张建胜:站在煤气化技术制高点再出发

——记清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜

  18年来,他一直潜心进行煤气化教学、基础理论与应用技术开发工作,通过基础研究、实验研究、技术研发,解决工程问题,形成商业化重大技术链条,打破了国外大公司在煤气化技术市场上的垄断,使我国煤气化技术进入世界领先水平。他与阳煤集团联合开发的水煤浆水冷壁废锅气化炉(晋华炉),实现了水煤浆气化炉结构创新和旧炉改造两个全球第一,为制造企业创造了22亿元产值,荣获2017年度中国氮肥甲醇行业技术进步特等奖、2018年度中国煤炭工业科技进步特等奖。

  他,就是清华大学长聘教授、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜。

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张建胜在丰喜临猗公司向石化联合会原会长李勇武(右二)介绍晋华炉3.0运行情况。

  让晋华炉1.0 从煤完全燃烧到欠氧燃烧

  2018年对于晋华炉3.0来讲,是个关键年,年初被评为石化行业十大新闻、国之重器;年中荣获氮肥甲醇工业行业技术进步奖特等奖,年末荣获煤炭工业协会技术科技进步特等奖,这无尚的荣光都来自与晋华炉“产学研制用”联盟18年来的不懈奋斗。而作为晋华炉第一完成人、清华大学长聘教授、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜在其中发挥着核心的作用。

  “多年以来,我们一直从事煤的清洁燃烧技术。煤进行完全燃烧,生成二氧化碳和水。但是如果能够生成一氧化碳和氢气,就成为更加清洁的气体燃料。”张建胜介绍:“从上世纪80年代开始,老一辈老师就想研究煤气化技术,就是从过去的完全燃烧转向更加清洁的煤气化技术。但是在当时的技术条件下,我们还没掌握煤的完全气化技术,尤其是高温气流床的气化技术,当时主要是掌握在国外手里。我们从上世纪80年代开始就进行煤的中温转化或者中温气化技术的研究,也建了一些实验装置,但是当时市场和技术开发的程度还没有完全市场化,本来我博士工作做的也是煤的完全燃烧,就是循环流化床燃烧。博士毕业以后,我的导师岳光溪教授认识到,我国贫油、少气、多煤,煤气化生产石油化工替代品,在我国未来发展中将占有重要战略意义。所以就把我的课题从循环流化床燃烧转到煤气化方面。”

  为了打破国外在现代煤气化技术领域对我国的垄断,张建胜博士研究生一毕业,他的研究方向就从循环流化床燃烧开始转到现代煤气化技术,开创了清华大学煤循环流化床完全燃烧研究转向更加清洁的煤的气化技术的先河。

  “2001年,我们选择了当时国际上非常先进的煤气化技术作为主要研究方向,对国内外气化技术进行了全面的学习和调研。煤气化实际就是锅炉燃烧的欠氧燃烧。结合多年锅炉燃烧的经验,我们系提出分级给氧煤气化技术,晋华炉1.0(水煤浆+耐火砖+激冷流程)就是通过分级给氧,降低喷嘴附近的使用温度50摄氏度,喷嘴使用寿命延长了1倍。同时使物料平均停留时间延长,提高了碳转化率,得到了有效气体,效益比同类国际技术水平高。”张建胜说。

  晋华炉1.0技术2002年得到了国家科技部863项目支持,2003年在阳煤丰喜集团临猗分公司开始建设第一套商业化装置。2006年1月,非熔渣—熔渣分级气化技术研制成功,正式投运。晋华炉1.0让煤炭烧好烧净成为现实,并取得了水煤浆气化装置运行的好成绩:在丰喜集团第一年投运就实现年运转率高达94%,年负荷率高达120%,投资成本降低20%;2009年通过了原石化协会连续运转现场考核和科技成果鉴定,达到国际先进水平;晋华炉1.0获2009年度石化协会科技进步一等奖、2010年度氮肥工业技术进步一等奖。 通过晋华炉1.0的研发,张建胜掌握了煤气化技术的基本情况和关键问题。

  让晋华炉2.0 解决三高煤难气化课题

  “为解决山西高灰分、高灰熔点煤的气化问题,我们根据热能工程系常用锅炉水冷壁的经验,采用锅炉行业成熟的水冷壁技术,用水冷壁代替耐火砖。因为水冷壁水管里面有水对它进行保护,所以它就可以不受炉内使用温度的限制,这个温度理论上来讲可以做得非常非常高,达到1600摄氏度、1700摄氏度,甚至更高。这样的话,就有条件提高炉内的使用温度,使山西高灰分、高灰熔点煤的气化成为可能。” 张建胜如是说。

