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中国化工报9月11日报导:谱写中国煤化工产业发展新篇章
谱写中国煤化工产业发展新篇章
 
——产学研三方合作开发清华炉纪实
 
                                 作者:王集堂 李炜       文章来源:中国化工报      2009-9-11   第8版
 
  2009年下半年,尤其是进入8月份后,北京达立科科技有限公司几乎喜讯不断:
     一是从中国氮肥工业协会传来消息,由北京达立科科技有限公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司联合研发的经济型气流床分级气化技术,被中国氮肥工业协会评为“氮肥行业振兴支撑技术”。
     二是9月初,在2009年度中国石油和化学工业协会科学技术奖评审会上,经济型气流床分级气化技术的核心清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)(以下简称为清华炉)被评为“科技进步一等奖”。
     三是前不久,北京达立科科技有限公司被北京市科学技术委员会等认定为“高新技术企业”。
     接踵而至的好消息让北京达立科科技有限公司(以下简称为达立科科技公司)的员工们振奋不已,也使清华炉再次成为业内关注的焦点。
     我国拥有完全自主知识产权的清华炉由达立科科技公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司共同研究并申请专利,2002年得到国家“863”计划项目支持,2006年1月第一套工业装置在山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司临猗分公司顺利投产,并于2007年通过中国石油和化学工业协会组织的专家现场考核。该技术的成功推广,对于改变我国在煤化工核心技术领域长期依靠国外技术的局面,具有里程碑式的意义。 
五大特点使清华炉脱颖而出
     当前,在世界性油气短缺,特别是我国多煤少油的能源形势下,我国的煤气化技术正在步入发展的快车道。面对这样一个大市场,世界上种种成熟的、不成熟的,甚至带有明显缺陷的煤气化技术纷纷挤入中国,形成了一个时期以来,煤气化技术市场你争我夺的“战国时代”。
     但使用国外技术设备,耗资巨大且受制于人。
     正是在这种背景下,由北京达立科科技公司、清华大学和山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司联手开发、具有自主知识产权的清华炉脱颖而出。作为清洁能源利用技术,它解决了千百年来煤炭利用过程中的环境污染问题和多煤种的选用问题,从而为后石油时代的来临做了相当实际的技术准备。它不但增强了我国大容量煤气化炉在煤化工应用领域的竞争力,为打破国外技术垄断局面提供了利器,也为国内数量众多的中小型化工及化肥企业的技术升级与改造,提供了一个技术水平高、低成本的选择。
     从2007年10月至今,历经两年的运行实践和考核,结果表明,作为我国煤化工领域的重要创新成果,清华炉的优越性十分明显:
     ——完全自主知识产权。该技术从开发伊始就十分注重知识产权问题。在技术方案形成之初,他们就广泛研究国内外相关专利,进行分析比对,确认该技术不仅从外形上,而且从化学反应过程上都有别于其他已有的技术。
     ——工业装置运行稳定,具有领先水平。自该技术的第一套工业装置首次开车(2006年1月)至组织考核(2007年10月)止,自然天数637天,运行天数603天,运行率达94.6%,装置的稳定性达到了同行业先进水平。
     ——装置技术水平先进。核心技术的突破,系统技术的集成,使得该技术具备优良的技术特性,主烧嘴寿命达到106天,超过国外同类技术一倍。有效气体成分提高1%~2%,比氧耗、比煤耗优于国外同类技术。
    ——洁净的煤转化技术,保证了装置的环境友好。高温气化性能保证了固、液洁净排放,特别是将渣水的多点排放改为集中排放更使生产现场清洁美观。
     ——较高的性价比为用户提供了更好的选择。核心技术的突破,流程的优化,设备国产化的科学选择,使得清华炉与国内外同规模装置相比,可节约投资20%以上。
    正是这五大特点使该技术在煤气化技术市场上摘取了“氮肥行业振兴支撑技术”的桂冠。10年甘苦,他们走过了专利方案研究、申请授权、数学模型开发、冷态试验、热态试验、工艺包设计、工业装置设计和建设直至开车投运的整个过程。正如所料,清华炉的成功,很快引起国内外同行的关注,引起了几乎被国外公司垄断的中国煤气化技术市场一次不小的震动。英国BP公司的专家到现场参观时,表示“非常震惊”,没想到中国有如此优秀的煤气化技术。考核鉴定后开始市场推广,到2009年4月,短短20个月,已有5套清华炉气化装置投入建设……
    是什么铺就了新技术的成功之路?
