今年1月，在印度尼西亚肯达里市的一家大型钢铁企业，两台每小时产气80000立方米的循环流化床气化炉投入运行。此前，该企业采用喷煤工艺为镍冶炼的回转窑供热，制粉与喷吹过程产生的噪声和粉尘危害操作人员健康，严重污染环境。
“采用循环流化床气化炉生产的工业燃气替代煤粉后，不仅解决了污染问题，还显著提升回转窑温度稳定性，保证产品质量，自动化作业也释放了工厂劳动力。”该气化炉研发团队带头人、中国科学院工程热物理研究所(以下简称工程热物理所)研究员吕清刚告诉《中国科学报》，“这是目前国内外单台产气量最大的循环流化床气化炉，业主对此十分满意，计划再投资建设6台同样的气化炉。”
如今，吕清刚团队研发的循环流化床煤气化(CGAS)技术在市场不断推广，可用煤种少、污染重/成本高等传统煤气化技术经常出现的难题有望不复存在。
寻求经济和环保双赢
我国煤炭资源丰富，天然气和石油则大量依赖进口，化工行业更多使用煤炭作为原料。来自麦肯锡全球研究院的调研数据显示，以合成氨和甲醇为例，天然气是大多数国家合成氨和甲醇的主要原料，而在中国约80%的合成氨和甲醇是由煤炭制成，煤化工是煤炭利用的重要方向之一。
煤的气化在煤化工中占有重要地位，是煤炭清洁高效转化利用的源头技术。20世纪80年代，工程热物理所科研团队就开始研发煤炭清洁高效燃烧利用技术。
“碳转化率低了，效率肯定不行。”吕清刚指出，煤气化反应是一个平衡反应，因此反应过程的强化对碳转化率至关重要。
当时，国内主流的气化技术是固定床气化技术和气流床气化技术，这两个技术都有各自的劣势。吕清刚解释道，固定床气化技术属于20世纪50～60年代兴起的气化技术，虽然转化率高，但是生产不连续，“一锅一锅的”，还会产生粉尘、焦油、酚水等，污染比较严重;气流床气化技术高效清洁，但成本高，主要适用于大规模生产。而我国许多气化技术用户是中小企业，它们较多采用固定床气化技术，不仅有清洁生产的需求，更有低成本的要求。
2004年，吕清刚团队开始研发CGAS技术，这也是团队从1981年成立之初就想要做的事情。
“循环流化床是很好的反应器，但当年由于技术、材料等的限制，我们先进行了循环流化床燃烧技术研发，这项技术已经成功实现大规模产业化。”吕清刚说，“进入21世纪，我们在循环流化床燃烧技术积累的基础上，决定用循环流化床来做气化。”
吕清刚还道出了CGAS技术研发的初衷：“希望解决经济和环保双赢的需求，让企业用得起、用得好。”
接受和应用新技术
“新技术向市场推广过程中遇到的最大难点是，让企业接受新事物、相信新技术。”吕清刚感叹道，“只有让企业看到技术效果好、成本低，相信技术创新能为企业带来更大的收益，它们才愿意接受和应用。”
2008年，吕清刚团队完成CGAS技术中试研究后，开始争取技术示范机会。2009年9月，第一个技术示范项目落实，经历了一年多的设计建设，2011年3月首个CGAS技术示范工程在宁夏华盈集团镁业分公司一次点火成功。随着示范工程的建成投运，CGAS技术开始获得越来越多企业的认可。
为进一步加快技术产业化，2016年工程热物理所与安徽巢湖经济开发区共同成立中科合肥煤气化技术有限公司(以下简称中合气化)。2017年以来，在中科院科技成果转移转化重点专项(弘光专项)的滚动支持下，凭借煤种适应性广、三废排放少、制气成本低等突出优势，中合气化已经建成多个规模和应用领域的示范工程，推动CGAS技术实现了在煤制清洁工业燃气和煤制合成氨原料气领域的产业化应用。
2020年，中合气化在贵州和新疆分别建设了全国首套以无烟煤和高碱煤为原料的循环流化床煤气化装置，实现了CGAS技术的又一重大突破。
无烟煤和高碱煤大规模气化利用难度很大。应用CGAS技术前，贵州宏盛化工有限公司和新疆宜化化工有限公司守着当地廉价的无烟煤和高碱煤却无法利用，只能以高出本地煤数倍的价格购买优质煤，用固定床煤气炉制备原料气，用煤成本高、能耗高、污染重。
“使用我们的技术方案，吨氨成本可以降低200~300多元。”吕清刚表示，2020年5月，贵州宏盛化工有限公司年产30万吨合成氨系统造气工段升级改造项目一期核心设备60000 m3/h循环流化床气化炉一次点火成功，仅用1台气化炉替代了原有的20台间歇式固定床，装置破解了当地无烟煤活性低、热稳定性高的难题，还消除固定床产生焦油、酚氰废水等危废的问题，推动企业节能降本。
同年9月，新疆宜化煤气化项目成功投运，3台60000 m3/h循环流化床气化炉替代了20台固定床富氧连续气化炉，实现了高碱煤的大规模气化转化利用。两个项目的成功投运，进一步验证了CGAS技术超强的煤种适应性。
目前，CGAS技术已经在氧化铝、金属镁、铸造、合成氨等多个行业的30余个用户中完成70余台(套)产业化应用，正在开展大规模煤制氢技术示范。
将煤炭“吃干榨净”
今年全国两会，“碳达峰”“碳中和”被首次写入政府工作报告，钢铁、有色冶金等高碳排放行业成为关注焦点。为此，吕清刚带领团队正在加大煤基固废处置核心关键技术的持续研发投入，希望提高煤炭清洁高效利用水平，为行业赋能。
煤气化产生的飞灰中含有残余的碳，长期以来被当作固体废弃物弃置。吕清刚团队研发了大规模资源化利用的飞灰燃烧技术，与循环流化床气化技术配合，可将煤炭资源转化为清洁煤气、工业热能和电能，而燃烧灰渣则直接建材化综合利用，最大程度将煤炭“吃干榨净”，相关项目正在有序推进中。
吕清刚希望未来在院地和所企合作中，疏通应用基础研究通往产业化道路的难点和堵点，通过技术创新，持续探索煤化工行业的清洁高效方案，提高化石能源利用率，助推煤炭清洁高效利用，为企业带来经济效益的同时，承担起助力“双碳”目标实现的社会责任。
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