一爐之變：為“舊”能源賦“新動能”

龐貝 毛艷玲

它不是一臺普通的爐子。

它叫晉華爐，由清華大學清潔能源研究院和山西陽煤集團共同打造。

它一問世，就獲得無數嘉獎和贊譽：

2016、2017、2019年石油化工行業十大國之重器、第22屆全國發明展覽會金獎、2017年中國氮肥工業協會技術進步特等獎、2018年度中國煤炭工業協會科學技術獎特等獎、2019年榮獲第47屆日內瓦國際發明展金獎……

它是所在專業領域的“網紅”，受到倪維斗、金涌、謝克昌等院士點贊，2016年投運以來，接待300多個參觀團，簽約轉化72套。

在環境保護日益深入人心、輿論場對煤炭十分不喜的當下，這個“死磕”煤炭的爐子，為什么會受到如此多的關注和喜愛？

原因就在于它為煤炭潔凈、高效利用開辟了一條新路徑——煤氣化。

它雖沒有太上老君煉丹爐的威力，不能把肉眼凡胎煉成火眼金睛，卻可以讓煤這種大眾眼中“舊產能”煥發出新的能量——更清潔的能量。

它是如何具有這種神奇的轉化能力的？

請它的設計者、清華大學能源與動力工程系教授、清華大學山西清潔能源研究院常務副院長張建勝為我們一道原委。

煤氣化：能源安全定盤星，生態環境守護者

煤，經常同這些詞產生關聯：黑、灰、臟、污染……

在這個關注環境保護，崇尚低碳生活的時代，煤似乎是該被遠離和拋棄的。

然而，當我們從小資生活的美好一隅走進更為宏闊的現實，就會發現世界的真相遠比想象要復雜，有些事物并不能一拋了之。

最近幾年，我國原油對外依存度就已經從2015年的“首破60%”逼近70%大關。天然氣對外依存度也呈現快速增長，已經接近50%。隨著我國北方推行的煤改氣等措施，天然氣需求仍將保持快速增長，而且季節性供需矛盾依然突出。

雖有上述結構變化，但是基于能源安全考量，我國仍力爭在2035年前將石油、天然氣對外依存度分別控制在70%和50%以下。

可以說，現在的數字已經逼近這一臨界值。那么，后續的能源缺口應由誰來補位？能補上嗎？如何去補？

答案無疑是煤，也只能是煤。

煤炭，無疑是保障我國能源安全的定盤之星。這是由我國能源資源稟賦所決定的。自然資源部數據表明，中國能源狀況依然是“富煤、貧油、少氣”。煤炭在未來一段時間內，仍將是我國能源消費的主體。

但是，如何利用好煤，也是亟待解決的問題。

有關資料表明，以煤為主的能源結構是形成以城市為中心的大氣污染的重要原因。排入大氣中90%的二氧化硫、70%的煙塵、85%的二氧化碳均來自于燃煤。也正因此，我們才提出了節能減排、低碳發展之路。

不過低碳不等于拋棄煤。不拋棄，那就只能另辟蹊徑，探索更好、更清潔的利用方式，這就是煤氣化。

張建勝介紹，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦決定了我國以煤為主體的能源結構，油氣保障能力較低。現代煤化工產業能夠部分替代我國石油和天然氣的消費量，促進石化行業原料多元化，為國家能源安全提供戰略支撐，為石油安全提供應急保障。

張建勝說，從煤炭利用方式來看，目前主要有直接燃燒、煉焦和氣化三種方式，其中以煤炭的氣化最為清潔，過程也最為復雜。與直接燃燒和煉焦等利用方式相比，煤氣化是最為清潔的煤炭利用方式。煤氣化是煤炭清潔高效轉化的核心和龍頭，它不僅是現代煤化工的基礎，在煉油、電力和冶金行業也有廣泛應用，是這些行業的共性關鍵技術。煤氣化是發展煤基大宗化學品（如化肥、甲醇、烯烴、芳烴、乙二醇等）、煤基清潔燃料合成（如油品、天然氣等）、整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）、多聯產系統、制氫、燃料電池等工業的基礎。

從長遠看，清潔高效地利用煤炭資源，對于保障國家能源安全、經濟和社會可持續發展意義重大。

一爐三變：保障煤炭清潔利用，打造“國之重器”

