承創新之魂 創煤化工盛業
——記清華大學山西清潔能源研究院常務副院長張建勝

□ 李明麗

張建勝專心細致地調整煤氣化實驗裝置

中國煤炭儲量豐富，然而，煤化程度較低的低階煤和高灰分、高灰熔點、高硫的“三高煤”占據了中國煤炭的半壁江山，這不僅使煤炭資源得不到充分運用，還導致嚴重的環境污染問題。隨著能源與環境雙重壓力的不斷升級，如何把煤炭高效清潔的“吃干榨凈”，成為中國煤炭科技人員最緊迫的任務之一。煤氣化技術，作為潔凈高效利用煤炭的主要途徑之一，對于身陷能源于環境困局的中國來說，就像一顆火種，照亮了一條充滿希望的道路：它不僅是煤炭深加工、轉化的先導技術，而且還是“綠色煤電”、煤化工、煤制油過程中，實現煤炭綜合利用和無污染排放的關鍵技術和龍頭技術，對于中國減輕燃煤造成的環境污染，降低對進口石油依賴具有重大意義。

17年前，為了打破國外在煤氣化技術領域對我國的壟斷，懷揣“核心技術必須在我”夢想的張建勝毅然從循環流化床燃燒研究領域轉到現代煤氣化技術領域，帶領產學研團隊，先后開發了三代具有自主知識產權的清華氣化爐工藝技術，并進行了成功的商業應用，使我國的煤氣化技術進入世界領先水平。

夢想，因付諸行動才神圣，因持之以恒而偉大。回顧煤氣化技術開發之路，那是張建勝的人生筑夢路。在這條路上，他帶領團隊披荊斬棘，翻山越嶺，以17年的時光，把團隊鑄成了中國煤化工科技大軍中的一支中堅力量，把自己鍛煉成為煤化工科技大軍的“排頭兵”。而現在，他還在筑夢路上砥礪前行，他說，他要手持創新利劍，與時代“同頻共振”，繼續破解煤化工領域之難題。

風雨砥礪鑄國器

要么燒不好，要么燒不凈，高效與清潔，似乎成了煤炭利用一對難解的矛盾。

在中國，無論是作為燃料還是作為化工原料，煤炭都占有舉足輕重的位置。在中國的能源結構中煤炭占比近70%，居主導地位；并且，目前我國已探明煤炭儲量為10200億噸，但55%以上都是煤化程度低的低價煤和高灰分、高灰熔點、高硫的“三高煤”的劣質煤。由于劣質煤直接燃燒或氣化效率低，現有技術無法充分利用其資源價值，導致了煤炭資源的巨大浪費；并且，由于煤炭大量長期消費累積和重工業的發展，使空氣污染日益加重，局部地區出現了“霧霾鎖城”等較嚴重的生態環境問題。在這樣的背景下，如何把煤炭“燒好”“燒凈”，成為各國煤炭科技人員爭相探索的問題。

為破解煤炭高效與清潔的矛盾，張建勝博士畢業后，便從循環流化床燃燒領域轉到現代煤氣化技術領域。他說，煤氣化技術被譽為煤化工產業的龍頭技術，在煤炭的清潔利用上發揮著重要作用。特別是現代煤化工產業鏈除了煤炭直接液化成液體燃料外，都是以煤氣化為工藝源頭，可以說，煤氣化技術就是現代煤化工的基礎核心。而他要利用煤氣化技術，讓煤炭由“黑色資源”變為“綠色資源”。

煤氣化技術是指把經過適當處理的煤送入反應器如氣化爐內，在一定的溫度和壓力下，通過氧化劑以一定的流動方式把其轉化成氣體的技術。“作為清潔能源利用技術，煤氣化技術可解決千百年來煤炭利用過程中的環境污染問題和多煤種的選用問題，不但能增強我國大容量煤氣化爐在煤化工應用領域的競爭力，還可為打破國外技術壟斷局面提供利器，更為國內數量眾多的中小型化工及化肥企業的技術升級與改造，提供了一個技術水平高、成本低的選擇。”張建勝說道。

煤氣化技術已有悠久的歷史，尤其是20世紀70年代石油危機出現后，世界各國便廣泛開展了煤氣化技術的研究。我國多煤少油的局勢，在別國眼中是煤氣化技術領域的一個大市場，世界上種種成熟的、不成熟的，甚至帶有明顯缺陷的煤氣化技術紛紛擠入中國，這不僅使國內煤氣化技術市場幾乎被國外壟斷，還使中國煤氣化技術市場進入一個你爭我奪的“戰國時代”。