  2009年,张建胜借鉴锅炉水冷壁经验替代耐火砖,提出晋华炉2.0(水煤浆+膜式水冷壁+激冷流程)方案,并做了实验室研究。2011年,第一套水冷壁气化装置在阳煤临猗分公司成功投运,气化室温度达1600~1700摄氏度。第一套晋华炉2.0装置首次投料就创造了安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业气化技术开车新纪录。

  晋华炉2.0不仅为气化炉运行节约投资及运行维护费用创造了条件,还扩大了原料煤的适应性,成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题。2012年,晋华炉2.0通过石化联合会现场考核和科技成果鉴定,达到国际领先水平。晋华炉1.0、晋华炉2.0联合获2013年度教育部技术发明一等奖。

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张建胜在阳煤化机向清华大学校长邱勇(右二)介绍晋华炉研发情况。

  让晋华炉3.0 实现两个全球第一

  创新总是在按照需求加快进行。张建胜指出,晋华炉2.0虽然能够解决山西省高灰分高灰熔点煤的气化问题。但是从气化室出来的高温合成气,直接进到激冷室里面冷却,热量就浪费得比较厉害,在气化室消耗的能量不能有效回收,牺牲了效率。所以研发团队紧接着就想,能不能在不牺牲效率的情况下,解决高灰分高灰熔点煤的气化问题?第三代气化技术由此开始,也就是带热回收的水煤浆水冷壁气化技术。

  “我们提出这个思想以后,实际上是在激冷室里面增加了一个辐射式蒸汽发生器,通过这个辐射式蒸汽发射器,可以回收高温合成气的热量,生产高温高压饱和蒸气 ,这就是晋华炉3.0技术。晋华炉3.0(水煤浆+膜式水冷壁+直连辐射废锅+激冷流程)是带热回收的水煤浆水冷壁气化技术,是清华大学和山西省省校联合研发的项目,是山西省重大科技专项。”张建胜说,2016年4月1日,晋华炉3.0在临猗公司成功投运。

  与前两代炉子相比,晋华炉3.0核心部件辐射式蒸汽发生器的创新设计,有效避免了积灰和结渣问题;同时,通过回收高温合成气热量,能源转换效率有了大大提高,实现了水煤浆气化炉结构创新和旧炉改造两个全球第一。该技术在不牺牲热效率的情况下,能够气化高灰分高灰熔点煤,1小时副产30吨左右高温高压饱和蒸气,年创效3000万元。

  2017年,晋华炉3.0通过石化联合会组织的连续稳定现场考核,可实现在化工、电力、燃气、供热领域的一条龙综合应用,并通过科技成果鉴定,鉴定结果国际领先。该技术入选2016年中国煤炭科技十大新闻之一,2016年度煤化工十大新闻,2017年度石化行业十大新闻,2016年、2017年石油化工十大国之重器,并获得2017年第22届全国发明展览会发明创业奖项目奖金奖、2017年度中国氮肥工业协会技术进步特等奖、2018年度中国煤炭协会特等奖。

  到目前为止,神华、中煤、惠生工程、华鲁恒升、湖北三宁等156家企业到厂参观考察,受到倪维斗、金涌、邱勇等院士点赞。美国、南非、朝鲜、韩国等国企业多次参观考察,为我国煤气化技术服务全球奠定了基础。截至目前,晋华炉已签约62台套,预计每年能为使用企业创造效益10亿元以上。

  张建胜是将中国煤气化技术实质性带入国际的第一人,朝鲜、韩国,南非、德国、加拿大等国专家亲临他的研究院和支持的企业进行调研。目前朝鲜顺川化学品工厂定制的晋华炉3.0正在紧张制作中,有望在今年上半年走出国门,这将是我国首台大型实物煤气化炉走向世界。

  让晋华炉4.0 向超大规模水煤浆气化进发

  “我们现在做的是把高温合成气通过一个辐射式蒸汽发射器对热量进行回收。相当于是把合成气从大约1400摄氏度、1500摄氏度,温度降到700摄氏度、800摄氏度,回收大概700摄氏、800摄氏度温差的热量。”张建胜说,下一步他们还要在气化炉外增加一个对流式的蒸汽发射器,进一步回收高温合成气,把高温合成气从700、800摄氏度大概降到300摄氏度左右,还能回收一部分热量,从而使整个气化系统的效能做到更高。