工欲善其事，必先利其器。

對煤氣化這件事來說，做得好不好，要看爐子怎么樣。

張建勝說：“從理論上講，煤氣化也是燃燒過程，比直接燃燒更容易實現污染物控制，還可以解決多煤種的選用問題，但當時并沒有好的技術路線，不能將煤燒好燒凈。最大的問題是怎樣把煤里面的有害物質處理好，減少含渣量，不要讓它留在燃燒受熱面上。”

2002年，在863項目的支持下，剛剛博士畢業留校不到一年的張建勝開始向煤的清潔利用這個難攻的堡壘進發。

當時大規模的煤氣化技術在國內尚屬空白，全國僅有的4家建有這類技術的企業全部用的是國外技術。面對攔路虎，張建勝消化吸收國外技術路線所長，分析它們的弊端，認為其核心缺點在于燃燒噴嘴使用壽命短，只能用60天左右就要停爐更換。針對這一缺點，他創新性地提出了分級給氧的煤氣化技術路線，使噴嘴附近的溫度降下來，壽命延長一倍。第一代煤氣化技術快速定型。

2003年，在山西豐喜集團，他們開始著手建造第一代“清華爐”。2006年1月，“非熔渣—熔渣分級氣化技術”研制成功，這就是晉華爐1.0。

晉華爐1.0讓煤炭燒好、燒凈成為現實，并給出了水煤漿氣化裝置運行的好成績：在豐喜集團第一年投運就實現年運轉率高達94%，年負荷率高達120%，投資成本降低20%。第一代技術一問世就受到煤氣化技術市場的青睞，通過科技鑒定后，馬上有20余家用戶前去尋求合作。

運行1年后，晉華爐1.0的短板逐步顯現：單爐可用率低，煤種適應性差;采用耐火磚結構，運行周期短，維護時間長且成本高。

而這些，不僅是這臺爐子的缺點，且是當時業內煤氣化爐的共通點。

當時煤氣化爐，采用的都是內嵌耐火磚結構，耐火磚主要起隔熱作用，成本昂貴，一臺爐子僅耐火磚的成本就需要200多萬元。而且隨著氣化爐運行，耐火磚在高溫高壓下不斷腐蝕剝落。內層過薄容易引起氣化爐外殼超溫，因此使用一段時間必須更換。而更換就又是100多萬的檢修費，還要停爐養護兩個月，造成氣化爐可用率低。

不因司空見慣而對缺陷視若無睹，張建勝說“清華的老師就是要啃難啃的骨頭。”

平實質樸中，難掩一絲攻艱克難的傲氣，這或許才是術業有成的科技工作者的共性。

為了解決這一問題，張建勝獨辟蹊徑地提出用水冷壁代替耐火磚。這在行業內可以說是革命性的創新。

也因為這個看似“離經叛道”的想法太過另類，一經提出就被同行評價“清華的老師腦子有問題”。當時主攻這一項目的只有張建勝一人，一貫合作得不錯的合作方也給清華校領導寫信，委婉提出對于項目“科研力量投入不夠，希望予以重視。”

面對質疑，張建勝沒有自我懷疑，他說“我們熱能系是專門研究燃燒的，我們有幾十年搞燃燒的經驗，另外我們有鍋爐水冷壁的經驗。我們的技術方案是結合這些經驗經過深入思考提出的，自信是沒有問題的，剩下的問題在于如何讓用戶相信。”

耐心細致地講原理、談經驗，帶客戶現場參觀石化企業大型水冷壁鍋爐，搭建實驗臺演示，安排博士生專門做渣流動的支撐性研究……科學和現實是最有說服力的。

2011年8月，采用水煤漿水冷壁氣化技術的第二代晉華爐投用。這就是晉華爐2.0。

第一套晉華爐2.0裝置首次投料，就創造了安全、穩定、連續運行140天的煤化工行業氣化技術開車新紀錄。不僅為氣化爐運行節約投資及運行維護費用創造了條件，還擴大了原料煤的適應性，成功解決了水煤漿的點火、穩燃和效率問題。

很快，晉華爐2.0的簽約合同數量占據了同類裝置的半壁江山。

氣化爐可以停，創新的腳步卻不能停下。

晉華爐2.0運行很好，還有沒有余熱可利用？

特別多。

“之前的高溫合成氣直接過水冷卻，從1500度降到200多度，浪費太多。我們就希望通過蒸氣發生器，把它的熱量拿回來。”張建勝介紹，國外也有類似技術，但積灰、結渣問題沒有解決，“我們就嘗試把原來的雙筒結構改成單筒結構，擴大通道面積，這樣就不存在積灰和結渣風險。”

