——记清华大学山西清洁能源研究院常务副院长张建胜

　　□　李明丽
　　
　　
　　

　　
　　中国煤炭储量丰富，然而，煤化程度较低的低阶煤和高灰分、高灰熔点、高硫的“三高煤”占据了中国煤炭的半壁江山，这不仅使煤炭资源得不到充分运用，还导致严重的环境污染问题。随着能源与环境双重压力的不断升级，如何把煤炭高效清洁的“吃干榨净”，成为中国煤炭科技人员最紧迫的任务之一。煤气化技术，作为洁净高效利用煤炭的主要途径之一，对于身陷能源于环境困局的中国来说，就像一颗火种，照亮了一条充满希望的道路：它不仅是煤炭深加工、转化的先导技术，而且还是“绿色煤电”、煤化工、煤制油过程中，实现煤炭综合利用和无污染排放的关键技术和龙头技术，对于中国减轻燃煤造成的环境污染，降低对进口石油依赖具有重大意义。
　　17年前，为了打破国外在煤气化技术领域对我国的垄断，怀揣“核心技术必须在我”梦想的张建胜毅然从循环流化床燃烧研究领域转到现代煤气化技术领域，带领产学研团队，先后开发了三代具有自主知识产权的清华气化炉工艺技术，并进行了成功的商业应用，使我国的煤气化技术进入世界领先水平。
　　梦想，因付诸行动才神圣，因持之以恒而伟大。回顾煤气化技术开发之路，那是张建胜的人生筑梦路。在这条路上，他带领团队披荆斩棘，翻山越岭，以17年的时光，把团队铸成了中国煤化工科技大军中的一支中坚力量，把自己锻炼成为煤化工科技大军的“排头兵”。而现在，他还在筑梦路上砥砺前行，他说，他要手持创新利剑，与时代“同频共振”，继续破解煤化工领域之难题。
　　

风雨砥砺铸国器

　　要么烧不好，要么烧不净，高效与清洁，似乎成了煤炭利用一对难解的矛盾。
　　在中国，无论是作为燃料还是作为化工原料，煤炭都占有举足轻重的位置。在中国的能源结构中煤炭占比近70%，居主导地位；并且，目前我国已探明煤炭储量为10200亿吨，但55%以上都是煤化程度低的低价煤和高灰分、高灰熔点、高硫的“三高煤”的劣质煤。由于劣质煤直接燃烧或气化效率低，现有技术无法充分利用其资源价值，导致了煤炭资源的巨大浪费；并且，由于煤炭大量长期消费累积和重工业的发展，使空气污染日益加重，局部地区出现了“雾霾锁城”等较严重的生态环境问题。在这样的背景下，如何把煤炭“烧好”“烧净”，成为各国煤炭科技人员争相探索的问题。
　　为破解煤炭高效与清洁的矛盾，张建胜博士毕业后，便从循环流化床燃烧领域转到现代煤气化技术领域。他说，煤气化技术被誉为煤化工产业的龙头技术，在煤炭的清洁利用上发挥着重要作用。特别是现代煤化工产业链除了煤炭直接液化成液体燃料外，都是以煤气化为工艺源头，可以说，煤气化技术就是现代煤化工的基础核心。而他要利用煤气化技术，让煤炭由“黑色资源”变为“绿色资源”。
　　煤气化技术是指把经过适当处理的煤送入反应器如气化炉内，在一定的温度和压力下，通过氧化剂以一定的流动方式把其转化成气体的技术。“作为清洁能源利用技术，煤气化技术可解决千百年来煤炭利用过程中的环境污染问题和多煤种的选用问题，不但能增强我国大容量煤气化炉在煤化工应用领域的竞争力，还可为打破国外技术垄断局面提供利器，更为国内数量众多的中小型化工及化肥企业的技术升级与改造，提供了一个技术水平高、成本低的选择。”张建胜说道。
　　煤气化技术已有悠久的历史，尤其是20世纪70年代石油危机出现后，世界各国便广泛开展了煤气化技术的研究。我国多煤少油的局势，在别国眼中是煤气化技术领域的一个大市场，世界上种种成熟的、不成熟的，甚至带有明显缺陷的煤气化技术纷纷挤入中国，这不仅使国内煤气化技术市场几乎被国外垄断，还使中国煤气化技术市场进入一个你争我夺的“战国时代”。
　　那么，在这样的局势下，“让中国拥有自己的煤气化技术，并领先全球”，成为张建胜埋头煤气化技术研究的动力与目标。为尽快实现目标，张建胜带领团队十数年如一日地扎根生产一线，通研各国煤气化技术优缺点，为中国煤气化技术的发展书写了华丽篇章，也为中国煤化工产业开辟了新起点：
　　在原“863”、原“973”、国家自然科学基金、国家重点研发计划与清华大学、山西省政府等大力支持下，张建胜带领团队与阳煤丰喜、阳煤化机等企业组成了紧密型的“政产学研制用”联盟。通过坚持“高校出成果+企业敢担当+政府给支持”的创新合作模式，张建胜团队在不断超越国外技术的征程中循序渐进，以每隔五年一代新技术的奇迹，先后完成了晋华炉1.0、2.0、3.0气化技术的研发和示范推广，成功解决了我国高硫、高灰分、高灰熔点“三高煤”难以气化、能耗高的难题，使中国煤气化技术达到了国际领先水平，也为世界煤气化的发展贡献了中国方案。
　　“在过去相当长的一段时间内，我国的煤气化技术都是跟着国外学。那时候的技术是封锁的，外国人‘只卖苹果不卖树’。如果我们要想‘果实’结得好，就得种自己的‘果树’。而要种好‘果树’就必须提升我们自己的独立创新能力。”这是张建胜在一次采访中说的话。10多年过去，在煤炭“种树人”的奋斗下，现在，中国也成为了卖“苹果”的国家了。然而，这群“种树人”仍没有停止耕耘，在晋华炉3.0之后，他们正致力于单炉日处理煤2000吨级全热回收高效水煤浆气化示范装置——晋华炉4.0的研发。张建胜依然是晋华炉4.0研发的掌舵者。
　　

