第456期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《清洁燃烧技术》
讲座题目：透视新科技——清洁燃烧技术
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：吕清刚，中国科学院工程热物理研究所研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所工程师。
讲座时间：2023年5月15日～5月21日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——清洁燃烧技术
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。煤炭在我们生活当中非常常见，无论是在工业生产当中，还是家庭取暖当中，都会用到它，但是近些年我们发现煤炭除了带来温暖之外，也可以带来很多环境的问题。那是因为应用了传统的燃烧方式，那如何让煤炭变得更加清洁呢？今天让我们通过短片来走进我们的节目。煤炭在中国能源结构中占据50%以上的份额，而且在未来相当长的一段时间里，它仍将是中国的主要能源。燃煤排放的污染物会带来的气候变暖、酸雨、雾霾等危害，引起了普遍关注。能源需求与污染危害之间的矛盾如何解决？燃煤污染到底是煤炭本身的原因，还是人类使用它的方式不够完善？如今我国科学家研发了一种新的燃烧技术，能够把煤炭变成一种清洁能源，这项技术是什么？它会给我们的能源结构和环境带来怎样的变化？
首先介绍一下今天请到的两位嘉宾，中国科学院工程热物理研究所的吕清刚研究员。主持人好！观众朋友们好！另一位，是中国科学院力学研究所的工程师郭亮，欢迎郭亮！胜春你好！各位观众好！很多人一提到煤炭，这个能源的时候都敬而远之，我们还是尽量少用，因为它会造成空气污染。那我们为什么还要用煤炭呢？因为咱们国家的资源分布，就是煤多、缺油、少气，这是一个方面。还有一个就是煤炭它便宜，成本低，它的成本是天然气的六分之一，石油的九分之一，它就是便宜。但是便宜的东西，怎么能够（实现）清洁（燃烧），所以我们要寻找这些清洁的燃烧的方式，使得煤变成一个清洁的能源。那我是不是可以这样理解，实际上我们地球上存在的人类已经可以使用的这些煤炭不存在是否清洁与否，而是取决于我们利用的能力，取决于燃烧的方式。其实煤炭这个东西，如果你不去动它，它其实没有污染，那么什么时候它会发生污染？当你把它烧了的时候，在燃烧的过程中，它会产生相关的这种污染的这种气体，其实是因为它烧得不好，就产生了所谓的污染。您刚才用了一个词叫“烧得不好”才产生了污染，那我们怎么才能够让它烧得好？
传统的方式就是燃烧，我就是烧，烧带来的污染，那么我再去净化，现在我们希望能够在燃烧的过程中，就把这个污染降到最少或者是不产生（污染），那这个方式我们就叫清洁燃烧。举个例子，咱们家里边做饭的这个天然气，大家从来没有人说做完饭之后当然会有油烟，那是你炒菜的油烟，但从来没有人因为烧这个天然气，导致家里边食物中毒了，或者空气污染了，这是没有问题的。但你想想以前我们烧柴的时候，用那种大炉子的时候，用砖砌的这种炉子的时候，是不是一烧完了之后全都是烟、尘，这个就是我们说的不清洁的燃烧，所以这就是我们想达到的这样一个效果，拿来煤直接就可以烧完了之后也不用去处理，然后就能达到没有空气污染这样一个效果。煤，为什么会带来污染呢？煤炭是一种化石的燃料，它是古代的生物经过多年的物理化学形成的固体的燃料，它的主要成分是碳、氢、氮、硫等物质，主要的燃烧的成分是碳和氢，换成热量，但是还有一些杂质，那这些杂质就是硫和氮。这些（杂质）在燃烧的过程中，它会形成二氧化硫和氮氧化物，这些就带来的是污染，这是气（体）的污染，当然还有一些粉尘。
