PDF《8 专题 TOPIC》

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2017 年3月10 日 星期五 Tel: (010)

62580821 主编: 张思玮 编辑: 韩天琪 校对: 傅克伟 E-mail押zhoumoban@stimes.

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8 图于 泸州老窖

5 万吨/年白酒丢糟双流化床 解耦燃烧成套工程照片 图盂山东步长制药

5 万吨/年中药渣流 化床两段气化成套工程照片

1 热转化反应解耦原理与方法 解耦热转化是对中科院过程所的老一辈 科学家在上世纪

80 年代初提出的 煤拔头 工艺、上世纪

80 年代末研究的秸秆双流化床气 化制燃气工艺、上世纪

90 年代中提出的低 NOx 排放煤解耦燃烧技术所蕴含的科学方法 的传承和拓展.感谢前辈们的卓越工作给我们 带来的科学启示. 本文也是对中科院过程所在燃料热转化 方面持续开展的创新工作的总结.感谢研究人 员和研究生的不懈努力和团结合作, 更真诚地 感谢:各级领导和部门多年来的一直关心、 支 持和帮助;

中国科学院、 中国科学技术部、 国家 自然科学基金委的项目和经费支持, 澳大利亚 Curtin 大学、 哈尔滨工业大学、 华中科技大学、 山东大学在研究与学术方面的合作;

泸州老窖 股份有限公司、仲景宛西制药股份有限公司、 山东步长制药有限公司、 长春工程学院设计研 究院、 四川安装工程公司、 山东百川同创能源 技术有限公司、 张家港市华电电力设备制造有 限公司、 北京中科洁创能源技术有限公司等企 业在工程实施、 工程开发、 装备制造、 系统控 制、 仪器研制等方面的大力协作和支持. 在电子、 自控、 社会、 经济等领域, 解耦 (decoupling) 被广泛用于表述消除 系统中各子过程与总目标、零部件与整 体性能间的关联和协同变化及所采取的 技术方法, 如经济增长与资源消耗增加、 环境污染加剧的解耦.煤炭、 生物质等碳 氢燃料热解、气化、燃烧等热化学转化 (热转化) 过程涉及复杂的化学反应体 系, 发生许多相互作用的化学反应, 单个 化学反应被称为 属性反应 (Attribution reaction) .燃料热转化领域的 解耦 指 调控属性反应间相互作用、实现热转化 过程优化的技术方法.相比于各属性反 应发生于相同时空的完全耦合热转化, 通过消除属性反应间的耦合作用、根据 需要重组反应,可充分利用有利的相互 作用、 抑制不利的相互影响, 实现转化过 程的高效率、 低污染, 产品高品质及高价 值化, 增强对燃料的适应性等.这种基于 调控属性反应间相互作用而创新的燃料 热转化技术归纳为 解耦热转化技术 , 其科学基础是属性反应间相互作用特性 及对其调控的技术方法.研究和调控属 性反应间相互作用对热转化反应的测试 也提出了新要求,推动了热转化反应分 析手段和仪器的创新. 反应解耦 推动燃料热化学转化技术创新发展 宏观上表现为热解 / 焦化、 气化、 燃烧等 不同燃料热化学转化过程,在反应本质上都 经历类似的物理变化和化学反应.在热的作 用下依次发生燃料干燥、 燃料大分子热解, 热 解产物二次反应及其与供入的反应剂相互作 用发生系列反应, 包括固体半焦气化, 大分子 气相产物热分解 / 裂解、 重整、 加氢, 热裂解 产物聚合、 气相产物水蒸气变换等.如果反应 剂中含有氧气, 所有可燃物质, 包括半焦和可 燃性气体将同时发生燃烧反应,为反应系统 提供反应热.这些单个属性反应的发生程度 随宏观热转化过程, 即热解 / 焦化、 气化、 燃 烧而不同, 部分甚至可以忽略, 如燃烧过程可 以忽略重整、 加氢、 聚合等化学反应, 但化学 本质上所有燃料热转化过程都对应类似的化 学反应体系. 各种属性反应产生中间或最终产物, 其 同时对系统中很多其他属性反应发生影响和 作用.有的通过催化、 吸收和提供自由基等促 进宏观转化进程、 提高产率、 增加转化效率和 降低污染物排放,有的则通过改变反应气氛 阻碍或抑制反应进程、 降低目标产品产率、 增 加污染物排放等.属性反应间相互作用是决 定燃料热转化宏观过程的整体效率、产品价 值及品质、 污染排放、 技术之燃料适应性等的 关键.通过属性反应间相互作用, 使燃料热转 化过程发生的化学反应相互关联,构成复杂 的反应体系及网络.认识和把握燃料热转化 复杂反应体系中存在的中间及最终产物对各 种化学反应及物理变化的作用规律是调控燃 料热转化反应行为、优化热转化宏观过程的 关键课题. 如果各种属性反应在相同时空完全耦 合, 无法调控单一反应及其产物同其它反应 间的相互作用, 以最大化有益作用、 最小化 或消除不利影响. 这种相互作用的定向调控 要求反应解耦 (Reaction decoupling) , 即解除 反应网络中有的产物及反应与其他反应间 的耦合作用关系, 使热转化反应体系被分解 为两个反应簇,进而依据隔离 (Isolating) 和 分级 (Staging) 两种方法重组, 对应分别形 成 双床转化 (Dual bed conversion) 和 分级 转化 (Staging conversion) 两类解耦热转化技 术.前者的两簇反应过程和产物相互隔离, 形成至少两种产品;

