煤炭，堪称中国能源的“命门”。我国煤炭储量虽然丰富，但煤化程度较低的低阶煤却占了几乎半壁江山。近年来，随着能源与环境双重压力的不断升级，如何把煤炭“吃干榨净”，成为中国煤炭科技人员最紧迫的任务之一。
中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室，就是中国煤炭科技大军中的一支中坚力量。专注烧煤三十余年，最近，他们终于烧出了“大名堂”。
日前，该团队研发的预热燃烧技术实现了半焦、残炭的高效燃烧和氮氧化物的低排放，成功突破制约我国低阶煤分级转化的关键技术瓶颈。
吃干榨净 大势所趋
我国低阶煤储量接近5000亿吨，约占煤炭探明储量的42%。这类煤化程度较低的煤挥发分高、含水率高，开发利用受到诸多限制，且能源利用效率和经济性相对较低。
低阶煤含有丰富的油气成分，直接燃烧无法充分利用其资源价值，在国家能源形势如此紧张的情况下，这不啻是一种巨大的浪费。
实际上，国家已经认识到了这一点。2016年，国家发改委、能源局联合印发的《能源技术革命创新行动计划2016-2030年》，将“煤炭分级分质转化”列为煤炭清洁高效利用技术创新的战略方向；同时科技部也已将其列入国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”专项实施方案。
“低阶煤的分级利用十分必要。”中科院工程热物理所副所长吕清刚告诉《中国科学报》记者，“分级转化技术是先从低阶煤里提取出价值较高的油气，剩余的半焦或残炭作为燃料，继续燃烧发电，这样就最大程度的发挥了煤炭的利用价值。”
似乎顺着这条思路，就能把煤炭“吃干榨净”了。然而到了操作层面，一切并非想象中那么简单。
低阶煤热解或气化的副产品半焦、残炭属于“超低挥发分碳基燃料”，即挥发分含量远低于常规煤炭。采用传统技术燃烧时，会遇到着火稳燃困难、燃尽率低的难题。
“为了克服这些难题，工业上往往采取提高燃烧温度的办法，但这样做，又带来了污染物排放高的问题。”
吕清刚说的污染物，主要指的是氮氧化物。现有研究已经证实，氮氧化物是造成雾霾天气的重要因素之一，处理起来却并不容易。
要么烧不好，要么烧不净，高效与清洁，成为了一对难解的矛盾。
鱼与熊掌 如何兼得？
一项数字显示，低阶煤热解的半焦产率约为原料煤的50~70%，气化的残炭产率约为原料煤的20~30%。随着我国低阶煤分级转化产业的发展，煤气化、制焦等行业每年将产生数亿吨半焦、残炭。
“如果不能利用好这些超低挥发分燃料，将严重制约我国低阶煤分级转化产业发展。”中科院工程热物理所循环流化床实验室副主任李诗媛说。
既然传统燃烧技术走不通，从2004年起，研发团队开始“另起炉灶”，摸索一种全新的燃烧模式。他们针对超低挥发分碳基燃料，原创性地提出了一种预燃烧技术，形成新型的预热燃烧器，有别于常规的直流和旋流燃烧器。
“我们发现，燃料预热达到可燃烧温度后，反应活性会显著提高，而在燃烧室中通过分级配风控制温度分布能有效降低氮氧化物的转化率。”中科院工程热物理所副研究员朱建国说，“这就为稳定、高效、快速、清洁的燃烧提供了保障。”
2013~2016年，在中科院战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”资助下，团队将预热燃烧技术与半焦、残炭等超低挥发分燃料燃烧利用相结合，取得了显著效果。
2017年3月，经过36小时连续试验，团队在2MW预热燃烧中试装置上实现了神木半焦燃烧效率98.65%、氮氧化物原始排放浓度63mg/Nm3；气化残炭燃烧效率87.6%、氮氧化物原始排放浓度83mg/Nm3。这些数字意味着，在不降低燃烧效率的同时，两种燃料的氮氧化物原始排放浓度均远低于国家火电大气污染物排放标准，而这两种燃料的干燥无灰基挥发分仅为8%和0.7%。
至此，该团队历时十三年，完成了预热燃烧技术的机理研究、关键技术研究和中试研究，通过创新并集成燃料自预热、高温改性、无着火直接燃烧以及燃料氮析出调控等一系列关键技术，终于攻克了超低挥发分碳基燃料着火稳燃、燃尽和污染物排放控制三大难题。
产业应用 面向未来
预热燃烧技术的开发成功，打破了低阶煤分级分质转化的关键技术瓶颈，为这一链条上的最后一环——超低挥发分碳基燃料的高效清洁燃烧利用——提供了强有力的技术支撑。
目前，团队正在加紧将这项技术向工业性示范应用推进。依托试验研究成果并结合实际锅炉工程经验，预热燃烧研发团队以挥发分接近于0、热值不高于3200kcal/kg的气化残炭为设计燃料，正在广西河池开展100吨/日气化残炭锅炉工程示范项目。该示范工程目前已完成建设，预计2017年下半年正式投入运行。
事实上，这项技术还可走得更远。国家“一带一路”战略沿线有许多能源结构同样以煤为主的国家，他们同样对煤炭清洁高效利用的技术和装备充满着渴望。
吕清刚呼吁：“采用预热燃烧技术实现超低挥发分碳基燃料的高效清洁燃烧利用，将带来巨大的经济效益和环保效益，我们认为应用前景十分广阔，建议国家加大技术研发和产业化的支持力度。”
