從源頭杜絕燒煤污染的超臨界水蒸煤
2019-10-15來源:科技日報
       煤炭是當前我國主要能源,大量燃煤卻產生嚴重污染。傳統燃煤、煤氣化鍋爐及其發電技術均采用“一把火燒煤”的形式,總能效和煤電轉化率低、污染嚴重、耗水量大,脫硫、脫氮、消除粉塵及二氧化碳代價高昂。

       由中國科學院院士、西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室郭烈錦教授帶領的科研團隊,歷經二十年科技攻關,研發出“煤炭超臨界水氣化制氫發電多聯產”系列完全自主知識產權技術,俗稱“超臨界水蒸煤”,成功將煤炭化學能直接高效轉化為氫能,從源頭上根除了硫化物、氮化物等氣體污染物以及PM2.5等粉塵顆粒物的生成和排放。

       作價1.5億的重大成果產業化項目

       2016年12月25日,西安交大首個重大科研成果產業化項目——“煤炭超臨界水氣化制氫發電多聯產技術”產業化工作正式啟動。教育部、國家自然科學基金委、國家能源局、中國核工業建設集團、陜西省和西安市政府主要領導等參加該項目產業化工作啟動及匯報會。

       當日,西安交大將該項技術成果知識產權及相關技術以1.5億元的價格,轉讓給了由中核全聯投資基金管理(北京)有限公司、香港日富投資有限公司和西安北奇能源科技發展有限公司三家公司共同發起成立的混合所有制技術產業化投資公司——陜西中核交大超潔能源技術有限公司。該公司籌資10億元進行該技術產業化的示范,以50MW發電及熱電聯產機組、燃煤工業供熱蒸汽鍋爐替代產品等作為工程示范的切入點,決心在3年內完成項目的建設和運行,加速推動該技術在煤炭高效清潔利用、環境保護等方面的推廣示范。

       “這項技術國外也有人在做研究,但都是走在我們后面。他們沒有形成大規模的連續生產裝置,我們的大規模中試裝置,已經連續運行了幾千個小時都沒有問題。”郭烈錦指出,“現在各種煤化工企業也產生氫和蒸汽,所以只要更換掉部分單元,就可以使用。所有以煤為原料的工業企業都可以用這項技術。”



       新技術終結“一把火燒煤”

       西安交大這項“超臨界水蒸煤”技術剛一面世,便引發了行業震動,引起社會廣泛關注。 “‘超臨界水蒸煤’作為一項變革性的技術,與傳統的燃煤發電以及煤氣化發電等技術存在著根本性的區別。傳統燃煤發電,包括煤氣化發電,都是把煤放在空氣中,利用火燃燒,跟氧氣產生氧化反應,這就是一個放熱的過程。這種熱能是可以利用的,熱氣流在燃煤鍋爐里,被鍋爐里的水吸收,然后再變成水蒸氣,再去推動汽輪機做功。這就是常說的蒸汽輪機發電。較蒸汽輪機發電利用效率更高的,還有一種叫燃氣輪機發電。由于該裝置的材料要更加的耐高溫,性能要求更高,所以加工工藝特別難。”郭烈錦向科技日報記者介紹說:“氧化反應自然會產生二氧化硫和氮氧化物,加上煤燃燒時揚起的顆粒物質,PM2.5就是這么來的!企業后續要脫硫脫硝除塵,就要安裝除塵裝置。這個成本對于企業來說很高。同時運行這些裝置還得消耗能量。如此一來,總的效率不高,平均下來就百分之四十幾。”

       超臨界水是指當氣壓和溫度達到一定值時(近乎22MPa,374℃),因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時,水的液體和氣體便沒有區別,完全交融在一起,成為一種新的呈現高壓高溫狀態的液體。郭烈錦用通俗的語言描述“超臨界水蒸煤”技術的先進性:“我們這個技術不用空氣進去,只是把煤和水混到一起,讓它們去反應。整個過程不是氧化反應,沒有傳統的燃燒過程,而是還原反應,燒的是氫氣,得到的是水,產品是干干凈凈,得到高溫高壓的超臨界水蒸氣,同樣可以使汽輪機做功。得到的效率比傳統的更高,又沒有污染。”

       郭烈錦團隊已經成功研制出了包括超臨界水流化床等系列實驗設施,能夠完成煤的完全汽化。在700℃以上,國內各種煤型的碳氣化率均達到100%。超臨界水煤氣化制氫的熱力學以及化學反應動力學模型和反應系統的整合優化已經完成,成功完成處理煤量為1t/h的中試規模演示系統,通過技術經濟分析,在系統處理煤量達83.3t/h時,氫氣的價格能降低至0.7元。基于超臨界水煤氣化和多級燃氫補熱汽輪機的新型熱力循環發電系統已經提出,煤炭發電效率高、二氧化碳富集和環境友好無污染是其主要特色。這項技術已全面完成原理性創新、實驗室規律性試驗研究和中試試驗,為了徹底解決傳統煤電轉化率低、污染嚴重、高耗水等問題找到了出路。

       根據測算,如全國在火電行業采用該技術,每年可節約發電燃煤3.28億噸。據業內專家分析認為,該技術為破解我國能源困境帶來曙光,對我國發揮煤炭資源優勢、搶占能源變革先機、保障能源戰略安全具有深遠意義。
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