后者利用多个或多级反 应器, 使两簇化学反应发生于不同的空间或 时间,强化利用或抑制某个或某类相互作 用, 但形成唯一目标产品. 实际应用中, 还可 联合隔离和分级两种基本方法, 创新复合解 耦热转化技术. 除反应间相互作用,复杂化学反应体系中对反 应的作用还发生于反应物及催化剂的微观界面、 反 应与环境间的宏观界面.反应调控因此还包括控制 在微观和宏观界面上发生的各种相互作用,存在不 同尺度的反应调控.反应系统与反应器间形成宏观 作用界面, 所有作用于反应器的宏观条件变化, 如改 变反应器类型、 温度、 压力、 外场条件等属于宏观反 应调控.另一方面, 单个反应在反应物、 催化剂和介 质等提供的均相和非均相活性位发生分子间相互作 用, 代表微观尺度界面上对反应的作用, 对应微观反 应调控. 微观和宏观尺度间发生属性反应, 通过解耦 调控其相互作用代表介尺度反应调控. 燃料热转化领域的 解耦 及 解耦热转化 已获 得广泛共识.中科院过程所研究人员于

1997 年创新 解耦燃烧 (Decoupling combustion) 技术, 首次提出了 燃料热转化中的 解耦 思想.2005 年, 同所提出了 解耦气化 技术工艺,

2010 年在杂志 Energy &

Fuels 发表 Decoupling gasification 综述、 并开发微型流化 床反应分析仪,研究热解与燃烧 / 气化反应的解耦.

2013 年该所许光文研究员与澳大利亚 Curtin 大学 Chun-zhu Li 教授合作编辑了杂志 Fuel 专辑 De- coupled thermochemical conversion , 同年于 Energy &

Fuel 发表综述 Technical review on thermochemical conversion based on decoupling for solid carbonaceous fuels .

2016 年在科学出版基金支持下出版了 《解耦热 化学转化基础与技术》 专著. 有关解耦热转化基础与技术的研究, 中科院过程 所团队已发表

200 多篇 SCI 索引的学术论文, 获得了

30 多项中国发明专利、 多项国际专利授权.创新研发 的微型流化床反应分析仪于

2010 年和

2014 年分别 获得了中国分析测试协会科学技术奖一等奖和中国 仪器仪表协会自主创新金奖. 发起了 Int. Symposium on Gasification and Its Applications(iSGA) , 已先后在 上海、 福冈、 温哥华、 维也纳、 釜山成功举办了五次. 还在World Congress of Chem. Eng., World Congress of Particle Technology 等国际会议上组织召开了 Dual Bed Conversion, Micro Fluidized Bed 等专题研讨会, 并于相关的主要国内外学术会议作主题、 大会报告及 受邀访问报告

40 多次,包括 8th World Congress of Chem. Eng.(WCCE8) ,11th Int.Conf. on Fluidized Bed Technology (CFB-11) ,Fluidization XV(图⑥下, Ple- nary) 等. 解耦热转化研究热转化属性反应间相互作用, 是 化学反应工程的典型介尺度科学问题. 反应解耦是创 新燃料热转化技术的有效方法和手段, 国内外报道的 解耦热转化新技术、 新工艺的应用证明了: 通过创新 反应解耦可实现高效率转化、 高品质生产、 高燃料适 应性、 低污染物排放及高价值联产 (化学品 / 能源) 等 技术先进性.因此, 解耦热转化将进一步持续创新和 发展, 推动煤炭、 生物质等碳氢燃料利用技术的不断 升级, 并推进热反应分析、 反应工程等学科的创新. 追记 解耦热转化研究发展及展望

5 中科院过程所创新研发的燃料解耦热转 化技术已在轻工生物质废物处理与利用方面 实现了多项应用.图于为

5 万吨 / 年白酒丢 糟双流化床解耦燃烧技术成套工程照片.白 酒丢糟含水 65%、 干基含氮 4%左右.传统技 术实现稳定燃烧要求深度脱水 (如达含水 20%以下) , 且烟气 NOx 排放超标.双流化床 解耦燃烧技术可直接处理 35%含水白酒丢 糟,相对传统流化燃烧降低 NOx 排放 70%. 该工程于

2015 年1月建成, 同年

6 月连续运 行, 为白酒酿造过程提供压力

10 公斤的过程 蒸汽.

2016 年12 月国家气体产品质量监督检 验中心组织现场测试:排放烟气 NOx 浓度 50ppm,实现了高含氮燃料的低 NOx 燃烧, 其年减排白酒丢糟

5 万吨, CO2 约2.2 万吨、 直接年产值

2000 万元, 支撑年产值

7 亿元的 1.6 万吨白酒清洁生产.泸州酒业园区还正在 启动

10 万吨白酒酿造园的建设,将于

2018 年底前配套建成

20 万吨双流化床解耦燃烧 技术装置, 为年

40 多亿元的白酒产值提供清 洁保障,也是国内外最大规模的白酒丢糟处 理工程及单台白酒丢糟处理装置,引领领域 的技术发展. 中药生产过程必然产生大量的中药渣, 含水 75%以上、 质软甚至可能受热粘结, 难于 处理.利用流化床两段气化技术, 在仲景宛西 制药股份有限公司和山东步长制药有限公司 将中药渣转变为低焦油生物燃气,替代部分 天然气, 生产

10 公斤压力过程蒸汽.两装置 先后分别于

2014 年5月和

2016 年6月实现 稳定运行,图盂为建于山东步长制药有限公 司的年处理

5 万吨 / 年中药渣能源化应用工 程.2016 年4月国家气........