【上海科技奖励项目专递】十年深耕，只为了让煤气化技术迈上新台阶 ——记上海市科技进步一等奖项目“大型气流床煤气化炉内湍流多相流动、传递与反应过程基础研究与工程应用”

    “防治雾霾，煤的清洁利用是关键”“煤炭清洁利用了其实可以比天然气更环保”，在刚刚过去的“两会”期间，众多代表和相关政府部门领导纷纷聚焦煤炭清洁利用发出了共同的声音。

    其实，通过气化对煤进行清洁化利用，让煤成为像石油一样重要的化工原料，这个科研领域在华东理工大学已经有30多年的历史。该校洁净煤技术研究所联合中国科学院山西煤炭化学研究所，依托兖矿集团公司等大型企业完成的“大型气流床煤气化炉内湍流多相流动、传递与反应过程基础研究与工程应用”项目，聚焦自主知识产权多喷嘴对置式水煤浆气化技术在大型化、长周期高效稳定运行中面临的挑战，深入开展基础研究，揭示了大型气流床煤气化过程的“所以然”问题，为自主知识产权大型煤气化技术的进一步发展和应用提供了可靠支撑，取得了国内外同行公认的成果。

    “气流床煤气化是煤炭高效清洁利用的核心技术。”项目负责人王辅臣一语道破了项目的关键优势。以这一技术为龙头，“黑色”的煤炭原料得以转化为清洁的合成气（CO+H ₂ ），并进一步加工为乙二醇、甲醇等有机化工产品和支持农业发展的尿素。褪去黑乎乎的“外衣”，“煤炭君”显得更有“魅力”。

      20多年前，在消化引进技术的基础上，团队开始开发自主知识产权的大型煤气化技术。随着研究的深入，团队成员发现基础研究越来越重要。2004年，气流床煤气化技术的基础研究列入了国家“973”计划，并于2010年继续得到支持。深入的基础研究，让技术走得更远。

    “对技术开发来说，基础研究和工程应用是一体两翼，基础研究支撑了技术的不断创新和长远发展，工程应用又向基础研究提出了更多的科学问题，促进基础研究更加深入。一项技术要想永葆竞争力，基础研究的支持必不可少。”王辅臣说。

    气化炉内高温、高压、湍流多相流动的环境极其复杂。要想获得煤气化过程状态，进而建立数学模型，就必须了解不同因素影响下反应过程的基本规律。因此，团队把研究主要方向聚焦于煤气化反应机理、撞击流流场、火焰结构和气化炉数字模拟等关键科学问题。

    不同的煤种有不同的气化特性，即使是相同的煤种，在不同的反应条件下，也会有明显的气化活性差异。例如，团队经研究发现，在气流床条件下，煤焦与水蒸气反应的气化活性是与二氧化碳反应的7~10倍，而在气化温度到达1400℃后，不同煤种的气化活性几乎趋于相同。

    “为了提高效益，降低投资，气化炉大型化是必然趋势，作为气化炉的重要部件，耐火砖和喷嘴的使用寿命直接受到炉内火焰结构和温度场的影响。”项目第二完成人、长期在技术工程化一线的于广锁教授介绍说。

      要解决这一问题，弄清楚炉内火焰结构、温度分布以及多喷嘴撞击火焰结构对气化反应的影响，就必须有一双“火眼金睛”。项目组通过开发高分辨率紫外成像系统，辨识了气化炉内三维温度场及火焰结构，获得了炉内颗粒的结构、形态、行为及转换规律等关键信息。

    项目组基于这些信息建立了气流床煤气化过程的数学模型，对多喷嘴对置式水煤浆气化炉进行了优化模拟，并基于气流床煤气化过程区域模型，建立了多喷嘴对置式气化炉降阶模型，为开展气化炉动态模拟奠定了基础。

    这些研究成果产生了显著的效果。与国内外同类技术相比，其喷嘴寿命由平均水平的50~60天提升至平均90天以上，最长可达152天。耐火砖直筒段寿命更是显著提升，其中，上直筒段由平均1.2万~1.5万小时提升至2万~3万小时，下直筒段达到了5万小时。这一改善，极大地提高了气化炉的使用效率，降低了工业成本。

    “基础研究周期相对较长，对科研人员的要求更为苛刻，必须有协同精神，科研团队的建设就非常重要，结合技术开发的应用基础研究领域更是如此。”在长达十年的基础研究和产业化应用过程中，王辅臣和于广锁对此深有感触。

      在项目组的共同努力下，团队已授权发明专利20余项（其中包括美国专利2项），发表SCI论文102篇、EI论文77篇，被引用1000余次，出版专著2部。

    2014年6月，世界最大的单炉日处理煤3000吨煤气化装置在内蒙古荣信化工有限公司正式投产，标志着项目组自主知识产权多喷嘴対置式水煤浆气化技术跃上了新的台阶。

    近10年来，该项目的研究成果已成功应用于国内外40余家企业，为企业新增产值180多亿元，新增利税超过41亿元，为企业节支4.3亿元，节省专利费3.8亿元，极大地促进了我国现代煤化工行业的发展。