3月28日晚上7點多，中國科學院工程熱物理研究所廊坊研發基地5號廠房內燈火通明，2兆瓦預熱燃燒中試裝置上的實驗研究已經連續進行了36個小時。
控制室里，科研人員緊張地盯著電腦顯示屏。“半焦燃燒效率98．65％，氮氧化物排放63mg／Nm3。比上一個燒殘炭的氮氧化物排放83mg／Nm3更低！”隨著該所循環流化床實驗室副研究員朱建國興奮地報出經過反復核算確認的結果，大家齊聲歡呼。
他們意識到，這些數據意味著研究了13年的預熱燃燒技術已經實現半焦、殘炭的高效燃燒和氮氧化物的低排放，多年來制約我國低階煤分級轉化的關鍵技術瓶頸得到突破。
一個難以突破的領域
低階煤是一種比較“年輕”的煤，由于其煤化程度低，加熱后可產生較多的油氣，因此是煤炭梯級利用中的重要利用對象。
低階煤的利用價值有多大？據了解，我國煤炭年消耗量約為40億噸，其中低階煤約占50％。如果這些低階煤全部熱解，可提取出約10％的焦油，相當于每年增加2億噸石油，可替代50％左右的進口原油。此外，低階煤還可以通過氣化，生產工業燃氣或合成氣、天然氣。然而，伴隨著油氣，同時產生的還有10億噸半焦和殘炭。這部分半焦和殘炭由于被提取了油氣，揮發分往往低于10％甚至5％，其著火和燃盡十分困難，實現燃燒低排放更是天方夜譚。
“如果半焦和殘炭利用不好，低階煤分級轉化將無法做下去。”中科院工程熱物理研究所副所長呂清剛說，“對于塊煤產生的熱解半焦，以前人們通常拿去做電石原料，但市場很小，吃不完。”
低階煤的分級利用，意義很大，但難度很高，讓不少研究者望而生畏。如何處理揮發分5％以下的半焦和殘炭，不僅是我國低階煤分級轉化的關鍵技術瓶頸，也是一道世界難題。
“我們一開始也跟著國內外最前沿的思路走，即采用高溫空氣燃燒技術，先把空氣加熱，再將煤加進去燃燒。”呂清剛說，“但我們發現，這種方式對于特別難燒的煤不起作用。因為空氣不僅熱容很小，還會因為流動帶走部分熱量。”
據了解，最早的高溫空氣燃燒技術來自鋼鐵行業。鋼坯加熱過程多采用高溫空氣預熱，但這項技術運用到煤炭行業時，由于加熱主體不同，特別是煙氣中帶有顆粒和細灰，空氣蓄熱式換熱器極易堵塞，無法實際應用。“我們在德國、日本相關領域做交流時發現，他們目前所做的實驗都未取得成功。”呂清剛說。
難點如何突破？如何才能實現低揮發分燃料的穩定燃燒與清潔排放？尋求突破需另辟蹊徑。
呂清剛的思路回溯到最基本的燃燒三要素上：可燃物、氧氣和溫度。
“如果不先加熱空氣，而是先加熱燃料呢？”突如其來的想法讓呂清剛頗為興奮，“一般焦炭的著火點是700℃，如果我們先把燃料加熱到800℃至900℃，這時再通空氣，就可以直接燃燒，且不存在穩定性的問題了。”
據此，2004年，呂清剛所在的中科院工程熱物理研究所循環流化床實驗室率先提出了燃料預熱燃燒概念，繼而申請了發明專利并獲授權。這是燃燒方式的重大轉變，從理論上突破了常規的加熱、著火和燃燒方式，使煤粉在燃燒器中預熱至溫度高于著火點、預熱燃料在爐膛中實現高效清潔燃燒。
一項從零做起的實驗
“理念發生了改變，國內外均沒有可借鑒經驗，所有的東西都要從頭做起。”呂清剛說。
新的燃燒理論提出，關鍵的問題隨之而來：如何用低成本的方式把燃料加熱到800℃至900℃？
“國內現存等離子體電弧、微波等加熱方法，但特別耗電，成本過高。”呂清剛說，“我們提出了一個低成本的想法，即讓燃料燒掉自己的一部分（5％至10％），將自己加熱，當煤的吸熱量與燃燒的釋放量達到平衡時，就實現了穩定加熱。”
朱建國是呂清剛2004年招收的博士生，也是預熱燃燒概念提出后，主攻該方向的第一個博士生。
“還記得當時開題立項，我查閱了國內外相關文獻，發現國外最多就是探討預熱空氣，但對于預熱煤炭，從來沒有人做過。”朱建國回想起當時的情境，記憶猶新，“我也沒多想，只是覺得這個理論可行，那就試試吧。”
2004年至2012年，在國家自然科學基金和所長基金的資助下，實驗室建設了30千瓦預熱燃燒實驗平臺，開展機理實驗研究，掌握煤粉預熱機制、預熱燃料燃燒機理和煤N遷移轉化規律。
“從新想法產生到設計出第一個實驗臺，是最困難的階段。”呂清剛說，“一會兒這個管子燒漏了，一會兒那個管子結焦了，一會兒給粉又出了問題。我們曾一度認為，這個實驗可能做不下去了。”