那么，在這樣的局勢下，“讓中國擁有自己的煤氣化技術，并領先全球”，成為張建勝埋頭煤氣化技術研究的動力與目標。為盡快實現目標，張建勝帶領團隊十數年如一日地扎根生產一線，通研各國煤氣化技術優缺點，為中國煤氣化技術的發展書寫了華麗篇章，也為中國煤化工產業開辟了新起點：

在原“863”、原“973”、國家自然科學基金、國家重點研發計劃與清華大學、山西省政府等大力支持下，張建勝帶領團隊與陽煤豐喜、陽煤化機等企業組成了緊密型的“政產學研制用”聯盟。通過堅持“高校出成果+企業敢擔當+政府給支持”的創新合作模式，張建勝團隊在不斷超越國外技術的征程中循序漸進，以每隔五年一代新技術的奇跡，先后完成了晉華爐1.0、2.0、3.0氣化技術的研發和示范推廣，成功解決了我國高硫、高灰分、高灰熔點“三高煤”難以氣化、能耗高的難題，使中國煤氣化技術達到了國際領先水平，也為世界煤氣化的發展貢獻了中國方案。

“在過去相當長的一段時間內，我國的煤氣化技術都是跟著國外學。那時候的技術是封鎖的，外國人‘只賣蘋果不賣樹’。如果我們要想‘果實’結得好，就得種自己的‘果樹’。而要種好‘果樹’就必須提升我們自己的獨立創新能力。”這是張建勝在一次采訪中說的話。10多年過去，在煤炭“種樹人”的奮斗下，現在，中國也成為了賣“蘋果”的國家了。然而，這群“種樹人”仍沒有停止耕耘，在晉華爐3.0之后，他們正致力于單爐日處理煤2000噸級全熱回收高效水煤漿氣化示范裝置——晉華爐4.0的研發。張建勝依然是晉華爐4.0研發的掌舵者。

千錘百煉始見金

中國石油和化學工業聯合會原會長李勇武（中）、中國氮肥工業協會理事長顧宗勤（右二）考察“清華爐”現場。

7月6—8日，“2018年中國氮肥、甲醇技術大會”在山西省運城市召開。在這次大會上，由清華大學山西研究院、陽煤豐喜、北京清創晉華及陽煤化機聯合研發的晉華爐3.0榮獲2017年中國氮肥、甲醇行業技術進步獎唯一的特等獎。

這份榮譽不只是張建勝團隊汗水與心血的結晶，從晉華爐1.0到晉華爐2.0、3.0的研發過程更是中國自主創新之路的縮影。

合成氣蒸汽聯產氣化爐（“晉華爐”3.0）科技成果鑒定會

在煤氣化技術中，氣化爐是其核心裝備。可以說，氣化爐水平的高低是直接制約煤化工企業經濟效益與安全環保問題的關鍵性硬件因素。而氣化爐制造一直是我們國家煤化工產業的一塊短板。“氣化爐技術門檻高，多年來，由于技術落后，國家許多化工企業不得不花費巨資引進國外的氣化技術和裝置。但進口設備在中國因煤質等因素，存在著‘水土不服’問題，無法解決我國‘三高’劣質煤氣化的難題。”張建勝如是說。

看到了我國經濟快速增長中能源領域存在的這些問題，為把這些問題全部解決掉，2001年，清華大學、北京達立科科技有限公司、山西陽煤豐喜肥業集團三家“產學研”單位走到了一起，三方力量擰成一股繩向研制中國自己的氣化爐進軍，而張建勝團隊成為研究主力。

在合作過程中，三家單位發揮各自優勢，齊力研發。2006年1月，“非熔渣—熔渣分級氣化技術”研制成功。因是以清華大學為主進行的科研項目，故又稱“非熔渣—熔渣分級氣化技術”為第一代“清華爐”。

