清洁高效气化创造“煤”好未来

　　——记中国石油大学（华东）“低碳能源化工”研究团队

　　◎  王大勇 王敬贤

　　今年5月，由中国石油大学（华东）发明、黄台气化炉有限公司独家授权加工的800吨/天第四代气化炉-复合提升管分区气化炉纯氧气化制燃气装置点火成功，标志着我国在煤炭清洁高效气化领域实现重大突破。

　　在此过程中，中国石油大学（华东）教授田原宇带领“低碳能源化工”研究团队发明的“0到1”变革性气化技术——粉煤复合提升管分区气化炉技术，首次实现煤清洁高效气化和全资源高值化利用，处于国际领先水平。

　　田原宇（中）教授指导中试装置实验

　　首创基于化学族组成的煤化学新研究体系

　　20多年前，田原宇攻读博士学位时，面对我国“富煤、缺油、少气”的资源条件和煤炭单位热值价格不到石油和天然气1/6的能源价格，毅然选择了当时少有人触碰的煤化工研究方向。

　　“国家需要什么，我们就研究什么。”田原宇表示，煤炭对于我国能源安全体系的兜底和压舱石作用不断加大，也愈加凸显了开展煤炭清洁高效利用研发的急迫性。

　　煤气化是煤清洁高效利用的核心技术和龙头技术，但田原宇研究后发现，当时世界煤气化基础研究还处于显微组成的宏观水平，国内外研究人员囿于惯性思维，仍将煤视作单一物质。

　　田原宇借鉴此前学习和工作中丰富的重质油研究经验，深入开展煤结构研究后发现，煤和重质油类似，都是一种混合物，将煤视为单一物质的理论和研究方法，已经不能满足煤气化创新研究的需要。

　　基于此，田原宇率先将化学族组成研究理论和方法引入煤气化基础研究中，在世界上首创基于化学族组成的煤化学新研究体系，一举将煤结构与反应性研究从宏观水平提升到分子水平，开创了全新的研究领域和方向。

　　这一创新破解了困扰国际煤化学界200多年的分子水平结构与反应性的世纪难题，为开展煤清洁高效气化与全资源高值化利用奠定了理论基石，指导了煤分级热解与气化基础研究、复合提升管分区气化炉技术研发及其中试与工业示范、工业化装置的设计与运行。

　　田原宇带领团队将煤化工与石油化工交叉融合，形成了独具特色的低碳能源化工方向。2010年，作为负责人完成的“富含腐植酸的劣质煤梯级综合利用”研究项目获得国家科技进步二等奖；2020年，作为负责人完成的“农林废弃物快速热解创制腐植酸环境材料及其应用”研究项目获国家技术发明二等奖。

　　发明复合提升管分区气化炉技术

　　田原宇在将煤气化科研成果应用转化过程中发现，当时广为应用的流化床气化技术具有备煤容易、能耗低、投资低等优点和碳转化率低的缺点，而同样应用广泛的气流床气化技术具有碳转化率高的优点和备煤难、能耗高、投资高的缺点，均未能实现清洁高效气化与全资源化利用。

　　能不能把二者创造性地结合起来，实现优势互补？田原宇带着这样的思索，带领团队深入开展二者耦合研究，努力探索“流化床气化的易备煤低能耗低投资+气流床气化的高碳转化率”的优异气化效果，以满足不同煤种气化的需求，实现煤清洁高效气化与全资源高值化利用。

　　田原宇原创提出“分区气化”理念，发明了复合提升管分区气化炉装备技术。“简单来说，就是将容易气化的煤先在提升管循环流化床里进行气化，将难气化的飞灰在高气流床进行气化。”

　　“这个工艺理念，打破了以往一股脑进行反应的旧有煤气化方式，提高了碳转化率，减少了投入，降低了能耗和污染。”团队成员乔英云教授表示。

　　田原宇教授团队以此工艺发明的装备，首次按照第二代流化床气化和第三代气流床气化结构耦合的理念，将自行研发的内循环阶梯流化床、脉冲提升管循环流化床和Y型旋流式气流床等原创设备技术集成耦合，发明了“0到1”变革性的复合提升管分区气化炉技术。

　　“田老师的发明装置在煤气化渣高效利用上也有独到的优势。”团队成员、青年教师王敬贤博士介绍，团队面临3000多万吨的煤气化渣，另辟蹊径、变废为宝，通过研制气化渣改性全量化生产低碳水泥技术、系列腐植酸改性气化渣修复剂技术、大规模煤气化渣碳灰分离关键装备与技术，实现气化灰渣由“固废”向“原料”转变，破解煤气化渣大规模高值资源化利用的关键核心技术和世界难题。

　　实现经济社会效益双丰收

　　经过20多年的科技攻关，田原宇教授团队研发的粉煤复合提升管分区气化炉气化和全资源化利用成套技术，不论空气气化、还是纯氧气化，设备都能良好运行，气化效率高，燃气、合成气品质高，且能耗和水耗大幅降低，灰渣大规模高值化利用前景广阔。

　　团队研发的复合提升管分区气化炉已在印尼、河北、广西、山东等地建成投产23台，同时17台气化炉已在建设和设计中，气化渣高值资源化利用也实现了工业化应用，近3年新增经济效益超42亿元。该项目授权发明专利35件（含美国专利8件），发表SCI/EI论文87篇、出版专著3部，培养8名博士、15名硕士。

　　2021年9月5日，中国化工学会组织专家对“中低阶煤分解热解气化制燃气技术研发与中试”进行了科技成果评价，中国工程院院士金涌、孙丽丽等专家对该技术给予高度评价，表示技术在基础理论、工艺及其配套装备技术等方面均取得显著突破，具备了开展工业示范的条件和基础。2023年7月6日，中国石油和化学工业联合会在北京组织有关专家对该技术进行鉴定，认为该技术“具有碳转化率高、节水节能等特点，总体处于国际领先水平”。

　　“煤清洁高效气化所得的燃气，替代天然气，可将燃料成本降低50%以上。”田原宇介绍，复合提升管分区气化炉装备技术的大规模工业推广应用，将在降低企业用能成本的同时有效减少碳排放。

　　田原宇团队开发的这一成套技术，显著提升了我国煤气化技术的国际竞争力，实现了煤炭的高效清洁气化与全资源化利用，有望解决因煤炭非清洁高效利用带来的众多能源与环境问题，创造“煤”好未来。