煤炭是當前我國主要能源，大量燃煤卻產生嚴重污染。傳統(tǒng)燃煤、煤氣化鍋爐及其發(fā)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(fā)出“煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)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(yè)化項目
2016年12月25日，西安交大首個重大科研成果產業(yè)化項目——“煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯產技術”產業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)展有限公司三家公司共同發(fā)起成立的混合所有制技術產業(yè)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(yè)化的示范，以50MW發(fā)電及熱電聯產機組、燃煤工業(yè)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(huán)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(guī)模的連續(xù)生產裝置，我們的大規(guī)模中試裝置，已經連續(xù)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(yè)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(yè)企業(yè)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(fā)了行業(yè)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(tǒng)的燃煤發(fā)電以及煤氣化發(fā)電等技術存在著根本性的區(qū)別。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，包括煤氣化發(fā)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(fā)電。較蒸汽輪機發(fā)電利用效率更高的，還有一種叫燃氣輪機發(fā)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(yè)后續(xù)要脫硫脫硝除塵，就要安裝除塵裝置。這個成本對于企業(yè)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(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現高壓高溫狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的整合優(yōu)化已經完成，成功完成處理煤量為1t/h的中試規(guī)模演示系統(tǒng)，通過技術經濟分析，在系統(tǒng)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)已經提出，煤炭發(fā)電效率高、二氧化碳富集和環(huán)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(chuàng)新、實驗室規(guī)律性試驗研究和中試試驗，為了徹底解決傳統(tǒng)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(yè)采用該技術，每年可節(jié)約發(fā)電燃煤3.28億噸。據業(yè)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(fā)揮煤炭資源優(yōu)勢、搶占能源變革先機、保障能源戰(zhàn)略安全具有深遠意義。
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