作為推進“碳中和”目標的重大技術之一，合成綠色航煤、綠色甲醇已成為當前國內外綠色低碳技術研發熱點。其中，被業界普遍認為是最合適的技術路線之一的生物質純氧氣化制合成氣技術，多年停留在產業化的“門檻”前，成了整條產業鏈的“堵點”。
近日，沈陽化工大學傳來消息，由該校許光文教授團隊聯合濟南黃臺煤氣爐有限公司創新建造的生物質流化床兩段純氧/蒸汽氣化制合成氣裝置完成萬噸級工業試驗和技術驗證，有望帶領行業跨過這道阻礙發展的“門檻”。
疏通行業兩大“堵點” 首次工業試驗成績亮眼
生物質氣化制合成氣技術“堵”在哪兒?
據沈陽化工大學教授、研究團隊成員韓振南介紹，利用流化床反應器的中溫生物質氣化過程會形成“焦油”，造成換熱面沾污和系統堵塞，因而，開發超低焦油的生物質氣化技術一直是該領域的重要研究前沿。同時，生物質制合成氣技術的工程化放大和產業化應用也亟待推進。
在此情景下，本次工業試驗一舉完成了“低焦油”和“工業性驗證”兩重突破。
“我們團隊從15年前就開展該技術研發，并在國家科技支撐技術、國家自然科學基金、國家重點研發計劃等支持下取得了重大原創性成果。”韓振南表示，本次突破有賴于沈陽化工大學研究團隊深厚的技術積累。自2010年開始，許光文教授研究團隊在該方向實施技術攻關和產業化，創新研發出超低焦油流化床兩段氣化技術。
具體來說，該技術將生物質氣化解耦為生物質熱解和熱解半焦氣化兩個過程，并重構這兩個過程，形成半焦的“催化”與“再生”完整循環，顯著強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，實現在氣化過程中焦油的深度脫除。
據悉，該技術已成功應用于中藥渣、白酒糟等輕工過程的生物質廢棄物，在河南、四川、山東、安徽等地建成了多套萬噸至5萬噸級原料的空氣氣化應用工程，燃氣焦油含量達到50毫克/標準立方米以下的國際先進技術指標。該技術還曾獲遼寧省技術發明一等獎、中國輕工業聯合會科技進步一等獎等。
此前，國內生物質氣化研究和產業化主要集中于空氣氣化制備工業燃氣，本次工業試驗是該技術在生物質純氧/蒸汽氣化方面的首次工業規模試驗，以水稻桿為原料完成110小時以上穩定運行，氣化效率80%以上，合成氣焦油含量低至0.58克/標準立方米，飛灰碳含量20%左右。這個“首次”取得的成果足令人鼓舞：不僅是迄今為止國內報道的試驗規模最大、連續運行時間最長的生物質純氧氣化裝置，其試驗的生物質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” 融合創新突破產業化難關
本次工業試驗圓滿成功，對于研究團隊而言，不啻是“輕舟已過萬重山”。盡管流化床兩段氣化技術曾在生物質空氣氣化方面取得了很好成果和業績，但在應用于純氧/蒸汽氣化時，依然存在許多阻礙。
“生物質純氧/蒸汽氣化采用的氣化劑是35%的純氧混合65%的水蒸氣，可以預料到，氣化爐局部飛溫和結渣是很容易發生的，一旦發生就必須停爐處理，嚴重時還會損壞設備。”韓振南介紹，解決難題關鍵在于操作條件和反應器結構的不斷優化，這需要長時間的摸索，包括理論預測、反應器內流化狀態預判、過程及裝備優化設計和驗證。
此外，生物質原料流動性差、不同原料成分差異大、灰分含量高、半焦結構強度低、飛灰產量大等一系列問題，也對試驗平臺穩定運行形成了巨大挑戰。
但曾攻克眾多技術難題的沈陽化工大學研究團隊已經對此做好了準備。韓振南笑道：“新技術從實驗室走向實際工業化需要巨大投入，也需要一批科研和產業一線工作者去努力克服挑戰。”
2024年年初，工業試驗平臺建設在濟南黃臺煤氣爐有限公司廠區內啟動，同年9月完成。研究團隊在2024年10月至2025年3月間，先后試驗運行十余次，消耗各類生物質原料300余噸，通過“試驗—優化—驗證”積累大量運行數據，分析并總結出最佳操作條件以及設備結構和參數。
同時，本次工業試驗也是科技創新與產業創新深度融合的典型實踐。合作單位濟南黃臺煤氣爐有限公司在試驗平臺建設和運行過程中，充分發揮了其技術工程化優勢，在核心反應器設計、關鍵工況判斷、操作規范化、人員培訓等方面提供重要支撐，保障了平臺安全可靠和長時間穩定運行。
“在雙方的共同努力下，我們最終實現了這一重大突破。”韓振南說。
技術產業化優勢顯著 將支撐產業鏈長遠發展
韓振南表示，本次工業試驗充分證明了流化床兩段氣化技術應用于生物質純氧/蒸汽氣化的可行性，同時，也系統性地驗證了該技術在保障合成氣品質、工藝裝置連續穩定運行、寬燃料適應性等方面的獨特優勢，展現了該技術制備生物質合成氣的技術先進性和進一步工程化的可行性，在國內外相關領域處于領先水平。
他進一步指出：“該技術通過簡單的反應解耦與重構，實現了氣化爐內低焦油生成和寬燃料適應性的技術優勢，無需復雜的爐外焦油裂解過程，具有更好的技術產業化前景，將成為未來支撐‘綠色甲醇、生物航油產業鏈’的生物質氣化核心技術的有力競爭者之一。”
當前，國際能源巨頭積極布局綠醇產業，全球已布局超過40個成規模的綠色甲醇項目;在我國，綠色甲醇也已被納入《產業結構調整指導目錄(2024年本)》新能源鼓勵類產業，是我國實現“雙碳”、建設現代能源體系的重要抓手。據估計，2030年我國綠色甲醇需求量將達500萬噸，2040年需求量將達2000萬噸。可以預見，該技術將在未來綠醇產業發展中發揮巨大潛能。
韓振南介紹說，基于本次成功的工業試驗，目前研究團隊正在與國內外大型企業開展技術工程化、產業化合作，一方面推進常壓生物質氣化技術的產業化示范，另一方面開展加壓氣化工藝和裝備開發，多維度地推動技術向實際工業的轉化應用，切實助力綠醇、生物航煤產業鏈“堵點”技術的突破。
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