千锤百炼始见金

　　7月6—8日，“2018年中国氮肥、甲醇技术大会”在山西省运城市召开。在这次大会上，由清华大学山西研究院、阳煤丰喜、北京清创晋华及阳煤化机联合研发的晋华炉3.0荣获2017年中国氮肥、甲醇行业技术进步奖唯一的特等奖。
　　这份荣誉不只是张建胜团队汗水与心血的结晶，从晋华炉1.0到晋华炉2.0、3.0的研发过程更是中国自主创新之路的缩影。
　　在煤气化技术中，气化炉是其核心装备。可以说，气化炉水平的高低是直接制约煤化工企业经济效益与安全环保问题的关键性硬件因素。而气化炉制造一直是我们国家煤化工产业的一块短板。“气化炉技术门槛高，多年来，由于技术落后，国家许多化工企业不得不花费巨资引进国外的气化技术和装置。但进口设备在中国因煤质等因素，存在着‘水土不服’问题，无法解决我国‘三高’劣质煤气化的难题。”张建胜如是说。
　　看到了我国经济快速增长中能源领域存在的这些问题，为把这些问题全部解决掉，2001年，清华大学、北京达立科科技有限公司、山西阳煤丰喜肥业集团三家“产学研”单位走到了一起，三方力量拧成一股绳向研制中国自己的气化炉进军，而张建胜团队成为研究主力。
　　在合作过程中，三家单位发挥各自优势，齐力研发。2006年1月，“非熔渣—熔渣分级气化技术”研制成功。因是以清华大学为主进行的科研项目，故又称“非熔渣—熔渣分级气化技术”为第一代“清华炉”。
　　第一代“清华炉”主要技术原理是将煤炭加工成粉状，加压送入部分氧化气化炉中生产合成气。其原料通过给料机构和燃料喷嘴进入气化炉的第一段，在第二段再补充部分氧气，使第二段的温度达到煤的灰熔点以上并完成气化过程。作为研发团队的领队人，张建胜说，该技术一问世就使国内外大容量煤气化技术市场为之震动，它在阳煤丰喜集团第一年投运就使年运转率高达94%，年负荷率高达120%，投资比传统水煤浆气化炉低20%，创造了国内水煤浆气化装置运行的好成绩。当时，该技术在国内迅速推广，通过科技鉴定一年多，就有20余家用户提出合作意向。
　　然而，第一代“清华炉”并非“完美”之炉。在安全运行了一年后，在炉子更换局部耐火砖时发现更换成本高，一台炉子更换耐火砖需200多万元，检修费需要100多万；另还发现了更换耐火砖要停炉一个月，养护又得一个月，这样长的周期影响生产，造成气化炉可用率降低、工厂生产成本高。
　　为解决上述问题，清华大学、北京达立科公司从2005年又开始进行水冷壁水煤浆的研发。“为弥补缺陷，我们在第一代炉子的基础上用水冷壁代替耐火砖，拓宽煤种适用范围，来降低生产成本；此外，我们还要突破‘点火’和‘火焰稳定’问题、水冷壁具体构造问题、如何实现水冷壁和壳体之间的温度控制及防护其腐蚀等技术难点。”
　　张建胜与团队经过6年攻关，2011年8月，水煤浆水冷壁气化技术诞生了。水煤浆水冷壁气化技术的第一套工业装置首次投料就创造了安全、稳定、连续运行140天的煤化工行业气化技术开车的新记录，这标志着我国自主研发的第二代“清华炉”技术已经具备了全面推广的条件，现在，已进入大规模产业化推广阶段。
