科创未来丨探秘全球最大化学链燃烧示范装置：换一种烧法 让二氧化碳“无处可逃”

四川在线记者 吴忧

(资料图)

“这里的高度还不到一半。”近日，在东方电气集团东方锅炉股份有限公司（简称东方锅炉）德阳基地，东方锅炉技术创新中心基础研发部副部长林山虎带领记者参观，攀上13米高的平台，脚下镂空的钢板已经让记者两腿发软，“平台整体高度达到48米，相当于16层楼。”

全球最大的化学链燃烧示范装置在东方锅炉德阳基地建成。韦维 摄

这座形似火箭发射塔架的建筑，是东方锅炉建设的全球最大化学链燃烧示范装置，热功率达到4兆瓦，是目前的全球第一。装置于今年3月建成，目前已完成竣工验收，即将投入中试验证。

什么是化学链燃烧？这套装置有何作用？为何要在四川建设？赶在中试验证启动前，记者来到现场探访揭秘。

没有火却足够“火”

化学链燃烧已成二氧化碳捕集技术的重要研究方向

“认识化学链燃烧，必须重新认识一下燃烧。”林山虎笑着对记者说，“我们要复习一下中学的化学知识。”

林山虎介绍，燃烧是可燃物与氧化剂发生的一种剧烈化学反应，能够发光、发热。在传统的锅炉当中，燃料与空气接触燃烧，将燃料所蕴藏的化学能，转化为人类可用的热能，这便是煤、石油、天然气等化石能源开发利用的基础原理。化学链燃烧，则是一种新型无火焰燃烧技术，“同样是烧煤，这种烧法更先进。”

先进在哪？林山虎表示，化学链燃烧的最大作用，是让二氧化碳“无处可逃”——

在原有的燃烧方式中，燃料与空气直接接触，空气中的氧气参与燃烧产生二氧化碳，空气中的氮气等不参与燃烧，二氧化碳便藏身其中难以分离，绝大多数都是直接向大气排放。

化学链燃烧，则是利用载氧体将空气中的氧传递给燃料，避免空气与燃料的直接接触，使燃烧产生的二氧化碳不被空气稀释，可以高效便捷地开展捕集，再加以利用或封存。

全球最大的化学链燃烧示范装置在东方锅炉德阳基地建成。韦维 摄

清华大学也是化学链燃烧示范装置项目的参与者，并提供了重要的技术支持。对化学链燃烧这种新型燃烧技术，在研究综述里，清华大学热能工程研究所副所长李振山作了更深入的解释。

“虽然近年来可再生能源发展迅速，然而化石能源在一次能源消费占比中仍处于主导地位。”李振山表示，二氧化碳捕集、利用与封存技术，被认为是未来化石能源大规模利用中，实现二氧化碳近零排放的唯一路径。其中，二氧化碳捕集成本最高，占整个技术成本的60%到80%。因此，研究重点就集中在如何获得高浓度的二氧化碳。

化学链燃烧没有火焰，但针对这项技术的研究特别火热。李振山介绍，化学链燃烧技术被广泛认为是最具发展潜力的低能耗二氧化碳捕集技术之一。美国能源部“工业脱碳路线图”、欧盟“地平线2020计划”，以及中国的“科技创新2030—重大项目”等，均已把化学链燃烧作为二氧化碳捕集技术的重要研究方向之一。

“化学链燃烧的原理挺简单，但走向实际应用并不容易。”林山虎说，就像核聚变技术需要“人造太阳”来开展实验，化学链燃烧也需要一套装置开展实验，进行技术验证。此前，一些机构已建立千瓦级的化学链燃烧装置，但只能算“牛刀小试”，完全成功的兆瓦级装置还未出现。这项空白，正在被填补。

行不行在此一试

全球最大化学链燃烧示范装置将开启中试验证

“中欧污染物减排技术研究”，这是悬挂于化学链燃烧示范装置前的一块招牌，上面还印着9个参与机构的标识。除了东方锅炉以外，项目参与者还包括清华大学、浙江大学、道达尔能源、法国石油研究院、挪威科学和工业研究基金会等。

“汇聚了化学链燃烧技术领域的顶尖力量。”林山虎解释说，中欧污染物减排技术研究是中欧能源科技领域重点合作研发项目，得到国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”专项与欧盟“地平线2020计划”共同资助，工业界、学术界的顶尖机构组成创新联合体，从理论层面到应用层面共同开展技术攻关。