第一代“清華爐”主要技術原理是將煤炭加工成粉狀，加壓送入部分氧化氣化爐中生產合成氣。其原料通過給料機構和燃料噴嘴進入氣化爐的第一段，在第二段再補充部分氧氣，使第二段的溫度達到煤的灰熔點以上并完成氣化過程。作為研發團隊的領隊人，張建勝說，該技術一問世就使國內外大容量煤氣化技術市場為之震動，它在陽煤豐喜集團第一年投運就使年運轉率高達94%，年負荷率高達120%，投資比傳統水煤漿氣化爐低20%，創造了國內水煤漿氣化裝置運行的好成績。當時，該技術在國內迅速推廣，通過科技鑒定一年多，就有20余家用戶提出合作意向。

然而，第一代“清華爐”并非“完美”之爐。在安全運行了一年后，在爐子更換局部耐火磚時發現更換成本高，一臺爐子更換耐火磚需200多萬元，檢修費需要100多萬；另還發現了更換耐火磚要停爐一個月，養護又得一個月，這樣長的周期影響生產，造成氣化爐可用率降低、工廠生產成本高。

為解決上述問題，清華大學、北京達立科公司從2005年又開始進行水冷壁水煤漿的研發。“為彌補缺陷，我們在第一代爐子的基礎上用水冷壁代替耐火磚，拓寬煤種適用范圍，來降低生產成本；此外，我們還要突破‘點火’和‘火焰穩定’問題、水冷壁具體構造問題、如何實現水冷壁和殼體之間的溫度控制及防護其腐蝕等技術難點。”

張建勝與團隊經過6年攻關，2011年8月，水煤漿水冷壁氣化技術誕生了。水煤漿水冷壁氣化技術的第一套工業裝置首次投料就創造了安全、穩定、連續運行140天的煤化工行業氣化技術開車的新記錄，這標志著我國自主研發的第二代“清華爐”技術已經具備了全面推廣的條件，現在，已進入大規模產業化推廣階段。

據張建勝介紹，第二代“清華爐”技術成功解決了水煤漿的點火、穩燃和效率問題，充分發揮出了水煤漿耐火磚和干粉水冷壁技術的全部優點，同時還有效避開了其不足之處。“水冷壁產生蒸汽從氣化爐吸取的熱量與爐外壁溫降為氣化爐節約的熱量平衡，氣體質量與耐火磚爐相當，不必每年數次更換錐底磚，定期更換全爐耐火磚，為‘安穩長’運行節約投資及運行費用創造了條件，還擴大了原料煤的適應性。與現有各類型干粉給料氣化技術相比，水煤漿給料的穩定性毋庸置疑。”張建勝說，2012年9月3日，該技術通過了中國石化聯合會組織的科技成果鑒定，贏得了社會的一致認可。

在第二代“清華爐”的基礎上，為解決山西省“三高”煤的氣化問題，打造更好的自主煤氣化技術，為我國新型煤氣化的發展作出新貢獻，由清華大學山西清潔能源研究院牽頭，聯合山西陽煤豐喜肥業有限責任公司、山西陽煤化工機械有限公司組成緊密型產學研用聯盟，開始研發“晉華爐”。張建勝仍是“晉華爐”研發的負責人。2016年4月1日，世界首臺采用“水煤漿+膜式壁+輻射式蒸汽發生器”技術的煤氣化爐在陽煤豐喜臨猗分公司一次點火、投料、并氣成功，各項設計指標一次性達標，這標志著第三代“清華爐”——“晉華爐”誕生了。

與前兩代“清華爐”相比，張建勝說，“晉華爐”的科技創新點在于，核心部件輻射式蒸汽發生器借鑒了液態排渣旋風鍋爐的進口和結構設計理念，有效地避免了國外同類技術存在的堵渣和積灰問題；同時，通過回收高溫合成氣熱量來副產高溫高壓蒸汽等方式，提高了能源轉換效率。

“以前的爐子用的是耐火磚，每年至少要更換兩套錐底磚，一套向火面磚，總共花費300多萬元，耗時近兩個月。而晉華爐使用壽命為20年，基本沒有維護成本；并且比起原耐火磚每次開車前至少需要升溫72小時，‘晉華爐’升溫只需1小時，節約了燃料氣消耗，這從工廠出投資來講，‘晉華爐’可以不設置備用爐，按一條備用生產線算下來，這一項就省上億的投資，且節約用水，能在制漿過程處理污水。”張建勝如是說。

