发布机构: 山西省科学技术厅 发布日期: 2022-03-08 11:20:58

李广民:“双碳”背景下煤气化技术和装备制造的发展趋势分析

实现“碳达峰、碳中和”,是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策,是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择,是构建人类命运共同体的庄严承诺,是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。

我国石油、天然气资源匮乏,煤炭储量相对丰富,在未来相当长时间内,煤炭在能源消费结构中仍将占主导地位,2020年我国煤炭消费占能源消费总量的56.8%。随着“碳达峰、碳中和”愿景目标的提出,煤炭行业前所未有地站在了风口浪尖,将直面新变革、新挑战。习近平总书记在国家能源集团榆林化工有限公司调研时强调,“煤炭作为我国主体能源,要按照绿色低碳的发展方向,对标实现碳达峰、碳中和目标任务,立足国情、控制总量、兜住底线,有序减量替代,推进煤炭消费转型升级”。推进煤炭消费转型升级,要准确理解认识习近平总书记重要讲话精神,找准煤炭能源的产业定位,在杜绝盲目一刀切的前提下,推动煤炭消费在控制总量的同时提质增效,着力提高煤炭能源的供给质量和效率,着力提升煤炭关键技术的研发创新能力,着力做好煤炭的清洁化利用

煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术。改革开放以来,我国煤气化技术在基础研究、技术开发、工程示范、工业应用等方面均取得了长足进步,开发的多种煤气化技术也实现了工业应用,成功开发了具有完全自主知识产权的晋华炉热回收煤气化技术、四喷嘴大型水煤浆气化技术,实现了我国带废锅流程热回收及大型煤气化技术零的突破,使我国煤气化技术完成了从跟跑、并跑到领跑的跨越,有效支撑了现代煤化工行业的快速发展。基于此,本文就双碳背景下,煤气化技术和装备的创新发展思路提出自己的一些观点:

一、要进一步拓宽煤气化装置的煤种适应性

不同的煤气化技术对煤品有不同的要求,包括水分、灰熔点、挥发分、灰分、黏结性、化学活性、成浆性能、成渣特性、机械强度和热稳定性等,煤品的性质不同会对气化结果产生不同的影响,但目前没有能广泛适应于各类煤品的煤气化技术。因此,未来煤气化技术在进行配煤时,应根据周边环境和实际情况科学选择配煤技术,科学进料。在对气化炉进行充分研究的前提下,合理改进气化炉,扩大混合煤和单一煤种在气化炉中的应用范围,为后续运行环节添加相关装置设施,为气化炉稳定运行奠定相应基础。

二、要有效提升煤气化装置的能源转化效率

结合当前国内能源环保的实际情况,节能降耗将成为未来煤气化技术的主攻方向。提升煤炭气化转化率,降低气化炉氧气、煤炭、水等相关能耗比例是有效提升煤气化效率的主要措施,因此加强对气化炉在煤气化过程中高温余热的回收利用,持续研发其它能量的回收技术成为了研究重点,如回收煤气过程中的高温高湿热量;提高输送密度,利用CO2输送煤气,减少后期煤气干燥环节;采用液态方式进行碎煤渣排放,回收废水中的有机成分。

目前,以晋华炉(3.0)为代表的水煤浆水冷壁废锅气化炉实现了热能技术、煤化工技术和装备制造及智能控制技术的跨学科结合,通过独特的高效辐射式传热元件回收合成气显热,使气化炉在生产合成气的同时副产高品质蒸汽,形成合成气/蒸汽联产炉,提高了煤炭原料的利用效率,经济效益明显,相当于每吨原料煤能副产1吨高品质蒸汽。(煤价若1000元/吨,则增值200元;1500吨级/日耗气化炉为例,则可副产蒸汽1500吨,年增值9900万元),

三、要进一步推进装置的大型化和智能化

大型化和智能化的煤气化装置占地面积较少、设施装置先进、投资成本低,符合化工企业未来的发展方向,更与我国环保节能趋势相匹配,因此是现代化煤气化发展的重要标志。其中实现气化炉大型化的根本途径在于通过过程强化,提高气化炉单位体积处理能力,研究掌握煤颗粒在气化炉内的反应时间,将秒级反应时间降到更低的合理时间,同时在原料制备、输送、烧嘴喷头喷射角度、气化炉气化室有效反应空间等方面进行深入研究。在智能化探索方面,随着数值模拟理论和计算机性能的提升,数值仿真技术在气化炉系统的设计中得到了广泛应用,但煤气化过程是一个复杂的热化学反应,由于高温、高压反应条件的限制,无法完全获得真实的气化炉内情况,因此煤气化数值模拟仿真仍需持续发展以适应研究和开发的需求。其中流体力学仿真模拟的精度主要受限于化学反应动力学参数的准确性和模型网格数量密度,故还需在实践中不断积累各煤种、反应条件下的动力学数据;有限元和流固耦合模拟方法目前仅能应用于局部微观结构的仿真,对整个系统的研究还有欠缺,有待进一步深化研究。

当前,晋华炉(3.0)正在建设从营销订单、生产计划、设计工艺、材料采购、产品制造及各环节检验等产品全生命周期的管理系统,信息流通过企业资源计划(ERP)、制造单元制造执行系统(MES)协同集成接口,实现全生命周期的共享应用,提高了产品产出效率,大幅度提升了产品质量。

四、探索煤气化岛集约化供气模式

随着煤气化技术的快速发展、工业园区(大型企业)规模的不断扩大以及相关产业的更替和优化升级,以专业化经营的煤气化岛为工业园来应对煤质变化、实现工业气体大量稳定供应、集中解决煤炭利用与环境影响问题已经成为趋势。气化岛根据服务群体规模分为企业级和园区级,根据供气成分分为合成气型和工业燃气型,依据服务行业又可分为化工型(炼油/煤化工/其他化工等)和其他工业型(陶瓷/建材/水泥等)。对用气企业供气实现宽口径普适的气化岛模式,以其具有的规模化、专业化、灵活性优势,实现生产运行高效集约、生产服务统一调度,避免了企业分散建设导致的小规模装置重复建设的弊端,有利于园区统筹协调和长远发展。

总之,随着“碳达峰、碳中和”的深入,相信越来越多的学者和企业会不断加大煤气化领域的应用基础研究,对关键技术进行攻关,以此打通从煤气化原料、工艺、装备研究、中试验证到产业孵化的全流程产业技术创新体系,形成完整的技术供应链,增强煤气化技术的核心竞争力,构建和完善煤气化商业模式的创新服务体系,从而形成高效、环保、经济和安全的国际领先煤气化系统,为煤化工事业的绿色低碳转型发展做出新示范。


供稿人:李广民 煤化工压力容器山西省重点实验室高级专家

潞安化工机械(集团)有限公司董事长、正高级工程师


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