  现在,张建胜正致力于单炉日处理煤3000吨级废锅-激冷型高效水煤浆气化示范装置——晋华炉4.0(水煤浆+膜式水冷壁+直连辐射废锅+对流式废锅+激冷流程)的研发工程,计划形成超大规模水煤浆气化成套技术,支撑我国现代大型煤化工产业发展。

  张建胜表示,晋华炉4.0全热回收技术开发出来以后,从真正意义上说,不仅仅是在国际领先了,应该说远远超过国外的其他技术,可以牢牢掌控全球煤气化技术制高点。

  “现在我们做的是水煤浆,将来研发干粉气化的气化技术,形成一个针对不同用户需求,提供不同气化解决方案的一个非常完善的团队,从而为我国、为全球煤气化作出贡献。”张建胜信心十足。

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张建胜陪同南非客人参观晋华炉。

  展望未来 为煤气化走向世界而奋斗

  从晋华炉1.0到晋华炉4.0,张建胜和团队参与组建了山西省煤气化技术与装备工程研究中心、山西省煤气化技术及装备产业技术创新战略联盟,与神华北京低碳研究所合作建成了煤气化热模中试实验平台,与太原理工大学、中北大学形成战略合作关系,为开展大规模清洁高效气化等前沿研究、解决劣质煤的清洁利用难题奠定了合作攻关基础。

  至此,张建胜也实现了人生和社会角色的重大转变。目前,张建强是清华大学长聘教授、清华大学山西清洁能源研究院常务副院长、太原理工大学副校长、党委常委,集著名学者、国家重大科研项目负责人于一身,他更感到责任重大、使命光荣。为了让煤气化技术成果有更多用武之地、使客户的问题能得到及时高效解决、使政府的支持资金能用到最需要的地方、使自己带领的团队能出更多的成果,张建胜将以清华大学山西清洁能源研究院为创新平台,与山西省各地市、县区和开发区合作,积极开展与其他各高校、科研院所、企业共同合作,集聚清华大学优势资源,促进研发成果的转化和产业化,并积极向全国推广。

  “自己研发的成果能造福社会,是我人生最大的梦想和乐趣。”这是张建胜的座右铭。张建胜认为,研究成果非常需要跟企业合作。产学研用联合起来以后,可以使技术尽快推向市场,而且能够真正解决生产上存在的问题,或者针对生产中遇到的问题进行研发,从而真正解决工程上的难题,切切实实使研究成果能够得到转化,为用户带来收益,为制造厂带来效益。

  为了促进煤炭清洁高效利用,山西省支持清华大学在太原成立清华大学山西清洁能源研究院。“以前在非常艰苦的条件下,我们都能创造奇迹,现在政府和企业给这么好的条件,我们没有理由不创造更多的人间奇迹。”张建胜信心满满。

  而今,晋华炉已是阳煤化机、阳煤化工、阳煤集团、清华大学创新驱动的名片,正在向着山西名片和中国名片精雕细琢。2019年,张建胜将加快晋华炉系列化、标准化、大型化、成套化、信息化、智能化开发,实现供合成气、蒸汽、发电、供热等联产的产业化推广应用,为中国煤气化技术牢牢站稳世界制高点作出新贡献,谱写新篇章。

  回顾历史,张建胜感慨万千:“我觉得现在我们清华大学,还有阳煤丰喜,还有阳煤化机几个单位组成这么一个团队,应该来讲我们已经在煤气化上取得了国际领先的地位,未来我们仍然会继续保持这个领先地位,而且会有更多的新技术开发出来,为中国煤气化走向世界而奋斗不已。”

  人物简介

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  张建胜,1972年5月出生,清华大学能源与动力工程系教授、博士生导师。同时担任清华大学山西清洁能源研究院常务副院长,太原理工大学副校长、党委常委。

  张建胜在国内外发表论文160余篇,出版专著6本。近几年,张建胜申请发明专利63项,授权11项;申请实用新型专利46项,授权25项;获得美国、日本、澳大利亚、加拿大、新加坡、韩国、朝鲜、印度授权专利各1项;先后荣获国家科技进步二等奖、教育部技术发明一等奖、教育部科技进步一等奖、中国石油和化工协会科技进步一等奖、中国氮肥工业协会技术进步一等奖和特等奖、中国煤炭工业协会技术进步特等奖等。


关键字:煤气化
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