据统计，燃烧一吨标准煤将产生8.5千克二氧化硫和7.4千克氮氧化物，它们是煤炭燃烧后产生的主要气体污染物，这些污染物会造成酸雨，危害生态，也会给人体带来伤害。为了减少燃煤的二氧化硫排放，中国科学家们研发了很多方法，通过一系列严密的脱硫程序，烟气中99.5%的二氧化硫可以被清除掉，达到了超低排放的标准。而相比较而言，要实现氮氧化物的减排就没有那么容易。目前，氮氧化物的脱除方法主要是还原技术，也就是通过加入氨水等还原剂降低燃煤烟气中氮氧化物的含量。但是受限于技术水平和实际操作条件等因素，氮氧化物的实际排放虽然已经达到了国家标准，但是距离科学家们想要实现的超低排放标准还有一定距离。如何去除氮氧化物，成为降低燃煤污染的关键所在。我们在锅炉中很多地方也可以看到它的净化系统，也有一套这个系统，那它的这个净化，有什么不足和弊端吗？传统的燃烧，燃烧燃尽了就是可劲烧，污染了之后我们加一个净化系统，这个净化系统有什么问题呢？第一个它需要有这个脱硝剂，我们叫氮氧化物转成氮气的话是什么呢？就是氨水，氨水是一个还原剂，你加氨水就提高了成本。第二，还原反应是化学反应，它都有温度窗口。它反应的慢，加催化剂。让它催化加速反应，催化剂是重金属，它们都有寿命的，一旦这个催化剂失效了之后，它就要废弃，重金属废弃了是二次污染。第三，就是当这个锅炉的负荷，也就是说我（锅炉）出力，我（锅炉）这个功率小了一点或大一点变化的时候，它这个净化系统常常失效。
让这些煤炭变成清洁的能源，那我们要改变一种燃烧的方式，我们把这重点放在清洁两个字上，我们怎么来理解这个清洁？举一个日常生活中的例子，以前北方在咱们这个科技化这个程度不高的时候，咱们每一家都烧一个这种小煤炉。取暖炉。对对对，因为天太冷了，所以我们要烧这个炉子，但大家都知道每一家烧这个炉子的时候，它的这个取暖的这个效率是非常低的，为什么？因为你的炉子小，然后你燃烧的这个温度也不够，那么甚至他们有人处理不好的时候，还会出现一氧化碳中毒这种极端的现象。后来我们变成什么样呢？变成大家一起变成集中供暖，那么集中供暖大家发现暖气热了，然后集中在一个地方烧，那它烧的这个器具用的这个效率是高的，那我们用的这种科技化的产品，而且规模化运营，这时候污染就比原来降低的多，而老百姓还感觉屋里边暖和了。那我们现在说的这种清洁燃烧其实也类似清洁燃烧的意思就是我还是要燃烧，我的目的就是把热量激发出来供我所用，在热量激发出来供我所用的前提下，我不带来额外的污染物，或者说我把我的污染物控制在最低最低限度内，能够达到国家标准直排的这种方式，就是所谓的清洁燃烧。所以原来我们的干法就是变成吕老师刚才提到的，原来我们的干法是我们不清洁燃烧，但是我们先烧，把热量拿到了之后我再想办法把这些废物，这些污染物再把它杀死，想办法给它清洗、处理，用这种后处理这种方式，而我们现在怎么样？
我在烧的时候，我就不让你的污染物跑出来，那随便烧。那我们现在做（研究）燃烧技术是清洁燃烧技术，它的原理是非常非常明确的，就是我能够在燃烧之前做一个燃烧器，这个燃烧器带预处理的功能，就是说把煤用自身的热量来加热一部分，烧一部分大概10%-20%，烧起来之后，这个燃烧器出来的东西就是变成煤气和焦粉，它带来了很多很多的优势和好处。这时候的燃料中的煤中的氮直接转化成氮气了，所以它就不是氮氧化物，就氮的转化路径就变掉了。举这样一个例子，炖牛肉，如果你直接拿它大火呼呼呼炖，炖完了之后，大家可能就觉得要么有膻味，要么觉得这个东西口感不好，不好吃，那我怎么办？先焯一下，然后把这个沫打掉，我先用一定的温度先把它，这里边的其他的我不想要的东西，先把它挤出来，我再进行我的加工，它的味道可能会更好。这个其实形式上，有点类似于我们现在做这种清洁燃烧。它在燃烧之前，我给你推到炉膛之前，我先给你加温，让你自己先烧自己，烧一点点，烧完了之后温度就上升了，上升了之后达到一定温度了之后，你会发现这里边的所谓的这个氮元素它就待不住了，待不住了它就会出来，出来的时候，正常它如果在炉膛里，因为有氧气，它就跟氧气结合，这就变成我们不想要的那些一氧化氮、二氧化氮。
