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超临界水蒸煤:从源头杜绝烧煤污染
2019-10-23 08:29:57

科技日报

煤炭是目前我国的主要能源,但是大量的煤炭产生了严重的污染。传统的燃煤和煤气化锅炉及其发电技术都采用“一次燃煤”的形式。总能效和煤电转化率低,污染严重,耗水量大,脱硫脱硝除尘二氧化碳成本高。

中国科学院院士、Xi交通大学动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦教授领导的科研团队,经过20年的科技研究,开发出一系列完全自主的知识产权技术,俗称“超临界水蒸汽煤”,成功地将煤的化学能直接高效地转化为氢能,从源头上杜绝了硫化物、氮化物等气态污染物以及pm2.5等尘粒的产生和排放。

重大成果产业化项目价值1.5亿元

2016年12月25日,Xi交通大学首个重大科研成果产业化项目——“煤超临界水气化制氢及发电多联产技术”正式启动。教育部、国家自然科学基金、国家能源局、中国核工业建设集团、陕西省和xi市政府主要领导等。参加项目产业化启动和报告会议。

同日,xi交通大学以1.5亿元的价格,将技术成果及相关技术的知识产权转让给由中国核电全华投资基金管理(北京)有限公司、香港富投资有限公司和Xi安北汽能源科技发展有限公司三家公司共同设立的混合所有制技术产业化投资公司陕西中和交通大学超级清洁能源科技有限公司。公司筹集10亿元进行技术产业化示范,以50mw发电机组和热电联产机组以及燃煤工业供热蒸汽锅炉替代产品为工程示范起点。公司决心在3年内完成项目建设和运营,加快煤炭高效清洁利用和环境保护方面的技术推广和示范。

“这项技术也在国外研究,但已经落后了。他们还没有形成大规模的连续生产工厂。我们的大型试点工厂已经连续运行了数千小时,没有任何问题。”郭烈锦指出,“现在各种煤化工企业也生产氢气和蒸汽,所以只要更换一些装置,它们就可以使用。所有煤基工业企业都可以使用这项技术。”

新技术终结“烧煤”

Xi交通大学的“超临界水动力煤”技术一问世,就引起了业界的震惊和社会的广泛关注。

“‘超临界水动力煤’作为一种革命性的技术,与传统的燃煤发电和煤气化发电技术有着根本的不同。传统的燃煤发电,包括煤气化发电,把煤放在空气中,用火燃烧,与氧气发生氧化反应,这是一个放热过程。这种热能可以利用。热气流被燃煤锅炉中的水吸收,然后变成水蒸气,推动汽轮机做功。这通常被称为蒸汽轮机发电。与蒸汽轮机发电相比,还有一种称为燃气轮机发电。由于该器件的材料更耐高温,性能要求更高,加工工艺特别困难。”郭烈锦告诉《科学日报》记者:“氧化反应会自然产生二氧化硫和氮氧化物,加上煤燃烧产生的颗粒物,这就是pm2.5的来源!为了脱硫、脱硝和除尘,企业必须安装除尘装置。这对于企业来说成本非常高。同时运行这些设备也会消耗能量。因此,整体效率不高,平均超过40%。”

超临界水是指当气压和温度达到一定值(接近22mpa,374℃)时,因高温而膨胀的水的密度和因高压而压缩的水蒸气的密度完全相同的水。此时,水的液体和气体没有区别。它们完全混合在一起,成为一种高压高温的新液体。郭烈锦用通俗的语言描述了“超临界水动力煤”技术的进步:“这项技术不需要空气,我们只是将煤和水混合在一起,让它们反应。整个过程不是氧化反应,没有传统的燃烧过程,而是还原反应,氢气燃烧,得到水,产品洁净,得到高温高压的超临界水蒸气,汽轮机也可以做功。获得的效率高于传统的效率,且无污染。”

郭烈锦团队成功开发了一系列实验设备,包括超临界水流化床,可以完成煤的完全汽化。700℃以上,我国各类煤的碳气化率达到100%。完成了超临界水煤气化制氢热力学及化学反应动力学模型和反应系统的集成和优化。煤处理能力为1t/h的中试示范系统已成功建成。通过技术经济分析,当系统煤处理能力达到83.3t/h时,氢气价格可降至0.7元。提出了一种基于超临界水煤气化和多级氢燃料辅助热轮机的新型热力循环发电系统。煤炭发电效率、二氧化碳富集和环境友好是其主要特点。该技术完全完成了原理创新、实验室规律性试验研究和中试,为彻底解决传统煤电转化率低、污染严重、耗水量大的问题找到了出路。

据估计,如果这项技术在全国火力发电行业得到应用,每年可节省3.28亿吨燃煤发电。据业内专家分析,该技术为解决中国能源困境带来曙光,对于中国充分发挥煤炭资源优势,抓住能源转化机遇,确保能源战略安全具有深远意义。(石俊斌)

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