美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的一個(gè)研究組歷時(shí)兩年開(kāi)發(fā)了一種清潔用煤的方式，在燃燒系統(tǒng)方面的研究取得了重大進(jìn)展。該研究組能在不通過(guò)空氣助燃的情況下以化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用，并可以捕獲反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的99%的二氧化碳。
煤炭的清潔利用可以說(shuō)是目前全球最熱門的研究課題之一，其中的關(guān)鍵是如何處理煤燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳。
由中國(guó)工程院外籍院士、美國(guó)俄亥俄州大學(xué)范良士教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用煤直接化學(xué)循環(huán)技術(shù)開(kāi)發(fā)的研究裝置，成功使煤釋放熱量的同時(shí)，捕獲了反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的99%的二氧化碳。在經(jīng)過(guò)25千瓦的試驗(yàn)裝置持續(xù)1周以上的技術(shù)測(cè)試后，該技術(shù)被證實(shí)可以減少或消除包括二氧化碳和煙霧形成氮氧化物在內(nèi)的各種污染物。
在普通的燃煤電廠中，煤炭通常會(huì)變成細(xì)粉狀，在空氣中燃燒后產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電。整個(gè)過(guò)程都處于高溫狀態(tài)，生成的污染物氧化氮和二氧化碳很難被隔離。實(shí)際上，煤與空氣并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它反而會(huì)與含氧材料，如氧化鐵直接反應(yīng)。
該技術(shù)的要點(diǎn)是如何在燃料中加入氧化金屬微粒實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。在研究小組開(kāi)發(fā)的煤直接化學(xué)循環(huán)技術(shù)中，使用的燃料是煤粉，氧化金屬微粒是氧化鐵粉。其中煤粉的直徑為100微米左右，相當(dāng)于人頭發(fā)絲的粗細(xì)；氧化鐵粉的直徑約為1.5到2毫米。
將煤和氧化鐵粉混合加熱至高溫后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。煤中的碳和氧化鐵中的氧反應(yīng)后生成近純的二氧化碳被排到收集器中，剩下高溫的鐵和煤灰。因鐵粉的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤灰，因此可以很容易將煤灰從系統(tǒng)中分離，而高溫鐵粉則可用來(lái)發(fā)電，然后與空氣接觸再次氧化后循環(huán)使用。
盡管這個(gè)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但其有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以得到純二氧化碳?xì)饬鳎苋菀撞蹲胶蛢?chǔ)存；二是燃燒的鐵在相對(duì)低溫度的環(huán)境就可以發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生氧化氮。
要想獲得相同的結(jié)果，也可以將煤炭在純氧環(huán)境中燃燒，但是通過(guò)設(shè)備生產(chǎn)純氧的成本極高，而這種化學(xué)循環(huán)技術(shù)所增加成本在該技術(shù)大規(guī)模使用后，相對(duì)于發(fā)電廠的能效提高和減排收益而言可以忽略不計(jì)。
該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)取得成功，研究小組的實(shí)驗(yàn)裝置連續(xù)運(yùn)行203個(gè)小時(shí)后被主動(dòng)中止。利用該技術(shù)的大型試驗(yàn)裝置已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)，預(yù)計(jì)2013年底開(kāi)始運(yùn)行。
按照美國(guó)能源部的規(guī)定，清潔能源技術(shù)的發(fā)電成本不能高于現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)的35%，同時(shí)能收集產(chǎn)生的90%以上的二氧化碳。研究人員相信他們的技術(shù)將會(huì)超過(guò)能源部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
據(jù)了解，研究人員還在開(kāi)發(fā)另一種化學(xué)循環(huán)，即煤炭氣化及由此產(chǎn)生的合成氣（氫氣和一氧化碳），目前該項(xiàng)目正在一個(gè)250千瓦的實(shí)驗(yàn)工廠測(cè)試。
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