西安交通大學能源與動力工程學院教授王樹眾認為,對煤的高效清潔利用并非沒有辦法,現(xiàn)有技術(shù)完全可以實現(xiàn),只是成本太高。例如,就現(xiàn)有技術(shù)而言,要控制二氧化碳排放,就會使電廠發(fā)電效率下降10%,經(jīng)濟性很差;而要實現(xiàn)脫硫、脫硝,一年就要花費900億~1 000億元,而超臨界水可能成為解決這一問題的“鑰匙”。
當氣壓和溫度達到臨界點(22.05 MPa,374.3 ℃)時,因高溫而膨脹的水與因高壓而被壓縮的水蒸氣會形成一種特殊形態(tài)的水——超臨界水。此時水的液態(tài)與氣態(tài)沒有區(qū)別,完全交融在一起,成為一種新的呈現(xiàn)高溫、高壓狀態(tài)的液體。超臨界水的密度、黏度、離子積和介電常數(shù)較常溫、常壓下的水均明顯下降;其擴散系數(shù)較高,約是常溫常壓下水的100倍,傳質(zhì)性能好;與非極性氣體和烴類物質(zhì)安全互溶,而對無機鹽幾乎不溶解。目前電廠中應(yīng)用的超臨界機組和超超臨界機組均利用了超臨界水的這一特點,但并沒有利用好超臨界水的其他特有性質(zhì)。煤的超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng)恰恰利用了這些特點。
超臨界水氣化、超臨界水氧化和超臨界水熱燃燒是3個需要講清楚的概念。超臨界水氣化利用超臨界水的特殊性質(zhì),不加入氧化劑,將反應(yīng)物加入超臨界水反應(yīng)器內(nèi)進行熱解氣化反應(yīng),制取高熱值氣體如氫氣、甲烷等。該技術(shù)的優(yōu)勢在于不生成焦炭,不產(chǎn)生污染性氣體。高溫氣化會產(chǎn)生硫化氫,而在超臨界水中,硫以離子的形式存在。超臨界水氣化的發(fā)展方向是耦合其他技術(shù),或者添加催化劑。
超臨界水氧化則是指使有機物、煤及氧化劑完全混溶于水中,有機物將被氧化分解為小分子物質(zhì),通常為二氧化碳和水;雜原子(氯、硫、磷)則被轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的無機酸根;廢水中的陽離子和酸根離子一起形成無機鹽或氧化物。雜原子都變成了鹽,而鹽在超臨界水中的溶解度極低。
超臨界水熱燃燒與常見燃燒現(xiàn)象類似,反應(yīng)燃料在水熱燃燒反應(yīng)器內(nèi)著火并形成“水火相容”的水熱火焰。這也是一個氧化反應(yīng),但在水中帶有火焰,而超臨界水氧化通常不產(chǎn)生火焰。
煤經(jīng)過超臨界水熱燃燒后,硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽,氮形成氮氣,沒有二氧化硫和氮氧化物排放。因為煤在超臨界水中的存在類似水煤漿,燃燒后不會形成飛灰,只會形成泥渣,所以該技術(shù)本身不會產(chǎn)生硫氧化物、氮氧化物和飛灰,更不會形成PM 2.5顆粒物,且只需要一個簡單的脫泥渣過程。同時,由于二氧化碳完全溶于超臨界水中,且在獲取能量的過程中,也不需要復(fù)雜的控制技術(shù)。臨界水熱燃燒技術(shù)特別適于能源的潔凈燃燒及能量的高效回收,其優(yōu)勢十分明顯,燃料在極短的時間內(nèi)即可燃盡,燃燒啟動溫度低,解決了鹽沉積和腐蝕問題,反應(yīng)器內(nèi)的能量密度大,能量回收效率高。
雖然超臨界水氣化技術(shù)對有機物、生物質(zhì)等比較適用,但對煤而言效果不佳,整個過程能量轉(zhuǎn)化效率仍然很低,需要與水熱燃燒技術(shù)相耦合。
固相產(chǎn)物(半焦)超臨界水熱燃燒試驗結(jié)果表明,顆粒表面溫度高于1 090 K,傳質(zhì)過程是氧化燃燒的控制步驟時,半焦顆粒才可能迅速燃盡。對于毫米級的半焦,完全燃盡的時間在5~7 min,低于微米級的半焦顆粒,4~7 s內(nèi)完全燃燒,反應(yīng)溫度比目前氣化爐溫度要低得多。應(yīng)用該技術(shù)構(gòu)建一個超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發(fā)電系統(tǒng),其發(fā)電效率可達53%,有望成為煤高效清潔利用的一條新途徑。