编者按
“做好碳达峰、碳中和工作”被列为今年的重点任务之一，持续提升能源利用效率是完成这项任务的重要一环。2016年，国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项启动，其取得的众多技术突破正成为实现“碳中和”目标的坚实支撑。
本版今起推出该项目优秀成果系列报道，展现该项目的攻关历程及其取得的重大突破。
煤炭梯级利用是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。然而半焦和残炭的挥发分含量很低，实现清洁高效燃烧难度很大，通常存在着火稳燃困难、燃尽率低、NOx排放高等问题。
因此，如何实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效燃烧利用，已成为我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用亟待突破的关键技术瓶颈。
科技日报记者从科技部高技术研究发展中心获悉，国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项部署的“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”项目取得重大突破——项目研发的两项技术：预热燃烧技术和电站锅炉大比例掺烧技术均已完成了工程验证。其中预热燃烧技术在35吨/小时煤粉工业锅炉上成功示范，实现了长期连续稳定运行。
低阶煤高效燃烧利用是难点
煤炭分级分质梯级利用是我国煤炭清洁高效利用技术创新的战略方向之一。“所谓分级分质梯级利用是指将部分合适的煤炭(主要是低阶煤)通过热解或气化方式转化为油和气，随之产生的副产品热解半焦和气化残炭可作为燃料发电，最终实现煤炭的清洁高效利用。”项目负责人、中国科学院工程热物理研究所原研究员李诗媛在接受科技日报记者采访时表示。
我国低阶煤储量巨大，随着煤化工技术的不断发展，低阶煤分级分质转化过程中，产生大量的副产品热解半焦(兰炭)和气化残炭，这类副产品作为高品位洁净燃料的清洁高效利用是煤炭清洁高效梯级利用产业链的重要组成部分。
“然而热解半焦和气化残炭的挥发分含量极低，实现清洁高效燃烧利用具有较大难度。但热解半焦大多具有低灰分、低硫分、高热值等特点，与原煤相比是一种清洁的燃料，如何实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效利用，已成为制约我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈，并亟待解决。”李诗媛说。
因此，国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项部署了“超低挥发分碳基燃料清洁燃烧关键技术”项目。项目为共性关键技术研发类项目，要求通过项目的研究，开发出适用于超低挥发分碳基燃料的燃烧技术和设备，并完成工程验证。
“本项目的目标是开发出适用于纯燃热解半焦及气化残炭的预热燃烧技术和适用于电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的高效低NOx燃烧技术，并完成相应的工程试验及示范，推动工业化应用。”李诗媛说。
获得掺混协同燃烧及NOx控制机理
李诗媛介绍，项目的攻关过程被分为实验室研究、中试试验和工程试验及示范3个阶段。
“与原煤相比，热解半焦及气化残炭的理化特性、燃烧特性以及污染物生成机理均发生了变化。为了更好地实现此类燃料在工业锅炉上的纯燃和在大型煤粉锅炉上的清洁高效掺烧，需要全面掌握此类燃料纯燃和掺烧的强化燃烧和污染物控制机理。”项目成员、西安交通大学副教授王长安介绍。
在实验室研究阶段，王长安指出，项目团队通过多种实验技术手段系统地研究了超低挥发分碳基燃料的煤质特征、着火特性、NOx生成机理、燃尽特性以及结渣倾向等，获得了超低挥发分碳基燃料与烟煤混燃过程中燃料氮的迁移规律及燃料氮转化协同的NOx控制机理。
