这个二等奖，有很高“含金量”

——化学链转化技术让煤炭燃烧更清洁更高效

7月16日，在宁夏回族自治区科学技术奖励大会上，由宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室主任郭庆杰教授领军，历时10年完成的“复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术”成果，荣获科技进步二等奖。这是宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室去年正式成立运行以来取得的一项标志性重大科技成果。

这个二等奖，有很高“含金量”

能源的洁净高效利用和温室气体二氧化碳捕集是当今世界能源和环境研究的学科前沿，绿色、生态、环保，是党中央制定的重大国家战略，基于我国富煤贫油的能源结构特点，煤炭洁净高效转化及碳减排是我国能源和环境可持续发展必然之路。复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术，主要围绕复合载氧体-固体燃料化学链燃烧、气化技术，开展一系列相关研究，把特定的化学反应通过化学媒介的传递作用分多步反应，化学链转化技术根据用途可分为化学链燃烧技术、化学链气化技术、化学链制氢技术等。这项新技术首次将煤燃烧这种有明火的反应变为无明火的反应，可实现能量的梯级利用，并实现多个反应物的非直接接触，避免热力型氮氧化物生成，无需消耗能量，实现二氧化碳的高效捕获。

化学链燃烧技术，从根本上变革了传统能源利用理念，为化石能源的清洁高效利用提供了全新的思路。化学链燃烧技术具有多方面的优势，燃烧系统不可逆的火用损小于传统燃烧，热效率大大提高，对燃气轮机化学链燃烧系统的分析表明，不可逆火用损失的减少将使化学链燃烧系统的最优效率达到55.19%。相对于热效率不足40%的燃煤电站，化学链燃烧具有广阔的市场前景。化学链燃烧系统不需为CO2分离消耗额外的能量，对各种煤基发电技术而言，考虑CO2的捕集会大大提高系统的发电成本和降低系统的供电效率。考虑CO2的捕集后，常规燃煤电站的发电成本将从65㊣/MWh增大到115㊣/MWh，供电效率从38%降低到25%; IGCC燃煤电站从80㊣/MWh增大到100㊣/MWh，供电效率从37.5%降低到32%。而CO2的捕集对化学链燃烧的成本及效率几乎没有影响，完全可替代其他需要消耗巨大能量的CO2分离方案，所以化学链燃烧技术是一种变革性技术。

复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术，围绕煤等固体燃料化学链转化及应用，建立了以等转化率非等温动力学方法为核心的复杂反应体系反应机理的新方法，在世界上首次系统研究了载氧体CaSO4—煤炭—气化剂复杂反应体系的反应机理及其动力学，为钙基载氧体在化学链系统中流化床燃料反应器、流化床空气反应器的设计奠定了理论基础。首次提出耦合载氧-载热-载碳-催化不同功能的复合载氧体概念。首次建立了复合载氧体廉价规模化制备技术，并制备了有工业应用价值的系列多功能复合载氧体。形成了载氧体/煤炭颗粒燃烧/气化过程中抑硫新技术，提高了复合载氧体的再生性能，减少了生成烟气中的硫含量。建立了煤化学链气化新工艺。通过载氧体的定向设计和载氧体—煤比的控制，实现了化学链技术在煤气化领域的应用，拓展了化学链技术的应用范围。形成了具有自主知识产权的燃料流化床三区反应器，延长了气化停留时间，提高了煤炭化学链气化利用效率。基于我国工业节能减排要求和环保压力。

这个二等奖，十年磨一剑

复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术，从2006年开始设立项目， 2007年被列为教育部新世纪人才项目，获得国家基金项目资金支持，开始进行系统研究。郭庆杰教授长期从事煤液化和煤化工工艺研究，他较早关注能源的有效利用与绿色环保，在国际上首次提出了化学链气化技术的新概念。化学链气化技术概念一经提出，便得到国内外相关领域科学家的广泛关注，被誉为“第三代煤气化技术”。传统的煤气化技术利用空分装置分离出O2，与煤发生氧化还原反应，制备合成气。而煤化学链气化技术，则将煤催化气化技术与化学链技术耦合在一起，由载氧体提供煤气化所需的氧，无需空分装置，节约生产成本，且载氧体颗粒在气化反应器和空气反应器之间的可循环使用，最大限度地实现了氧与热量的传递，是一种新型的清洁煤气化新方法、新技术、新工艺。

从设计化学链燃烧的氧化反应器和化学反应器，到研究燃烧的整个工艺，研究发现，化学链燃烧变热，不能用于化学加工，因此郭庆杰设想让其部分燃烧，即不完全燃烧，由此提出化学链气化的概念。事实上，化学链燃烧和化学链气化的正氧体设计是不一样的，在国家重点研发计划上，郭庆杰教授首次提出此观点后，很多专家都不理解。从消耗全部乙醛，到后来部分消耗，加热能力也不一样。郭庆杰教授提出了适合化学链气化的再氧体概念，然后研究制作氢化反应器和氧化反应器。为解决化学链燃烧过程中再氧体的活性、模式、酸碱等问题，郭庆杰提出符合正氧体的概念，如无机金属矿物质结合，综合其优点，设计工业能用的再氧体。经过与企业的合作研究，突破了每天2.4吨再氧体的能力，这在国际上是首次实现，为反应器设计打下基础。

经过2013年到2014年两年的反复试验，郭庆杰带领他的团队，掌握了氧化反应器和化学反应器设计的规律，接着进行放大项目规模，2016年自治区科技厅支持煤炭利用创新团队，给予了资金支持，从而有了工业放大的基础。该项目已通过自治区重点研发计划立项，与庆房煤炭集团化工有限公司进行合作放大，已经进入工业化进程，证明技术完全可行，目前正在建立工厂，随后进行大规模实验，进入工业化应用阶段。复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术，在长达10年的研发过程中，先后有师生30多人参与，一批接着一批干，有的人中途离开团队，有的人留下智慧成为无名英雄。

“此次获奖仅仅是一个新阶段的开始，复合载氧体-固体燃料化学链转化机理和技术，获授权国家发明专利5项，发表论文33篇，其中SCI收录18篇，他引211次，单篇最高48次。该项目成果为化学链技术在煤等固体燃料转化领域的应用奠定了基础，在工业节能与碳减领域具有很好的应用前景。化学链气化技术具有明显的经济效益和社会效益，不需空分装置，投资和运行成本低。载氧体对煤气化过程有一定的催化作用，可降低污染物的排放，可以对目前小型工业窑炉、气化炉（用煤量小于500t/d）进行更新换代，为化工等企业提供高效清洁的热、电、气，缓解‘气荒’，化学链气化生产1GJ的合成气成本比相应的传统煤气化节可约45元，以年处理量一万吨的煤化学链气化工艺为例，每年可节省565万元，利用化学链气化技术将粉焦气化，可解决焦炭行业粉焦综合提质利用的瓶颈问题，提高企业经济效益。化学链气化技术燃料适用广，可为新农村建设提供清洁燃气，具有显著的社会效益。”郭庆杰教授最后介绍说。

（作者 封宏砚 原载《宁夏大学报》 2018年7月16日）