作為推進(jìn)“碳中和”目標(biāo)的重大技術(shù)之一，合成綠色航煤、綠色甲醇已成為國內(nèi)外當(dāng)前的綠色低碳技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)。其中，被業(yè)界普遍認(rèn)為是最合適的技術(shù)路線之一的生物質(zhì)純氧氣化制合成氣技術(shù)，多年停留在產(chǎn)業(yè)化的“門檻”前，成了整條產(chǎn)業(yè)鏈的“卡點(diǎn)”“堵點(diǎn)”。
近日，沈陽化工大學(xué)傳來消息，由該校許光文教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合濟(jì)南黃臺(tái)煤氣爐有限公司創(chuàng)新建造的生物質(zhì)流化床兩段純氧/水蒸汽氣化制合成氣裝置完成萬噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證，有望帶領(lǐng)行業(yè)跨過這道阻礙發(fā)展的“門檻”。
疏通行業(yè)兩大“堵點(diǎn)” 首次工業(yè)試驗(yàn)成績亮眼
生物質(zhì)氣化制合成氣技術(shù)“堵”在哪兒?
據(jù)沈陽化工大學(xué)教授、研究團(tuán)隊(duì)成員韓振南介紹，利用流化床反應(yīng)器的中溫生物質(zhì)氣化過程會(huì)形成“焦油”，造成換熱面沾污和系統(tǒng)堵塞，因而，開發(fā)超低焦油的生物質(zhì)氣化技術(shù)一直是該領(lǐng)域的重要研究前沿。同時(shí)，生物質(zhì)制合成氣技術(shù)的工程化放大和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也亟待推進(jìn)。
在此情景下，本次工業(yè)試驗(yàn)一舉完成了“低焦油”和“工業(yè)性驗(yàn)證”兩重突破。
團(tuán)隊(duì)從15年前就開展該技術(shù)研發(fā)，并在國家科技支撐技術(shù)、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等支持下取得了重大原創(chuàng)性成果。本次突破有賴于沈陽化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)深厚的技術(shù)積累。自2010年開始，許光文教授研究團(tuán)隊(duì)在該方向?qū)嵤┘夹g(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)新研發(fā)出超低焦油流化床兩段氣化技術(shù)。
具體來說，該技術(shù)將生物質(zhì)氣化解耦為生物質(zhì)熱解和熱解半焦氣化兩個(gè)過程，并重構(gòu)該兩個(gè)過程，形成半焦的“催化”與“再生”完整循環(huán)，顯著強(qiáng)化活性半焦與焦油的相互作用，如焦油熱裂解、催化裂解、催化重整等，實(shí)現(xiàn)在氣化過程中焦油的深度脫除。
據(jù)悉，該技術(shù)已成功應(yīng)用于中藥渣、白酒糟等輕工過程的生物質(zhì)廢棄物，在河南、四川、山東、安徽等地建成了多套萬噸至5萬噸級(jí)原料的空氣氣化應(yīng)用工程，燃?xì)饨褂秃窟_(dá)到50毫克/標(biāo)立以下的國際先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)。該技術(shù)還曾獲遼寧省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等。
此前，國內(nèi)生物質(zhì)氣化研究和產(chǎn)業(yè)化主要集中于空氣氣化制備工業(yè)燃?xì)猓敬喂I(yè)試驗(yàn)是該技術(shù)在生物質(zhì)純氧/水蒸汽氣化方面的首次工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)，以水稻桿和玉米桿為原料完成110小時(shí)以上穩(wěn)定運(yùn)行，氣化效率80%以上，合成氣焦油含量低至0.58克/標(biāo)立，飛灰碳含量20%左右。這個(gè)“首次”取得的成果足令人鼓舞：不僅是迄今為止國內(nèi)報(bào)道的試驗(yàn)規(guī)模最大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長的生物質(zhì)純氧氣化裝置，其試驗(yàn)的生物質(zhì)原料種類也是最多的，合成氣焦油含量最低、有效組分含量最高。
“輕舟已過萬重山” 融合創(chuàng)新突破產(chǎn)業(yè)化難關(guān)
本次工業(yè)試驗(yàn)圓滿成功，對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)而言，不啻是“輕舟已過萬重山”——盡管流化床兩段氣化技術(shù)曾在生物質(zhì)空氣氣化方面取得了很好成果和業(yè)績，但在應(yīng)用于純氧/水蒸汽氣化時(shí)，依然存在許多阻礙。
生物質(zhì)純氧/水蒸汽氣化采用的氣化劑是35%的純氧混合65%的水蒸氣，可以預(yù)料到，氣化爐局部飛溫和結(jié)渣是很容易發(fā)生的，一旦發(fā)生就必須停爐處理，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備。解決難題關(guān)鍵在于操作條件和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，這需要長時(shí)間的摸索，包括理論預(yù)測、反應(yīng)器內(nèi)流化狀態(tài)預(yù)判、過程及裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
