超临界水蒸煤：从源头杜绝烧煤污染

煤炭是我国目前的主要能源，但大量燃煤造成了严重的污染。传统的燃煤和煤气化锅炉及其发电技术都采用“一手烧煤”的形式，其特点是总能源效率和煤电转化率低，污染严重，耗水量大，脱硫、脱氮、除尘和二氧化碳去除成本高。

由中国科学院院士、Xi交通大学电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，开发了一系列完全自主知识产权的技术，俗称“超临界水蒸煤”，成功地将煤化工能源直接高效地转化为氢能，从源头上消除了硫化物、氮化物等气体污染物和pm2.5等粉尘颗粒的产生和排放。

1.5亿元的重大成果产业化项目

2016年12月25日，Xi交通大学首个重大科研成果产业化项目——“煤超临界水气化多联产制氢发电技术”正式启动。教育部、国家自然科学基金委、NEA、中国核工业建设集团、陕西省、xi市政府等主要领导。参加了项目产业化启动汇报会。

同日，xi交通大学将该技术成果的知识产权及相关技术转让给陕西CNNC交通大学超杰能源科技有限公司，该公司是由CNNC众联基金管理(北京)有限公司、日富投资有限公司和Xi北汽能源科技发展有限公司共同出资1.5亿元设立的一家混合所有制技术产业化投资公司。公司筹集10亿元进行该项技术的产业化示范，以50mw发电及热电联产机组和燃煤工业供热蒸汽锅炉替代产品为工程示范起点，决心在3年内完成该项目的建设和运行，加快该项技术在煤炭高效清洁利用和环境保护方面的推广和示范。

“有些人在国外研究这项技术，但他们都支持我们。他们没有形成大规模的连续生产工厂，我们的大规模试验工厂已经连续运行了几千个小时，没有出现任何问题。”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。所有以煤为原料的工业企业都可以使用这项技术。”

新技术终结了“单手烧煤”

Xi交通大学“超临界水蒸煤”技术刚刚问世，就引发了行业震动，引起了社会的广泛关注。

“作为一项革命性的技术，‘超临界水蒸煤’从根本上不同于传统技术，如燃煤发电和煤气化发电。包括煤气化发电在内的传统燃煤发电将煤放入空气体中，随火燃烧，并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。燃煤锅炉中的热气流被锅炉中的水吸收，然后变成蒸汽，再驱动汽轮机做功。这通常被称为汽轮机发电。与汽轮机发电相比，另一种发电称为燃气轮机发电。由于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《科技日报》记者:“氧化反应自然会产生二氧化硫和氮氧化物，而煤燃烧时会产生颗粒物，所以pm2.5就来了！为了脱硫、脱硝和除尘，企业应安装除尘装置。这对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%。”

超临界水是指当空气压力和温度达到一定值(接近22mpa，374℃)时，水被高温膨胀后的密度与被高压压缩的水蒸气的密度完全相同的水。这时，水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“超临界水蒸煤”技术的进步:“这项技术不需要空气体，只要把煤和水混合在一起，让它们反应就行了。”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，汽轮机也能做功。所得效率高于传统方法，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，国内各种煤种的碳气化率达到100%。超临界水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与优化已经完成，一个处理煤能力为1t/h的中试示范系统已经成功完成。通过技术经济分析，当系统的煤处理能力达到83.3吨/小时时，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燃氢汽轮机的新型热力循环发电系统。其主要特点是煤发电效率高，二氧化碳富集，环保无污染。该技术完全完成了原理创新、实验室常规试验研究和中试试验，为彻底解决传统煤电系统转化率低、污染严重、耗水量大的问题找到了一条途径。

据计算，如果我国火电行业采用该技术，每年可节约发电用煤3.28亿吨。据业内专家分析，该技术为解决中国能源困境带来曙光，对中国充分发挥煤炭资源优势、抓住能源改革机遇、确保能源战略安全具有深远意义。(石俊斌)

编辑:张静文