强大、稳定、开放的开发团队
     在清华炉开发的产学研团队中,达立科科技公司、清华大学、山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司3方各有所长,在传统工业技术的开发和应用方面都积累了大量经验,由此形成了这个团队在开发工业技术上的先天优势。
    达立科科技公司是一个多年从事技术开发的专业公司,公司既有国内多年从事石化工作的老专家,也有近年成长起来的技术新秀。他们与清华大学和山西阳煤丰喜肥业集团组成的团队完成的大颗粒尿素制备新技术在国内迅速推广,与国外技术同台竞争,不仅以自主知识产权技术建成了16套工业装置,还为引进国外技术的企业创造了压低引进费用的条件。以该公司为主推出的煤气化技术方案,其成功的实践证明,达立科科技公司是一个成功的创新型技术企业。
     清华大学热能系的热能工程学科是国家级重点学科,先后承担了3个国家“973”计划项目,同时还承担国家自然科学基金、“863”计划、科技攻关等项目及有关部委和国内外企业的科研合作项目。清华大学早在上世纪80年代就开始了煤气化基础动力学的理论和实验研究,并在自备电厂进行了焦载热煤气化的中试研究。他们紧跟国际煤气化的研究发展方向,在高温高压纯氧气流床煤气化方面进行了大量研究和设备投入,先后引进了煤气化动力学研究必需的TGA、高温TGA、高压TGA等设备,并自行设计开发了模拟气流床气化炉的加压沉降炉系统,为开发具有自主知识产权的气流床煤气化技术奠定了基础,并创造了良好的条件。
     山西阳煤丰喜肥业(集团)股份有限公司创立于1998年,是一个集化工、化肥、化机制造为一体的国家大型煤化工企业,2006年跃居全国化工企业50强。清华炉实施单位临猗分公司是一个以煤为原料,拥有30万吨/年合成氨、52万吨/年尿素、25万吨/年甲醇生产能力的企业,技术实力雄厚。多年的煤化工实践经验,使丰喜人对新技术高度敏感。为解决原有固定床气化装置原料价格高等问题,他们认真研究比较国内外煤气化技术,选中了清华炉这个尚在襁褓中的新技术,加入了开发团队。
    这样一个各具特色的产学研相结合的开发团队,从组成之初就在制度上保证了三方责、权、利关系明晰。近10年来,他们精诚合作,杜绝工作中的内耗,成为一台近乎完美的“大马力高效发动机”。 
    而在这台“大马力高效发动机”之外,更有国内很多同业专家、企业参与了开发,为新技术的成功奉献了汗水和智慧。 
    ——在工程实施阶段,新技术的设计是一个难题。开发团队将这副重担交给了中京工程设计软件技术有限公司,还特别邀请了石化行业高水平的老专家担当设计负责人,突破了工程设计关。 
    ——在煤气化技术中,烧嘴是关键设备。在项目开发初期,开发团队分析认为,外国公司一般将烧嘴作为专利设备打包销售,引进费用昂贵,因此要自行开发烧嘴。而国内航天十一所有这方面的专长,在燃烧器的设计和制造方面已经取得了很大成就。于是开发团队登门拜访,与航天十一所的燃烧器专家共同攻关。最终,主烧嘴、二次给氧喷嘴、激冷室水雾化喷嘴的设计和制造问题一一得到解决。 
    ——原料煤制备是煤气化的龙头。开发团队调研发现国家水煤浆工程中心在煤制浆方面水平更高,更具实力,就主动邀请水煤浆工程中心参加到清华炉的项目中。现在双方达成在水煤浆气化方面煤浆制备技术排它的互相支持协议。双方合作开发的“级配制浆技术”在同等条件下,可提高煤浆浓度4%左右,并且可以降低煤浆的平均颗粒度,在气化过程中增加反应物表面积,对气化反应更加有利。 
    正是这种“产学研一体开发团队+企业间的联手合作”具有中国特色的技术开发模式,大大加快了清华炉成功的步伐。                
科学、严谨、求实的创新精神