回想第一次實驗成功，是10多年前的一天下午，實驗數據顯示，實驗臺采用預熱粉煤的方式，實現了穩定運行。“當時大家都非常興奮。”朱建國說，“雖然實驗臺規模很小，但足以說明，這種燃燒方式是可行的，也為后來的實驗研究明晰了方向。”
2013年至今，在中科院戰略性先導專項“低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示范”的資助下，實驗室加大了預熱燃燒中試、放大和工程示范研發力度，先后在廊坊研發基地建設了0．2兆瓦、0．4兆瓦和2兆瓦預熱燃燒實驗平臺。
從0．2兆瓦到2兆瓦，放大的過程中，會遇到結構、運轉、穩定性等各種問題。“逢山開路，遇水架橋。遇到問題就解決問題。”呂清剛說。
團隊的眼光沒有僅僅停留在把低階煤吃干榨凈上。在呂清剛看來，煤炭分質利用，不僅要把不好燒的煤燒掉，還要燒得清潔。
以前的煤炭利用是先污染、再治理。難燃煤種燃燒后氮氧化物的排放量達到600mg／Nm3至1000mg／Nm3，需要加上尾部脫硝裝置來處理，處理后依然不能實現超低排放。采用預熱燃燒的方法后，煤粉活性提高，可以在爐內實現均勻、充分燃燒，氮氧化物本身的生成就很少。
今年3月，以半焦、殘炭為燃料開展的多次實驗均顯示氮氧化物排放低于100mg／Nm3，意味著預熱燃燒技術取得了中試成功。“這讓我們吃了定心丸。”呂清剛說，“從既有經驗來看，從中試過渡到工業實驗階段，還需1年到2年的時間。”
一場沒有下班的科研
數年前一個周五的傍晚，朱建國在實驗室里做完了熱態實驗的全部準備工作，負責實驗室管理的實驗師已經下班了。按照部門規定，實驗師不在場，不可以擅自啟動熱態實驗。
急于看到實驗結果的朱建國圍著實驗臺轉來轉去，最后還是忍不住啟動了熱態實驗。隨著爐膛溫度的逐漸升高，朱建國看到，一根耐溫1500℃的不銹鋼管下方開始滴鋼水。原來是溫度沒有控制好，把鋼管燒化了。
“那個時候滿腦子都是實驗的事情，著了魔一樣成天都在想著做實驗。”朱建國回想起來有些不好意思，“后來還被實驗室通報批評了。”
“我們這里有句話叫‘科研是沒有下班的’。”中科院工程熱物理研究所循環流化床實驗室主任助理高鳴說，“團隊里的科研人員，最不缺的就是這種執著精神。”
高鳴告訴記者，預熱燃燒的理論不是來自團隊一瞬間的靈感，而是不斷思考的結果。“呂老師腦子就一直沒閑過，邊走路邊思考問題，曾被車撞過兩回。”
從2004年理論提出，到今年3月中試成功，歷時13年。
從30千瓦，到0．2兆瓦，到0．4兆瓦，到2兆瓦，再到未來的14兆瓦，科研成果在一步步走向工業應用。
從最初一個人的想法，到兩個人的實驗，再到今天十人左右的核心技術團隊，預熱燃燒方向的科研力量在逐漸壯大。
呂清剛告訴記者，示范項目計劃在今年年底或明年年初確定落實。目前，用戶使用、鍋爐設備生產等事宜都在洽談之中。
工業上爭取實現超低排放，機理上的研究工作也沒有停止。“目前的氮氧化物排放在100mg／Nm3以下，未來我們想降到50mg／Nm3以下，不再需要尾部脫硝裝置，直接實現超低排放，讓煤炭成為清潔能源。”呂清剛說，“也許會花上5年，或者更長時間。”
據介紹，預熱燃燒技術突破了燃料高效燃燒與低氮氧化物排放的相互制約關系，一旦投入市場，前景將十分廣闊。
一方面，可用于低階煤分級轉化產生的超低揮發分燃料的燃燒利用。低階煤熱解的半焦產率為原料煤的50％左右，氣化的殘炭產率為原料煤的20％左右。隨著我國低階煤分級轉化產業的發展，煤熱解、氣化、制焦等行業每年將產生數億噸半焦、殘炭，預熱燃燒技術可充分利用這些原先難以處理和利用的超低揮發分燃料。另一方面，可用于無煙煤等低揮發分煤的燃燒利用，大幅降低氮氧化物排放。
不僅如此，這種預熱燃燒鍋爐還可用于常規煤種的燃燒，且對煤種無要求。
“這是目前最大的市場。我國燃煤工業鍋爐超過50萬臺，年消耗煤炭超過6億噸，70％的燃煤鍋爐為鏈條爐，平均效率僅為65％，污染物排放超標且難以監督。”呂清剛說，“我們的技術投入使用后，可替代現有的落后裝備，提供燃燒效率高、污染物排放低的技術產品，市場容量超過千億元量級。”
當被問及此項裝置的名稱時，一心撲在技術研發上的團隊成員們表示還未考慮過。“不就叫清潔高效預熱燃燒鍋爐嗎？”朱建國根據裝置的性能，一本正經地當場取了名字。話音剛落，就被其他成員大笑著否決了：“名字太復雜，走向市場不易被記住。”
（轉自中科院工程熱物理研究所網站）