那我在前面给你加热的时候，没有氧气，憋着你，你自己还要冒泡冒出来，所以它就变成了氮气。氮气是我们日常空气中有大量的氮气，无害的。举例子形式上有点像，咱们先把这个血水沫先焯掉。焯水的过程。对，然后你再去煎、炒、烹、炸，然后就可以是“好吃的”清洁能源了。的确是这样一个思路。那么有多少燃料的氮能转成这个氮气呢？在这一个小的环节里边，50%已经转换成氮气了，这个量很大。50%都可以转化。没错，我们进到炉膛里去，再深度的分级燃烧。把那50%去掉，在这个里边就是我会控制温度。按照我们这个实践证明，在1300（摄氏）度以上，随着温度的提高，会有大量的氮气转换成氮氧化物，所以，它就有大量的氮氧化物出来了，有害物质出来了。而我们现在深度分级的时候，因为我们对燃料改性了，所以它（需要）的（燃烧）温度大幅度降低，在1100（摄氏）度1000（摄氏）度就烧得很好，我在低温的时候，我把它解决掉了。但是不是100%都去掉了呢？这是显然是不可能的，总是有一点量。所以，我们一般来衡量，现在就是说作为它的这排放的一个值很关键，就是50毫克每标立方米这是氮氧化物的浓度，这个我们就是常说的超低排放，它的排放水平比天然气还干净，所以我们说这个清洁燃烧的技术，它的把煤能够也能作为一个清洁能源利用这个思路，就是（有）这个核心的含义在里边。
新的燃烧方式，是在煤炭被送入炉灶燃烧之前。先经过一个预燃烧的过程，在这个过程中，煤炭中50%的氮元素，因为没有氧气与其反应，只能转化为氮气被排出。在预燃烧之后，煤炭进入炉灶内开始燃烧。这时再通过燃烧温度的控制，让剩下的氮元素无法生成氮氧化物，同样转化为氮气排出，这样燃煤烟气中的氮氧化物排放就达到了超低标准。改变了过去我们传统，对什么叫清洁能能源的这种认识。国际的标准氮氧化物（排放）标准，一般排放在150毫克每标立方米，他们就认为达到标准就可以排放了。咱们国家在2011年实行的标准是100毫克，真正执行的时候到地方政府到城市的时候，希望50毫克每标立方米，所以这个指标100毫克和50毫克这个标准就是国际上最先进的。
那这项技术除了清洁之外，还有其他的优势吗？第一个，它是烧的比较快，因为改性了之后，它的活性增加，烧的比较快，意味这个能量密度高，（所需）体积小，我将来的燃烧的装置，这个设备的成本就降低了。举个例子，就是以前的时候烧那种木材来取暖，那你说木材会烧的很慢，尤其是打湿了的木材，对不对？我们就经常讲土话，我们叫不好烧，你感觉这个东西就是烧起来达不到你想要的那个预期。所以我们其实希望的是什么样子，我们希望的是这个热量放的这个，能够在同样的这种热效率的情况下，你能尽快地把你处理掉，那么你还能把你所有的热效率全都释放出来。这个我们的理解是不是比较费煤？比较费燃料啊？不，如果说我们衡量它的烧的效率高不高，就看它烧没烧透，所以我第一个烧的快，就很快都烧完了。但是你要把热量捕捉下来，捕捉不下来它跑掉了。第二个，我们烧得干净，烧得干净就是说我很快，就把它烧成全部都转化成热能。这个时候这样子的话，就是提高了效率，提高燃尽它烧不完还留点碳，那它就没烧透，所以这个能烧透，这两个是两个优点。什么叫烧得快又烧得透？
比如说小孩儿玩的这种鞭炮，你会把火药你一点烧没了，为什么？就是因为它烧的快，但是你说热量是不是都消耗掉了。没错，什么都没留下，我希望就是一下把它的能量全部释放掉，然后我又都收集起来了，所以这是所谓的烧得快。烧得透，其实是跟刚才说的相辅相成，就看你留没留下所谓的残骸，你留下的残骸，这个余灰留的越多，那你的释放的这部分的比例就越小。所以咱们经常看到那种，比如说我烧一堆炭或者什么之类的，你会发现风一吹它还会呼呼呼呼还会着，这就是因为它没有完全被消耗掉，所以烧得快烧得透，是一个锅炉非常重要的指标。那么烧得越快，烧得越透，这个锅炉的效能越好。第三个优点，我们叫功率。设计多大功率它就是多大功率，另一个（说法）就叫负荷，你是满负荷还是低负荷、变负荷。北方采暖的话，就是晚上（需要的负荷）多一点，白天（需要的负荷）少点，因为晚上天气比较凉，那这个是一个优点。以前不能控制，以前因为传统的这个燃烧（技术）是燃料跟风送到炉膛内再去烧，（新的燃烧技术）因为进到炉膛里就是火了已经，所以配上风那我要你快一点，我配的风多一点，我烧的慢一点，我配的风少一点，这个时候就叫深度分级燃烧，我可以多产生一点热量，可以少产生一点热量。