此外，生物質(zhì)原料流動(dòng)性差、不同原料成分差異大、灰分含量高、半焦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、飛灰產(chǎn)量大等一系列問題，也對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行形成了巨大挑戰(zhàn)。
2024年年初，工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)在濟(jì)南黃臺(tái)煤氣爐有限公司廠區(qū)內(nèi)啟動(dòng)，同年9月完成。研究團(tuán)隊(duì)在2024年10月至2025年3月間，先后試驗(yàn)運(yùn)行十余次，消耗各類生物質(zhì)原料300余噸，通過“試驗(yàn)—優(yōu)化—驗(yàn)證”積累大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析并總結(jié)出最佳操作條件以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
同時(shí)，合作單位濟(jì)南黃臺(tái)煤氣爐有限公司在試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和運(yùn)行過程中，充分發(fā)揮了其技術(shù)工程化優(yōu)勢，在核心反應(yīng)器設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工況判斷、操作規(guī)范化、人員培訓(xùn)等方面提供重要支撐，保障了平臺(tái)安全可靠和長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
在雙方的共同努力下，最終實(shí)現(xiàn)了這一重大突破。
技術(shù)產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢顯著 將支撐產(chǎn)業(yè)鏈長遠(yuǎn)發(fā)展
韓振南表示，本次工業(yè)試驗(yàn)充分證明了流化床兩段氣化技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)純氧/水蒸汽氣化的可行性，同時(shí)，也系統(tǒng)性地驗(yàn)證了該技術(shù)在保障合成氣品質(zhì)、工藝裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、寬燃料適應(yīng)性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，展現(xiàn)了該技術(shù)制備生物質(zhì)合成氣的技術(shù)先進(jìn)性和進(jìn)一步工程化的可行性，在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。
該技術(shù)通過簡單的反應(yīng)解耦與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了氣化爐內(nèi)低焦油生成和寬燃料適應(yīng)性的技術(shù)優(yōu)勢，無需復(fù)雜的爐外焦油裂解過程，具有更好的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景，將成為未來支撐‘綠色甲醇、生物航油產(chǎn)業(yè)鏈’的生物質(zhì)氣化核心技術(shù)的有力競爭者之一。
當(dāng)前，國際能源巨頭積極布局綠醇產(chǎn)業(yè)，全球已布局超過40個(gè)成規(guī)模的綠色甲醇項(xiàng)目；我國綠色甲醇也已被納入《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2024年本)》新能源鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)，是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”、建設(shè)現(xiàn)代能源體系的重要抓手。據(jù)估計(jì)，2030年我國綠色甲醇需求量將達(dá)500萬噸，2040年需求量將達(dá)2000萬噸。可以預(yù)見，該技術(shù)將在未來綠醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮巨大潛能。
基于本次成功的工業(yè)試驗(yàn)，目前研究團(tuán)隊(duì)正在與國內(nèi)外大型企業(yè)開展技術(shù)工程化、產(chǎn)業(yè)化合作，一方面推進(jìn)常壓生物質(zhì)氣化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化示范，另一方面開展加壓氣化工藝和裝備開發(fā)，多維度地推動(dòng)技術(shù)向?qū)嶋H工業(yè)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，切實(shí)助力綠醇、生物航煤產(chǎn)業(yè)鏈“堵點(diǎn)”技術(shù)的突破。