     技术创新,特别是工业技术创新,离不开严谨的科学态度。对已有的工程技术要认真研究学习,对前人的技术成果认真消化吸收,这是清华炉开发团队一直抱有的诚恳态度。 
    例如,在研究、学习分级给风立式旋风炉工程生产经验的过程中,研发团队发现立式旋风炉在空气条件下常压熔渣燃烧,可以直接观察炉内熔渣流淌和对炉壁形成的渣保护状况,由此总结得到的二次给风的作用以及对炉内燃烧状况的影响对清华炉的研发产生了重大的意义,这种运行多年的热工行业的分级给风立式旋风炉成为清华炉研究团队研究问题的“标本”。在技术开发的起步阶段,国内外已有多套水煤浆气化装置投入运行,这些装置的建设经验和运行状况也成为他们研究和学习的样本。通过反复研究,他们找到了原有技术的长处,也发现了原有技术有待解决的问题,这些为研究工作指明了突破方向。 
    科学的态度还表现在开发过程中不放过任何疑点,坚持用试验结果说话。例如,清华炉的创新点在于将氧气分级供给。那么二次氧气从侧壁进入气化室会不会在局部区域引起爆炸?为此,清华大学安排研究人员专门设计了试验台,以比工业装置更为苛刻的条件针对反扩散火焰的燃爆问题进行试验,以精准的试验数据,支持了开发工作的顺利进行。又如,在开发水冷壁气化炉的过程中,以轻质燃料火焰点燃水煤浆是一个重要环节。水煤浆投入时会不会将轻质燃料火焰扑灭?为此清华大学又安排了专门的试验,设计了比水煤浆更有效的非燃烧物质在点火状态下干扰轻质燃料火焰,证明了在开工点火条件下水煤浆不会扑灭轻质燃料火焰。 
    作为这个过程中不可或缺的,还有开发团队勇于实践的创新精神。研发过程中,丰喜肥业就在临猗分公司为清华炉提供了工业化生产实践的大舞台,使该技术顺利走向成熟。在项目建设过程中,他们通过对技术的煤气化全流程进行认真分析研究,取得了一些看似简单,但对装置长周期运行起到重要作用的成果。例如,改造气体洗涤塔内件,在塔内完成细灰颗粒的湿润洗涤过程,取消了文丘里,减少了系统压力降,为降低能耗创造了条件;在真空系统中,调整了闪蒸罐的位置,创造了采用“大气腿”建立真空的条件,取消了传统工艺中用于控制真空度的调节阀、循环泵等设备,不仅节约投资,而且解决了管道和设备结垢堵塞的老问题,提高了装置的运转率。他们不是新技术的被动接受者,而是一批勇于实践的创新者,在完善新技术的过程中发挥了重要作用。 
     勇于实践的精神也鼓舞着清华大学和达立科科技公司在煤气化技术方面又完成了数项技术突破。 
    ——完成了清华炉水冷壁炉型开发的前期工作。在热态水冷壁试验炉取得了相关参数,工业装置已进入建设阶段,2010年装置即可投产。清华炉水冷壁炉型可以采用灰熔点1600℃以下的各种原料煤。在采用此类煤种时,采用特定技术,可将制浆浓度提高到70%,以这种浆料作为气化原料,可明显提高气化效率。 
    ——完成了新型废热锅炉流程研究和专利申请等工作。新型废热锅炉可解决国外技术中的薄弱环节,提高能源利用效率。国家联合循环发电和煤气化工程中心已选定这个技术作为主打技术,开发中国具有自主知识产权的联合循环发电设备和技术。 
    ——完成了干粉泵的方案研究和专利申请、原理样机试验等工作。这是一项开创性工作,将创造出跨跃式进步机会。
为了从此不再受制于人
     煤气化技术已有悠久的历史,尤其是上世纪70年代石油危机出现后,世界各国广泛开展了煤气化技术的研究。作为洁净、高效利用煤炭的主要途径之一,煤气化不仅是煤炭深加工、转化的先导技术,而且还是“绿色煤电”、煤化工、煤制油过程中,实现煤炭综合利用和无污染排放的关键技术。其前景广阔,对于中国减轻燃煤造成的环境污染,降低中国对进口石油依赖具有重大意义。 
    目前,国内的煤气化技术市场几乎被国外技术垄断。我国企业在引进煤气化技术时,不得不向外国公司支付高额的专利费用。 