從2001年開始研發第一代“清華爐”到如今的第三代“晉華爐”的成功研發，張建勝團隊已經歷了整整17年的風風雨雨，其曲折的經歷也成為中國煤氣化爐技術在國際上由追趕到超越的真實寫照。據報道，2017年，“晉華爐”通過石化聯合會組織的連續穩定現場考核，獲評“2017年中國石油和化工行業十大新聞”；此外，“晉華爐”還被評為“2016年、2017年石油化工十大國之重器”，獲第22屆全國發明展覽會金獎—發明創業獎項目獎。

“晉華爐”的成功不僅打破了國外大公司技術壟斷，還實現了兩個全球第一，開創了新型煤氣化技術改造的先河，譜寫了中國煤化工產業發展的新篇章；同樣，“晉華爐”的成功也為張建勝科研生涯開啟了新征程，讓他無懼風雨，再探高峰。

跑向最后一公里

窮理以致其知，反躬以踐其實。如果說，科學研究是追求知識和真理的話，那么，在張建勝看來，科技供給就要服務經濟社會發展的主戰場，服務廣大人民群眾。回顧“晉華爐”的研發歷程，其成功的關鍵便是通過產、學、研、用四方的密切合作，把產品積極推進市場，并通過用戶反饋使產品不斷更新升級。

自第一代“清華爐”問世以來，研究團隊就迅速進行市場推廣。張建勝說，目前“晉華爐”已經簽約了62臺套，日投煤量達5萬噸，整個簽約氣化爐的產值超過12億元，帶動陽煤化機其他非標產品產值超過20億元，并且，每年能為“晉華爐”使用企業創造的效益在10億元以上。

“現在，神華、中煤、惠生、華魯恒升等136家企業參觀考察了‘晉華爐’3.0。蘭州能源投資有限公司、克拉瑪依盈德氣體有限公司、山東金誠化工科技有限公司等化工企業，已經簽訂第一、二代晉華爐共計28臺套；朝鮮順川化學品工廠、中鹽德邦（江蘇）化工有限公司、內蒙古安捷新能源科技有限公司等簽訂22臺套。”作為“晉華爐”研發團隊的領頭人，張建勝十分重視科研成果轉化，他在國內進行技術推廣的同時，還積極將“晉華爐”3.0技術推廣到國外，成為實質性將其帶入國際社會的第一人，在朝鮮、韓國，南非、德國、加拿大等國專家親臨他的研究院和相關企業進行調研的同時，他也親赴韓國、德國實際了解這些國使用“晉華爐”的條件，積極為中國煤氣化技術服務世界做好功課。

“研發成果能造福社會，是我人生最大的夢想和樂趣。”張建勝說這是他人生的座右銘。以這一座右銘為指導，“讓清華大學的成果有更多用武之地”“使客戶的問題能得到及時高效的解決”“使政府的支持資金能用到最需要的地方”等是張建勝這些年來思考最多的問題。帶著這些思考，在多年的工作中，他積極尋求與企業的對接，他說，研究成果非常需要跟企業合作，只有產學研用聯合起來，才能使技術快速推向市場，才能對生產中遇到的問題進行針對性的研發，來解決工程上的難題。因在科研成果產業化中做出的重要貢獻，張建勝本人也獲得了運城市十年產學研合作貢獻獎。

立身行業科技前沿，以勇于實踐的精神，在水煤漿氣化工藝技術研發及產學研合作事業中燃燒一生，耕耘不怠。然而，水煤漿氣化工藝技術并不是他唯一的成就，此外，張建勝還開發了實用的循環流化床鍋爐燃燒室傳熱系數計算方法，并將其出口到日本，從而實現了我國鍋爐設計方法向發達國家的出口。因在循環流化床燃燒方面取得的研究成果，張建勝先后獲得了2006年度國家科技進步獎二等獎、中國電力科學技術獎二等獎等，為企業創造的經濟效益達16.5億元。現在，在眾多成就之上，他沒有停止前進的步伐，為加快“晉華爐”系列化、標準化、大型化、成套化、信息化、智能化開發，張建勝與團隊又開始了建設“晉華爐”4.0示范裝置，他希望通過“晉華爐”4.0的建設能形成國際領先超大規模水煤漿氣化成套技術，率先實現供合成氣、蒸汽、發電、供熱等聯產的產業化推廣應用，為中國由化工大國躋身化工強國貢獻更多、更好、更優的中國創造和中國“智造”。