有点类似于什么，打火机，咱们见着打火机。是有一个可以调的那个钮对不对？我想少烧一点我就调小一点，打开它就这么长，如果我想长一点那火大一点，我就把它多放一点，这个时候我就实现了我人为可控。这个分级燃烧，其实对于我们来说是我有的时候像刚才吕老师说到的，我晚上的时候和白天的时候我需要的能量不同。然后同时在不同温度燃烧的时候，可能会带来不一样的产物，那么我们这个时候可以按照我的需求来进行调节，这样儿的话就是变成可控的这种燃烧了，既然可控的燃烧带来的好处就非常多了。还有一点，就是刚才提到的这个煤是个化石燃料，它是地理非常复杂生成的，所以它的煤质有很多种。那我这个就是都能烧，不仅这个能烧，包括煤基的燃料，比方说半焦（煤）这种固体一些可燃的废弃物，我都用这些就可以烧。是叫不挑煤是吧？不挑煤，没错，它既是能够干净又能调节，烧得又透，然后又不挑煤，是这样一个技术作用优点还是很明显的。那它节能吗？节能，原来的一般的效率，燃烧效率能达到97%、98%就不错了，那我们这是99%以上，甚至99.5%是这样一个状态。差这个两个百分点，是什么样的区别？咱们国家有25亿吨煤在燃烧，如果你想想，你一个点差多少？量非常大，按百万吨，千万吨计。
新型的清洁燃烧技术，在做到煤炭利用清洁高效的同时，还能够降低生产成本。据研究人员统计，以一台容量为每小时40吨的煤粉锅炉为例，相较于传统的燃烧方法，采用最新的清洁燃烧技术，每年可减少生成氮氧化物约200吨，节省氨水800吨，降低维护和运行成本约100万元。目前我国容量为每小时60吨以下的工业锅炉约49万台，若其中10%的锅炉采用新的燃烧技术。每年可减排氮氧化物约225万吨，节约烟气净化成本100亿元，清洁燃烧技术的推广应用将有利推动行业的技术装备升级。2020年政府工作报告中强调了推进煤炭清洁高效利用，到底该如何更清洁高效的利用煤炭，科学家给出了初步的答案。那么，如此先进的清洁燃烧技术目前发展状况如何？是否已经得到广泛的推广？还在应用当中还存在哪些问题？目前我们国家的清洁燃烧技术，它的应用在哪里，取得了哪些成果，能跟我们分享一下吗？
现在这是像一个新的创新的，也是咱们国家原创型的这样一个技术，已经完成了实验室的实验，走出去，走到工业上。我们首先是在工业煤粉锅炉上利用，因为现在的污染，电站那部分污染相对来说，加上处理（系统）之后处理的差不多了，它有大量的这个净化系统，但是工业锅炉咱们国家现在有49万台左右，量很大，污染也很重。那我们针对这个已经完成了技术示范和在山东、陕西，完全了技术示范和商业运行，现在这个阶段。下一步我们想产业化和大量地去推广使用，把这个技术的优点充分发挥出来。目前应用的这个反应如何？反应的效果非常好。比方说我们在陕西的一个项目，工人烧完之后，他这个操作工，他说你这个炉子是“傻瓜炉”，以前的这个炉子，你（锅炉负荷）稍微波动一点，或者（燃料）成分稍微变一点，那火焰稳定性很差，那他总是担心灭火，总是要化验这个燃料行不行，不行赶紧调整。我这里面因为燃料的适应性好，所以他说你来什么我烧什么，我不用去动它。然后另一个就是你不灭火，我也不用去严格看温度，我只要看燃烬性没有问题了，然后就看那个氮氧化物，就是那个排放值，那环保是直接有这个在线显示的，他就看这个，这个不动他什么都不动。所以他很轻松，原来的甚至10分钟、20分钟，每分钟都在调，现在呢一个小时、两个小时，不动它。
那目前它在推广的阶段，遇到过什么难题吗？第一个，就是说现在有49万台锅炉在用着，所以，因为锅炉这套系统是一个压力容器，它有很强的这个检测、资质等等这些，所以我们要对它进行改造，这是一个大的我们要面对的事情。就是怎么把传统的（锅炉），我用我的燃烧技术去改造。因为每一个煤种和用户要求都不一样，需要你量体裁衣，这有大量的工程化的研究和设计，就是说你现在这个技术很好，它这个装置是这个样子，你能够适应性让你的这个技术能跟原来的装置去掉一部分，它能够合为一体，能达到这个效果。所以这里边的大量的这个技术问题和工程化难题。然后第二个，我们要把这个先进的清洁的燃烧的系统和方式，能跟锅炉结合起来，然后让它的进化系统可以弱化甚至没有了，这个的研发和技术到工程化这有大量的工作去做。那有这么好的清洁燃烧的这个锅炉，除了在工业上的应用，还在哪些领域有尝试应用呢？