    正是看到了我国经济快速增长中能源领域存在的这些问题,意识到加强前沿能源技术开发的紧迫性,清华炉的开发团队以敢为人先的大无畏精神,立身行业科技前沿,全力以赴开始了煤气化设备的研发工作。 
    中国石油和化学工业协会组织专家对该装置进行鉴定,专家组认为,该气化装置运行平稳,自动化程度高,安全可靠,操控性能良好;技术指标先进,比氧耗367.6标准立方米O2/1000标准立方米(CO+H2),比煤耗553.5千克煤/1000标准立方米(CO+H2),合成气有效成分(CO+H2)83.06%,碳转化率达98.2%。与采用不分级气化装置运行结果相比,合成气中有效气成分提高1~2个百分点,碳转化率、比氧耗、比煤耗均有所改善,处于水煤浆气化技术的国际先进水平。 
    这绝不仅仅是枯燥的文字和数字。它向人们阐明了这样一个事实——从此,中国的煤化工事业和中国自主知识产权的煤化工技术,迈出了从实验室走向生产的一大步,完成了不再受制于人的历史性跨越。长期以来由于在煤化工领域缺乏核心技术,国内企业只能通过支付巨额专利费来获得发展的历史由此改写。 
    清华炉的开发团队用自己的心血和智慧,书写了中国煤气化技术发展史上的产业传奇,奠定了中国煤化工事业坚实的新起点,谱写了中国煤化工产业发展的新篇章。      
燃起民族工业的希望之火
       科学没有国界,但科学家都有自己的祖国。
       我们为具有独立知识产权,在国内外居于技术领先地位的清华炉(非熔渣-熔渣分级气化技术)感到自豪,更为我们有一批具有如此强烈责任感、使命感,勇于拼搏,甘于奉献的企业领导、科研人员而振奋。
       他们在默默无闻中,用自己的汗水和智慧,挺起民族复兴的脊梁。
       同时,我们也感到了一些担忧。在激烈的市场竞争面前,国内的许多技术及产品仍处于劣势。它们的成长需要土壤,需要浇灌,需要阳光。
       可我们的市场许多时候并不“阳光”。某些领域存在歧视国货的问题,无形之中扭曲了商业价值取向,阻碍了中国产业向创新经济的转型和发展。这种价值取向不仅直接影响中国的投资环境,而且阻碍中国的自主创新,对本土产业打击尤其严重。甚至同等条件下,不是“国货优先”,而是“欢迎洋货”。
       我国正在探索由制造大国迈向创造大国的道路,鼓励企业通过品牌建设和自主创新赢得市场。在这个过程中,如何使我国具有自主知识产权的技术成果在市场上得到公平的对待,使众多企业不必再花大价钱为外国公司建“工业试验厂”,已成为一个不可回避的问题。所谓“死生之地,存亡之道,不可不察也”!
       让民族工业的希望之火燃得更旺,需要众人拾柴。
清华炉(非熔渣熔渣分级气化技术)简介
      清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)从化学反应过程上与现有气流床煤气化技术有本质区别,是具有独立知识产权的新型专利技术。与传统气流床煤气化技术不同,清华炉(非熔渣—熔渣分级气化技术)通过氧气的分级加入,将煤的气化反应过程从3个阶段变为5个阶段,即脱水分和挥发份→燃烧→气化→再燃烧→再气化。      
      由于氧气分级供给,其一,气化炉主烧嘴给氧量与反应需氧化学当量脱离约束,减少了主烧嘴的氧化负荷,改善了主烧嘴的工作环境,延长了其运行周期,工程实践中最长运行周期已达到106天。其二,比不分级气化炉轴向温度均衡,长径比可加大,同样直径气化炉的生产能力大于国内外其他水煤浆气化技术的气化炉。其三,改善了炉内的温度场,提高了炉内的平均气化温度,使有效气体成份提高1%~2%。由于炉内高温区在二次进氧的范围内,平均炉温高,出渣区域接近高温区域,扩大了煤种的适应性。
 
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