超临界水蒸煤:从源头杜绝烧煤污染

科技日报 节能环保 2019-10-15 16:30:47
     

煤炭是当前我国主要能源,大量燃煤却产生严重污染。传统燃煤、煤气化锅炉及其发电技术均采用“一把火烧煤”的形式,总能效和煤电转化率低、污染严重、耗水量大,脱硫、脱氮、消除粉尘及二氧化碳代价高昂。


由中国科学院院士、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦教授带领的科研团队,历经二十年科技攻关,研发出“煤炭超临界水气化制氢发电多联产”系列完全自主知识产权技术,俗称“超临界水蒸煤”,成功将煤炭化学能直接高效转化为氢能,从源头上根除了硫化物、氮化物等气体污染物以及PM2.5等粉尘颗粒物的生成和排放。


作价1.5亿的重大成果产业化项目


2016年12月25日,西安交大首个重大科研成果产业化项目——“煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术”产业化工作正式启动。教育部、国家自然科学基金委、国家能源局、中国核工业建设集团、陕西省和西安市政府主要领导等参加该项目产业化工作启动及汇报会。


当日,西安交大将该项技术成果知识产权及相关技术以1.5亿元的价格,转让给了由中核全联投资基金管理(北京)有限公司、香港日富投资有限公司和西安北奇能源科技发展有限公司三家公司共同发起成立的混合所有制技术产业化投资公司——陕西中核交大超洁能源技术有限公司。该公司筹资10亿元进行该技术产业化的示范,以50MW发电及热电联产机组、燃煤工业供热蒸汽锅炉替代产品等作为工程示范的切入点,决心在3年内完成项目的建设和运行,加速推动该技术在煤炭高效清洁利用、环境保护等方面的推广示范。


“这项技术国外也有人在做研究,但都是走在我们后面。他们没有形成大规模的连续生产装置,我们的大规模中试装置,已经连续运行了几千个小时都没有问题。”郭烈锦指出,“现在各种煤化工企业也产生氢和蒸汽,所以只要更换掉部分单元,就可以使用。所有以煤为原料的工业企业都可以用这项技术。”


新技术终结“一把火烧煤”


西安交大这项“超临界水蒸煤”技术刚一面世,便引发了行业震动,引起社会广泛关注。


“‘超临界水蒸煤’作为一项变革性的技术,与传统的燃煤发电以及煤气化发电等技术存在着根本性的区别。传统燃煤发电,包括煤气化发电,都是把煤放在空气中,利用火燃烧,跟氧气产生氧化反应,这就是一个放热的过程。这种热能是可以利用的,热气流在燃煤锅炉里,被锅炉里的水吸收,然后再变成水蒸气,再去推动汽轮机做功。这就是常说的蒸汽轮机发电。较蒸汽轮机发电利用效率更高的,还有一种叫燃气轮机发电。由于该装置的材料要更加的耐高温,性能要求更高,所以加工工艺特别难。”郭烈锦向科技日报记者介绍说:“氧化反应自然会产生二氧化硫和氮氧化物,加上煤燃烧时扬起的颗粒物质,PM2.5就是这么来的!企业后续要脱硫脱硝除尘,就要安装除尘装置。这个成本对于企业来说很高。同时运行这些装置还得消耗能量。如此一来,总的效率不高,平均下来就百分之四十几。”


超临界水是指当气压和温度达到一定值时(近乎22MPa,374℃),因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时,水的液体和气体便没有区别,完全交融在一起,成为一种新的呈现高压高温状态的液体。郭烈锦用通俗的语言描述“超临界水蒸煤”技术的先进性:“我们这个技术不用空气进去,只是把煤和水混到一起,让它们去反应。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,烧的是氢气,得到的是水,产品是干干净净,得到高温高压的超临界水蒸气,同样可以使汽轮机做功。得到的效率比传统的更高,又没有污染。”


郭烈锦团队已经成功研制出了包括超临界水流化床等系列实验设施,能够完成煤的完全汽化。在700℃以上,国内各种煤型的碳气化率均达到100%。超临界水煤气化制氢的热力学以及化学反应动力学模型和反应系统的整合优化已经完成,成功完成处理煤量为1t/h的中试规模演示系统,通过技术经济分析,在系统处理煤量达83.3t/h时,氢气的价格能降低至0.7元。基于超临界水煤气化和多级燃氢补热汽轮机的新型热力循环发电系统已经提出,煤炭发电效率高、二氧化碳富集和环境友好无污染是其主要特色。这项技术已全面完成原理性创新、实验室规律性试验研究和中试试验,为了彻底解决传统煤电转化率低、污染严重、高耗水等问题找到了出路。


根据测算,如全国在火电行业采用该技术,每年可节约发电燃煤3.28亿吨。据业内专家分析认为,该技术为破解我国能源困境带来曙光,对我国发挥煤炭资源优势、抢占能源变革先机、保障能源战略安全具有深远意义。


(编辑:张艳  审校:寇建仁)
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