“此外，我们通过数值模拟手段研究了电站锅炉大比例掺烧的燃烧组织优化技术方案，为大比例掺烧试验提供了前期的理论和技术指导。通过实验室研究工作，形成了可应用于300兆瓦(MW)等级电站煤粉锅炉掺烧45%比例以上热解半焦及气化残炭的低NOx燃烧技术方案，并成功应用于实际电站锅炉掺烧工程试验。”王长安说。
预热燃烧技术成功示范，实现稳定运行
纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧技术是本项目研发技术之一，其中预热式燃烧器是该项技术的核心关键技术。
“因此按照项目实施方案，在中试试验阶段，我们需要研制预热式燃烧器中试装置并完成燃烧器性能试验研究，为预热式燃烧器下一步在工业装置上的验证提供设计和运行依据。”项目成员、中国科学院工程热物理研究所副研究员欧阳子区说。
项目团队成功地建成了热功率16MW预热式燃烧器测试平台，针对热解半焦和气化残炭开展了一系列试验研究，获得了大量宝贵的试验数据，此阶段的研究为预热式燃烧器在35吨/小时锅炉上的稳定运行奠定了基础。
2019年预热燃烧器及预热燃烧技术在陕西煤业化工新型能源有限公司35吨/小时煤粉工业锅炉上成功示范，实现了长期连续稳定运行，该项成果当年被评为2019年煤炭科技十大新闻之首。
解决了排放及难着火与燃尽等问题
“本项目的工程试验阶段是在现役电站煤粉锅炉上开展掺烧45%比例以上半焦和气化残炭的工程化试验及示范，系统全面研究超低挥发分碳基燃料及其与典型煤种掺混后的制粉特性、燃料特性、污染物排放特性等，为大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的电站煤粉锅炉方案提供设计和运行依据。”项目成员、陕煤集团陕西长安电力有限公司总经理冯平安说。
“工程试验中，我们提出了适用于超低挥发分碳基燃料和烟煤混燃的空气多点适度逐级匹配、燃料分区燃烧、粒径优化匹配及炉膛关键特性参数耦合的低NOx燃烧方案，开发了不同类型电站煤粉锅炉大比例掺烧超低挥发分碳基燃料的低NOx高效燃烧关键技术。”冯平安说。
此后，经过分别在现役石门电厂300MW和京能宁东电厂660MW等级机组上的工程试验及示范，项目首次实现了掺烧超低挥发分半焦比例50%以上、气化残炭1%以上，锅炉各项指标均达到预期目标，验证了项目团队开发的核心关键技术，解决了此类燃料在现役电站锅炉上掺烧存在的高氮氧化物排放及难着火与燃尽等问题。
各项指标均达预期，技术应用指日可待
“目前，项目研发的两项技术：预热燃烧技术和电站煤粉锅炉大比例掺烧技术均已完成了工程验证。其中预热燃烧技术已成功在35吨/小时煤粉工业锅炉上完成了技术验证，实现了长期连续稳定运行;大比例掺烧技术分别在300MW亚临界电站煤粉锅炉和660MW超临界电站煤粉锅炉上完成了超低挥发分碳基燃料掺烧比大于50%的工程试验验证，各项指标均达到预期目标。”李诗媛说，本项目的研究成果为超低挥发分碳基燃料清洁燃烧利用提供了解决方案。
陕煤集团正在推广粉煤热解半焦与电站煤粉锅炉耦合技术。“该技术以廉价的粉煤为原料通过蓄热式下行床无热载体快速热解工艺，获得清洁半焦、煤焦油和煤气，同时，通过对半焦品质的调控，将其直接用作锅炉燃料，通过‘热焦热送’或‘熄焦远送’的方式实现热解燃烧一体化，最终实现低阶煤的清洁高效梯级利用，其中热解半焦燃烧技术为本项目研究成果。”冯平安说。
在李诗媛看来，项目之所以能取得关键突破，主要的经验是项目团队的参加单位在本领域实力强劲，并且均具有前期的研究基础;项目总体实施严格按照任务书和实施方案推进，保证重要节点和里程碑;项目团队充分的学术和技术交流。
李诗媛透露，纯燃超低挥发分碳基燃料预热燃烧技术是本项目研发的一项具有原创性的技术，该项技术已经在小容量锅炉上实现了成功应用，目前项目团队正在攻关在更大容量锅炉上应用的关键技术。
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