以追溯到上世纪 90年代初。山东鲁南化肥厂从美国著名的德士古公司引进了我国第一台气流床煤气化炉,并于1992年投料运行,开启了我国紧跟国际煤气化技术的步伐。此后,上海焦化厂、陕西台湾空运冬季水果在香港特卖
渭河化肥厂、安徽淮南化肥厂紧随其后,相继引进国外气化技术。21世纪初,随着生产范围逐步扩大,研发并拥有我国自主知识产权的气化技术显得尤为重要。

但一味引进国外技术,不但花费巨大,而且由于引进的并不都是完善的技术,使得我国成为国外气化技术的“试验场”。开发拥有中国自主知识产权的煤气化技术,被清华热能系团队视为义不容辞的使命与。早在水煤浆水冷壁气化技术之前,就成功开发了耐火砖结构的分级给氧煤气化工艺等。

2001年,由岳光溪领导的研究团队在取得循环流化床清洁燃烧方向上的领先地位后,认识到大规模气流床煤气化是我国下一代洁净煤技术的热点和发展方向,清华应当在该领域有所作为。鉴于清华并不具有经验优势,岳光溪大胆提出:发挥清华在热工燃烧方面的优势,将燃烧技术经验与煤化工经验结合,实现煤气化技术的突破。

尔后,岳光溪领导的课题组大胆决策,斥资百万启动研究,并任命当时刚刚留校工作的青年教师张建胜全面担纲该气化工艺的研究开发工作。

图为张建胜在调试“清华炉”设备仪器。

张建胜实验室将热能系在燃烧领域的优势转化到煤气化领域,成功申请到科技部863课题的支持,并担负课题负责人。这是历史上首次由刚刚参加工作仅半年的年轻教师担任 863课题负责人。在课题进展中,张建胜实验室取得了一系列突破,提出了氧气分级的煤气化工艺路线,成功解决了实验室基础理论、冷热态实验、数值模拟到工程应用和放大的一系列问题,并将工艺思想落脚于工程实践。直到目前为止,清华大学氧气分级煤气化工艺仍然是世界上唯一的分级给氧气流床煤气化工艺。

创新:从理论到应用——产学研连袂助力技术产业化

“紧盯工程实际,解决现有工业装置的关键问题,是我们技术研发的核心。我们的研究起点来自产业,落脚点也在产业。”从接手课题的那天起,“清华炉”团队就对把实验成果推广到工业中去、切实提高我国煤气化产业充满了期待。他们积极寻求工业界伙伴,与北京达立科科技有限公司、山西阳煤丰喜肥业(团体)有限公司共同组成了产学研一体化的团队。

2002年,张建胜课题组马不停蹄展开了一系列科研工作,在实验室建立了分级给氧煤气化炉热态实验装置,并对该工艺进行了实验验证,取得了实验上的成功。

尔后,产学研团队又联合北京航天11所、化工设计院、化工设备制造厂等各个领域的多位专家,历时三年,终究在山西阳煤丰喜集团临猗分公司建成了分级给氧煤气化炉,并以该气化炉为核心建成配套的大型甲醇工业装置,于2006年1月一次开车成功。

从热能系开始投入先进氧气流床煤气化技术的研发,到分级给氧第一代“清华炉”工业装置成功,再到水煤浆水冷壁第二代“清华炉”,整个过程有条不紊、稳步推进。热能系在短短十年间,在煤气化方面获得两项科技成果,取得省部级科技进步一等奖和行业技术进步一等奖。而来自不同单位的产学研一体化团队历时数年 “集团作战”,其背后的艰辛付出是常人难以想象的。“如果说‘清华炉’有‘秘密武器’的话,那就是产学研的密切配合,与国内最有经验的单位合作,利益共享,充分调动发挥各自优势。”张建胜深有感触地说。

这个秘密武器,不仅让“清华炉”及煤气化技术从实验室走向企业,由抽象的科学理论转化为具体的现实生产力,更使得中国煤化工摆脱国外技术控制,从“跟随者”成长为“领军者”,成为打造“中国心”的造梦工厂。

为了更好地发挥产学研优势,“清华炉”团队意想到还需要寻求更大的合作伙伴进行市场化推广。2011年,国内最大的独立工业气体供应商盈德气体公司与“清华炉”团队联姻,组建成立北京盈德清大科技有限公司,承担了之前由北京达立科科技公司负责的工作,独家经营“清华炉”煤气化技术,并成立“清华大学-盈德气体煤气化联合研究中心”。

如今,具有自主知识产权的“清华炉”煤气化技术已站在世界领先位置,并着手改造国外煤气化炉,这是在全国、乃至全世界范围内首次以一种炉型改造另外一种炉型的创举。“这项工作,今后必将有非常广阔的发展空间,我们新一代清华热能人一定不负使命。”张建胜对未来充满信心。(来源:清华)

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