我们现在是用在工业锅炉上，主要的是说提供蒸汽工业生产过程之中。下一个就是在工业窑炉，我们国家大量的工业窑炉是生产建材、玻璃、冶金，那咱们国家都是大户，包括水泥，这些我们在这里边要去拓展应用，这是一方面。还有一方面我们刚用在工业锅炉上，我们要放大，参数放大，规模放大之后有规模的效应，成本更低，我们用在电站锅炉上，所以这两个大的方面是将来要去做的事情。还有一个就是北方的采暖的锅炉，我们要用这种清洁的技术，这三个方面，三个领域是我们要去拓展。我们畅想一下未来我们能够用上这种清洁能源燃烧的锅炉之后，对我们整个社会的影响带来的将会是什么？其实我认为最大的一个影响，就是大家对这种能源会有一定的直观认识的改变，类似于我们现在都一样，老百姓你只要说烧煤，脑子里第一反应就烟，然后黑，然后脏。然后就觉得你烧油，我就觉得高端，所以这个是最近这10年左右，大家的一个印象，这个印象一旦根深蒂固到大家的脑子里就很难改变了，我们国家的现状在这，煤就是多，我们别的不行，那么这样的话怎么办？
我只能是让煤去接近这些高效的能源，那我们通过这种方式，如果把煤的这个弊端解决掉了，那是剩下的全是它的好处，那我们国家有这么多的煤，那我们国家的这个能源体系和能源结构可能就会受（得）到一个非常大的一个改观。现在我们都说大家在争抢石油，它是因为有好多的好处，那如果我能在煤这个阶段，我把它基础的这些，不管是锅炉，用电，我都能用清洁的燃烧煤的这种方式来解决掉的话，那我就可以把油用在那些不适合煤的方式，比如说汽车、坦克、飞机，对吧，这个时候我的能源结构就会调的非常顺了。同时由于它的效率高，它的体积又小，然后操作起来又安全，因为锅炉的安全问题其实出现过非常多次，等等这些好处来了之后，那你会发现大家就不会再为这个能源去操心，去烦心了，我们会把更多的精力用在它能带来的这种实惠上，一定生活水平是要提升。另外还有一点，就是现在我们强调大力发展可再生能源，特别是太阳能、风能，但是它有一个特点，它有一定的不稳定性，比方说白天、晴天、阴天差别很大，到了夜晚（没有阳光）这是波动的，风也是这样，这个时候咱们用户的需求，并不会说我今天有风了，所以我要多用点儿电，它还是按正常的生活，那怎么办？
就需要燃煤发电来补充，也就是你要大幅度的调节。这个调节的过程之中就是接纳可再生能源，因为它毕竟是那个可再生，长期可以使用，没有温室气体产生，所以大家提倡，那这个时候这个技术完全可以接纳，常规的技术非常困难。那我们过去传统的火电技术又可以登堂入室地重新回到我们的身边了，而且带动了一个整个的行业。对，是一个很大的一个产业行业。作为研究清洁能源燃烧的人来怎么畅想它的未来。我们把这个抽象出来，它是一种燃烧的方式的思路和技术，它这个事情不只是用在煤上，包括用在咱们汽车发动机，发动机都是用油，那油它要烧起来，它是雾化，如果说按照这个自预热，把它变成煤气这个思路的话，油自预热蒸发变成油烧气，就解决了雾化的问题，那这个时候它烧油的发动机又发生本质的变化。这种技术可以举一反三。可以举一反三，包括燃汽轮机也是这样，如果把燃料提前加热，变成这个油蒸汽气体去烧，那个烧的更完全更彻底，氮氧化物更低。所以我觉得这个技术在这个方面不只是说在煤上，在气体燃料，在液体燃料上仍然有很大的技术的这个科学的这个思路在里面，所以它的将来的这个拓展的领域还是很多。
今天非常感谢两位来到我们的演播室当中，跟我们共同分享一项新的技术，展现在大家面前清洁燃烧的这样一个概念，这个清洁燃烧的概念让我们可以大胆地畅想未来我们的环境会变得更美，水会更清，天会变得更蓝。好，也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