　　据张建胜介绍，第二代“清华炉”技术成功解决了水煤浆的点火、稳燃和效率问题，充分发挥出了水煤浆耐火砖和干粉水冷壁技术的全部优点，同时还有效避开了其不足之处。“水冷壁产生蒸汽从气化炉吸取的热量与炉外壁温降为气化炉节约的热量平衡，气体质量与耐火砖炉相当，不必每年数次更换锥底砖，定期更换全炉耐火砖，为‘安稳长’运行节约投资及运行费用创造了条件，还扩大了原料煤的适应性。与现有各类型干粉给料气化技术相比，水煤浆给料的稳定性毋庸置疑。”张建胜说，2012年9月3日，该技术通过了中国石化联合会组织的科技成果鉴定，赢得了社会的一致认可。
　　在第二代“清华炉”的基础上，为解决山西省“三高”煤的气化问题，打造更好的自主煤气化技术，为我国新型煤气化的发展作出新贡献，由清华大学山西清洁能源研究院牵头，联合山西阳煤丰喜肥业有限责任公司、山西阳煤化工机械有限公司组成紧密型产学研用联盟，开始研发“晋华炉”。张建胜仍是“晋华炉”研发的负责人。2016年4月1日，世界首台采用“水煤浆+膜式壁+辐射式蒸汽发生器”技术的煤气化炉在阳煤丰喜临猗分公司一次点火、投料、并气成功，各项设计指标一次性达标，这标志着第三代“清华炉”——“晋华炉”诞生了。
　　与前两代“清华炉”相比，张建胜说，“晋华炉”的科技创新点在于，核心部件辐射式蒸汽发生器借鉴了液态排渣旋风锅炉的进口和结构设计理念，有效地避免了国外同类技术存在的堵渣和积灰问题；同时，通过回收高温合成气热量来副产高温高压蒸汽等方式，提高了能源转换效率。
　　“以前的炉子用的是耐火砖，每年至少要更换两套锥底砖，一套向火面砖，总共花费300多万元，耗时近两个月。而晋华炉使用寿命为20年，基本没有维护成本；并且比起原耐火砖每次开车前至少需要升温72小时，‘晋华炉’升温只需1小时，节约了燃料气消耗，这从工厂出投资来讲，‘晋华炉’可以不设置备用炉，按一条备用生产线算下来，这一项就省上亿的投资，且节约用水，能在制浆过程处理污水。”张建胜如是说。
　　从2001年开始研发第一代“清华炉”到如今的第三代“晋华炉”的成功研发，张建胜团队已经历了整整17年的风风雨雨，其曲折的经历也成为中国煤气化炉技术在国际上由追赶到超越的真实写照。据报道，2017年，“晋华炉”通过石化联合会组织的连续稳定现场考核，获评“2017年中国石油和化工行业十大新闻”；此外，“晋华炉”还被评为“2016年、2017年石油化工十大国之重器”，获第22届全国发明展览会金奖—发明创业奖项目奖。
　　“晋华炉”的成功不仅打破了国外大公司技术垄断，还实现了两个全球第一，开创了新型煤气化技术改造的先河，谱写了中国煤化工产业发展的新篇章；同样，“晋华炉”的成功也为张建胜科研生涯开启了新征程，让他无惧风雨，再探高峰。
　　