2016年4月1日，采用“水煤漿+水冷壁+輻射式蒸汽發生器”技術的晉華爐3.0在陽煤豐喜臨猗分公司一次點火、投料、并氣成功，各項設計指標也一次性達標。

它就是文章開頭提到的晉華爐。

它讓煤炭清潔高效利用實現了重要突破，并且創造了兩個全球第一：一是將“水煤漿+膜式壁+輻射式蒸汽發生器”進行組合，并成功實現工業化;二是將原氣化爐通過改造直接升級為更高效、可靠的聯產爐，開創了新型煤氣化技術改造的先河。

與前兩代爐子相比，核心部件輻射式蒸汽發生器的創新設計，有效避免了積灰和結渣問題;同時，通過回收高溫合成氣熱量，大大提高了能源轉換效率。

“之前使用耐火磚的爐子，開車前需要3天時間升溫，我們只需3小時就可以滿負荷運轉。”張建勝介紹，晉華爐還可以不設置備用爐。“按照一條備用生產線計算，光這一項就可以節省上億元投資，而且由于爐內水處于循環利用狀態，需水量小。此外幾乎沒有廢棄物排出，非常干凈，還可以進行廢水處理。”

陽煤化機董事長李廣民介紹，改造后的氣化爐投煤量增加了50%;燃燒室爐內操作溫度可以由1400度提高至1600度以上，解決了山西高灰、高硫、高灰熔點煤的氣化難題，煤種適應性提高;一爐變兩爐，不僅能夠生產合成氣，每小時還可以生產約40噸5.4MPa的高溫高壓蒸汽，用于熱電聯產發電，每年可實現經濟效益3200萬元以上。

自晉華爐3.0投運以來，到訪者更絡繹不絕。晉華爐帶動陽煤化機其他非標產品產值增量巨大，目前已簽約72臺套。近三年來，“晉華爐”累計新增銷售額43.30億元，新增利潤6.98億元。

與此同時，晉華爐也加快“走出去”步伐，獲得美國、加拿大、日本、澳大利亞、韓國等11個國家的發明專利授權。目前，已成功出口，首次實現了中國自主煤氣化技術在海外的商業化應用。

晉華爐代表了行業技術的世界高度。

中國工程院院士、熱能工程專家岳光溪評價，該技術已達到國際領先水平，為全國“三高煤”綜合利用、氣化煤實現本地化提供了新手段。

晉華爐打破了國外技術壟斷，為煤炭產業轉型找到了新出路。

一爐多用：為了明天的碧水藍天

“多年以來，我們一直從事煤的清潔燃燒技術。煤進行完全燃燒，生成二氧化碳和水。但是如果能夠生成一氧化碳和氫氣，就成為更加清潔的氣體燃料。”張建勝說。

基于這種想法，他和日漸壯大的科研團隊不斷創新和改進著煤氣化爐，這才有了一代代推陳出新的晉華爐。

走到現在，晉華爐繼續向前的腳步沒有停下。

2018年3月份，陽煤豐喜集團與清華大學等召開了晉華爐4.0項目啟動會議。晉華爐4.0將在輻射式余熱回收廢鍋的基礎上，再加一個對流式廢鍋回收熱量，將比晉華爐3.0再多回收20%～30%熱量，實現全熱回收。

張建勝和他的團隊將與合作單位一起，以工匠精神錘煉精品，加快晉華爐系列化、標準化、大型化、成套化、信息化、智能化開發，建設晉華爐4.0示范裝置，形成國際領先超大規模水煤漿氣化成套技術，率先實現供合成氣、蒸汽、發電、供熱等聯產的產業化推廣應用，支撐我國現代大型煤化工產業和國際煤化工綠色發展。

前三代晉華爐，都是以煤為燃料。不過可以燃燒的，不只有煤。

張建勝的目光，已經投向了難處理固體、液體廢棄物、難降解城市垃圾與生物質。

擴展原料多樣性，把這些廢物變成可以燃燒的氣體，減少它們對環境的占用和侵害，這一臺爐子仍大有潛力可挖。

學以致用，這是一位工程設計者的最高榮譽和歸屬。

物盡其用，這是一臺爐子的最好歸宿。