編者按
“做好碳達峰、碳中和工作”被列為今年的重點任務之一，持續提升能源利用效率是完成這項任務的重要一環。2016年，國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項啟動，其取得的眾多技術突破正成為實現“碳中和”目標的堅實支撐。
本版今起推出該項目優秀成果系列報道，展現該項目的攻關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。然而半焦和殘炭的揮發分含量很低，實現清潔高效燃燒難度很大，通常存在著火穩燃困難、燃盡率低、NOx排放高等問題。
因此，如何實現此類超低揮發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業化應用亟待突破的關鍵技術瓶頸。
科技日報記者從科技部高技術研究發展中心獲悉，國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項部署的“超低揮發分碳基燃料清潔燃燒關鍵技術”項目取得重大突破——項目研發的兩項技術：預熱燃燒技術和電站鍋爐大比例摻燒技術均已完成了工程驗證。其中預熱燃燒技術在35噸/小時煤粉工業鍋爐上成功示范，實現了長期連續穩定運行。
低階煤高效燃燒利用是難點
煤炭分級分質梯級利用是我國煤炭清潔高效利用技術創新的戰略方向之一。“所謂分級分質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化為油和氣，隨之產生的副產品熱解半焦和氣化殘炭可作為燃料發電，最終實現煤炭的清潔高效利用。”項目負責人、中國科學院工程熱物理研究所原研究員李詩媛在接受科技日報記者采訪時表示。
我國低階煤儲量巨大，隨著煤化工技術的不斷發展，低階煤分級分質轉化過程中，產生大量的副產品熱解半焦(蘭炭)和氣化殘炭，這類副產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業鏈的重要組成部分。
“然而熱解半焦和氣化殘炭的揮發分含量極低，實現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，與原煤相比是一種清潔的燃料，如何實現此類超低揮發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業化應用的關鍵技術瓶頸，并亟待解決。”李詩媛說。
因此，國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項部署了“超低揮發分碳基燃料清潔燃燒關鍵技術”項目。項目為共性關鍵技術研發類項目，要求通過項目的研究，開發出適用于超低揮發分碳基燃料的燃燒技術和設備，并完成工程驗證。
“本項目的目標是開發出適用于純燃熱解半焦及氣化殘炭的預熱燃燒技術和適用于電站煤粉鍋爐大比例摻燒超低揮發分碳基燃料的高效低NOx燃燒技術，并完成相應的工程試驗及示范，推動工業化應用。”李詩媛說。
獲得摻混協同燃燒及NOx控制機理
李詩媛介紹，項目的攻關過程被分為實驗室研究、中試試驗和工程試驗及示范3個階段。
“與原煤相比，熱解半焦及氣化殘炭的理化特性、燃燒特性以及污染物生成機理均發生了變化。為了更好地實現此類燃料在工業鍋爐上的純燃和在大型煤粉鍋爐上的清潔高效摻燒，需要全面掌握此類燃料純燃和摻燒的強化燃燒和污染物控制機理。”項目成員、西安交通大學副教授王長安介紹。
在實驗室研究階段，王長安指出，項目團隊通過多種實驗技術手段系統地研究了超低揮發分碳基燃料的煤質特征、著火特性、NOx生成機理、燃盡特性以及結渣傾向等，獲得了超低揮發分碳基燃料與煙煤混燃過程中燃料氮的遷移規律及燃料氮轉化協同的NOx控制機理。
“此外，我們通過數值模擬手段研究了電站鍋爐大比例摻燒的燃燒組織優化技術方案，為大比例摻燒試驗提供了前期的理論和技術指導。通過實驗室研究工作，形成了可應用于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炭的低NOx燃燒技術方案，并成功應用于實際電站鍋爐摻燒工程試驗。”王長安說。
預熱燃燒技術成功示范，實現穩定運行
純燃超低揮發分碳基燃料預熱燃燒技術是本項目研發技術之一，其中預熱式燃燒器是該項技術的核心關鍵技術。
“因此按照項目實施方案，在中試試驗階段，我們需要研制預熱式燃燒器中試裝置并完成燃燒器性能試驗研究，為預熱式燃燒器下一步在工業裝置上的驗證提供設計和運行依據。”項目成員、中國科學院工程熱物理研究所副研究員歐陽子區說。
項目團隊成功地建成了熱功率16MW預熱式燃燒器測試平臺，針對熱解半焦和氣化殘炭開展了一系列試驗研究，獲得了大量寶貴的試驗數據，此階段的研究為預熱式燃燒器在35噸/小時鍋爐上的穩定運行奠定了基礎。
2019年預熱燃燒器及預熱燃燒技術在陜西煤業化工新型能源有限公司35噸/小時煤粉工業鍋爐上成功示范，實現了長期連續穩定運行，該項成果當年被評為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
“本項目的工程試驗階段是在現役電站煤粉鍋爐上開展摻燒45%比例以上半焦和氣化殘炭的工程化試驗及示范，系統全面研究超低揮發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分碳基燃料的電站煤粉鍋爐方案提供設計和運行依據。”項目成員、陜煤集團陜西長安電力有限公司總經理馮平安說。
“工程試驗中，我們提出了適用于超低揮發分碳基燃料和煙煤混燃的空氣多點適度逐級匹配、燃料分區燃燒、粒徑優化匹配及爐膛關鍵特性參數耦合的低NOx燃燒方案，開發了不同類型電站煤粉鍋爐大比例摻燒超低揮發分碳基燃料的低NOx高效燃燒關鍵技術。”馮平安說。
此后，經過分別在現役石門電廠300MW和京能寧東電廠660MW等級機組上的工程試驗及示范，項目首次實現了摻燒超低揮發分半焦比例50%以上、氣化殘炭1%以上，鍋爐各項指標均達到預期目標，驗證了項目團隊開發的核心關鍵技術，解決了此類燃料在現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。
各項指標均達預期，技術應用指日可待
“目前，項目研發的兩項技術：預熱燃燒技術和電站煤粉鍋爐大比例摻燒技術均已完成了工程驗證。其中預熱燃燒技術已成功在35噸/小時煤粉工業鍋爐上完成了技術驗證，實現了長期連續穩定運行;大比例摻燒技術分別在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分碳基燃料摻燒比大于50%的工程試驗驗證，各項指標均達到預期目標。”李詩媛說，本項目的研究成果為超低揮發分碳基燃料清潔燃燒利用提供了解決方案。
陜煤集團正在推廣粉煤熱解半焦與電站煤粉鍋爐耦合技術。“該技術以廉價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，通過對半焦品質的調控，將其直接用作鍋爐燃料，通過‘熱焦熱送’或‘熄焦遠送’的方式實現熱解燃燒一體化，最終實現低階煤的清潔高效梯級利用，其中熱解半焦燃燒技術為本項目研究成果。”馮平安說。
在李詩媛看來，項目之所以能取得關鍵突破，主要的經驗是項目團隊的參加單位在本領域實力強勁，并且均具有前期的研究基礎;項目總體實施嚴格按照任務書和實施方案推進，保證重要節點和里程碑;項目團隊充分的學術和技術交流。
李詩媛透露，純燃超低揮發分碳基燃料預熱燃燒技術是本項目研發的一項具有原創性的技術，該項技術已經在小容量鍋爐上實現了成功應用，目前項目團隊正在攻關在更大容量鍋爐上應用的關鍵技術。
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