跑向最后一公里

　　穷理以致其知，反躬以践其实。如果说，科学研究是追求知识和真理的话，那么，在张建胜看来，科技供给就要服务经济社会发展的主战场，服务广大人民群众。回顾“晋华炉”的研发历程，其成功的关键便是通过产、学、研、用四方的密切合作，把产品积极推进市场，并通过用户反馈使产品不断更新升级。
　　自第一代“清华炉”问世以来，研究团队就迅速进行市场推广。张建胜说，目前“晋华炉”已经签约了62台套，日投煤量达5万吨，整个签约气化炉的产值超过12亿元，带动阳煤化机其他非标产品产值超过20亿元，并且，每年能为“晋华炉”使用企业创造的效益在10亿元以上。
　　“现在，神华、中煤、惠生、华鲁恒升等136家企业参观考察了‘晋华炉’3.0。兰州能源投资有限公司、克拉玛依盈德气体有限公司、山东金诚化工科技有限公司等化工企业，已经签订第一、二代晋华炉共计28台套；朝鲜顺川化学品工厂、中盐德邦（江苏）化工有限公司、内蒙古安捷新能源科技有限公司等签订22台套。”作为“晋华炉”研发团队的领头人，张建胜十分重视科研成果转化，他在国内进行技术推广的同时，还积极将“晋华炉”3.0技术推广到国外，成为实质性将其带入国际社会的第一人，在朝鲜、韩国，南非、德国、加拿大等国专家亲临他的研究院和相关企业进行调研的同时，他也亲赴韩国、德国实际了解这些国使用“晋华炉”的条件，积极为中国煤气化技术服务世界做好功课。
　　“研发成果能造福社会，是我人生最大的梦想和乐趣。”张建胜说这是他人生的座右铭。以这一座右铭为指导，“让清华大学的成果有更多用武之地”“使客户的问题能得到及时高效的解决”“使政府的支持资金能用到最需要的地方”等是张建胜这些年来思考最多的问题。带着这些思考，在多年的工作中，他积极寻求与企业的对接，他说，研究成果非常需要跟企业合作，只有产学研用联合起来，才能使技术快速推向市场，才能对生产中遇到的问题进行针对性的研发，来解决工程上的难题。因在科研成果产业化中做出的重要贡献，张建胜本人也获得了运城市十年产学研合作贡献奖。
　　立身行业科技前沿，以勇于实践的精神，在水煤浆气化工艺技术研发及产学研合作事业中燃烧一生，耕耘不怠。然而，水煤浆气化工艺技术并不是他唯一的成就，此外，张建胜还开发了实用的循环流化床锅炉燃烧室传热系数计算方法，并将其出口到日本，从而实现了我国锅炉设计方法向发达国家的出口。因在循环流化床燃烧方面取得的研究成果，张建胜先后获得了2006年度国家科技进步奖二等奖、中国电力科学技术奖二等奖等，为企业创造的经济效益达16.5亿元。现在，在众多成就之上，他没有停止前进的步伐，为加快“晋华炉”系列化、标准化、大型化、成套化、信息化、智能化开发，张建胜与团队又开始了建设“晋华炉”4.0示范装置，他希望通过“晋华炉”4.0的建设能形成国际领先超大规模水煤浆气化成套技术，率先实现供合成气、蒸汽、发电、供热等联产的产业化推广应用，为中国由化工大国跻身化工强国贡献更多、更好、更优的中国创造和中国“智造”。