东方锅炉重点承担化学链燃烧示范装置的设计建造，这也是整个项目的重要部分，是推动化学链燃烧技术从实验室走向工业大规模脱碳的重要中试环节。“研究成果到底行不行，都要在此试一试。”林山虎介绍，目前装置已完成竣工验收，正在抓紧进行设备调试，预计几个月后正式启动中试验证。

全球最大的化学链燃烧示范装置在东方锅炉德阳基地建成。韦维 摄

这套装置采用了最新的研究成果，也是目前最先进的设计构型。通过一段动画，林山虎为记者直观展示了未来化学链燃烧示范装置的运行状态：原有的燃烧被分为两步，在空气反应器中，载氧体颗粒与空气接触，与空气中的氧气发生氧化反应，“搭载”上氧原子，随后转移至燃料反应器；在燃料反应器里面，燃料颗粒与载氧体颗粒接触，燃料中的碳元素和氢元素与载氧体中的氧元素结合，便生成了二氧化碳和水。

出镜率最高的“载氧体”颇为关键。林山虎说，载氧体的设计是化学链燃烧技术研究中的热点问题，目前科学家正在不断改进载氧体的材料结构，未来也将在这套装置中进行测试比对，不断寻找更好的方案。

与“人造太阳”相似，持续、稳定、高效运行，也是化学链燃烧示范装置追求的主要目标。

“目前建立的实验装置，绝大部分都需要采用电加热运行，实现自热运行是现阶段亟需突破的技术瓶颈。”李振山表示，当前研究缺少热态中试验证，需要建立兆瓦级化学链燃烧示范装置，开展实际验证，为未来走向工程化与商业化奠定基础。只有实现连续稳定加煤和长时间运行，并提高能量转化效率、二氧化碳捕集效率，化学链燃烧技术才具有更大的推广应用价值。

关键核心设备四川造

将为清洁能源装备产业开辟新赛道

装置中间，空气反应器和燃料反应器并排竖立，形似藏身发射塔架中的两枚火箭。“这是整个装置的关键核心设备。”林山虎告诉记者，由于化学链燃烧将原有的燃烧分成了两个步骤，因此比原来的锅炉多了一个炉膛，这是最显著的变化。

“能够把这样的反应器做出来、做到这么大，东方锅炉是为数不多的选择。”林山虎表示，两个反应器都与循环流化床锅炉类似，在这方面东方锅炉已经具备全球领先的研发制造能力，这也是中欧污染物减排技术研究选择东方锅炉的重要原因，“关键核心设备都是在四川自主设计制造。”

林山虎介绍，作为全球循环流化床领域的领军者，东方锅炉发挥自身优势，加强协同创新、联合攻关，积极开展化学链燃烧技术兆瓦级中试研究，并利用自身在循环流化床锅炉领域先进的技术实力、雄厚的人才储备、一流的大型试验装置和试验条件，为项目的顺利执行提供了重要基础和坚实保障。

除了“能做”，还有“愿做”。为清洁能源装备产业开辟新赛道，推动产业高质量发展，也是东方锅炉积极参与化学链燃烧技术研究的出发点。

经过半个多世纪的深厚积淀，四川已成为全国清洁能源装备产业体系最完整、技术最先进的研发制造基地之一，东方锅炉是其中的重要参与者之一。东方锅炉技术创新中心基础研发部部长韦耿介绍，积极参与中欧污染物减排技术研究，建设全球最大的化学链燃烧示范装置，能够帮助企业储备碳捕集先进技术，并进一步提升自主研发制造能力，拓展循环流化床技术的应用领域。

“项目在技术层面极具挑战，但是在应用层面极富前景。”韦耿表示，化学链燃烧技术作为一种新型低成本碳捕集技术，其碳捕集成本不到传统碳捕集技术的三分之一，兼具高能效和低成本的特性，可应用于电力、供热、石化、化工、油气等高排放行业大规模碳捕集，被视为当前众多碳捕集技术中最具前景的技术之一。东方锅炉将以项目建设为契机，着力提升科技创新能力，加快核心技术攻关，实现更高水平科技自立自强，打造科技攻关重地、原创技术策源地、科技人才高地。

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