能源的新技术

一、固体氧化物燃料电池

　　燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为电能的发电装置。

　　根据所使用的电解质种类的不同，燃料电池可分为：

　　(1)低温燃料电池，诸如固态高聚物电解质燃料电池(PEMFC)及碱性燃料电池(AFC)；
　　(2)磷酸盐酸性燃料电池(PAFC)；
　　(3)熔盐碳酸盐燃料电池(MCFC)；
　　(4)固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

　　SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，被认为是最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分散的电站，目前正在引起各国科学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体，通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固态能量转换装置，所以又被称为陶瓷燃料电池。

　　SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极，空气中的氧离解转换成氧离子，通过两个电极间的固体电解质膜迁移，与阳极/电解质界面上的燃料反应。在外电路，从阳极到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影响电池的工作温度及电能转换效率，还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和钙钛矿型 结构的LaGaO3基材料等。

　　除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点：对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题；积木性强，规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60%，而对总的来说体系效率可高达85%，SOFC的功率密度达到1MW/M3，对块状设计来说有可能高达3MW/M3。事实上，SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。

　　SOFC今后的研究开发主要集中在以下几个方面：

　　1.新型电极材料和其他电池构件的开发。

　　修饰SOFC的其他部件，使系统结构达到最佳化，以配合燃料电池的中温操作；开发中温条件下有一定活性同时与电解质在性能上相匹配的电极材料；改善电极的微结构。其中纳米电极是一个可行的路线。它颗粒小，可增加三相界(催化活性中心)的长度和电极/电解质的接触面积，大大降低了界面电阻；也可降低电极厚度，使气体更容易扩散到三相界面处，减小由于电极浓差极化造成的电池效率的降低。

　　2.质子导体及质子－离子混合导体电解质的开发。

　　由质子导体作电解质，水将在氧化剂的一侧产生，因此将不会出现用氧离子导体作电解质那样，经过燃料电池反应后须将水从燃料中除去。当使用甲烷等碳氢气体时，只有这些燃料热解得到的氢可认为是质子导体燃料电池的燃料，而其余部分可作为有用的重整产物而保留下来，例如乙烷经电池反应重整后可得到乙烯。某些电化学反应必须使用质子导体材料。如：工业中H2S废气用这种燃料电池来处理，可以在发电的同时，得到有用的副产品S2。

　　3.研究质子传导的机理并开发在中温下具有足够电导率的质子导体，是一个很有希望的研究方向。应该说，质子－离子混合导体是一种崭新的固体电解质，寻找这种材料本身就是一个新的挑战，这对于深化我们设计新型SOFC，具有特别重要的意义。

　　4.新概念和新方法。

　　最近出现的单腔体燃料电池就是一个新的概念。尽管它还有很多的缺点，但它却不失为一个有意义的研究方向。其主要意义还在于对我们今后进行的电池的设计，给予了有益的启发。对于电极材料结构，传统的电极大多数为不对称电极，即阴极和阳极所使用的材料不同。如果使用对称电极，电池的性能将会如何？这就值得研究。对于电池的制备方法，目前采用的方法大多昂贵，成品率低。开发研究软化学制备路线，引入温和条件的材料制备方法，势必具有较强的竞争力。

　　二、洁净煤技术

　　(一)选煤技术

　　发展煤炭洗选，提高商品煤质量是从源头上减少污染的有效措施。我国1997年原煤入选率25.73%。煤炭洗选的重点已由炼焦煤转为动力煤，由过去单纯的注重降灰转为降灰与脱硫并举及回收洗矸中的黄铁矿。小直径重介质旋流器分选工艺和设备，对细粒煤泥能同时实现降灰、脱硫，在分选0.5～0.04mm级煤泥时，无机硫脱硫率为67.90～70.30%。采用12m2大型风力干法选煤机的150万吨/年选煤厂已投入生产。该厂吨煤投资4.25元，吨煤加工成本2.15元，分选效率>90%，外排尘(50mg/m3)符合环境要求。解决煤炭深度降灰脱硫难题的一些新技术，如大直径三产品无压给料重介质旋流器、各种形式的微泡浮选相继研究成功、投入生产。但我国选煤技术总体上与国际先进水平比有相当大的差距，一是原煤人选比例低(我国为25.7%，发达国家在90%以上)；二是先进的选煤工艺占比例低(如重介选，我国仅为23%，发达国家在60%以上)精煤质量差；三是平均厂型小，自动化程度低，设备可靠性差，生产工效低。

　　(二)水煤浆技术

　　水煤浆代油在白杨河发电厂经过2000小时的试运行，在全烧水煤浆条件下，燃烧效率>98%，锅炉效率>89%，锅炉负荷在40－100%范围内均能稳定燃烧，与燃烧重油有相同的效果。矿区煤泥制浆燃烧取得进展。采用高灰(灰分41－43%)煤泥制浆，供10t/h链条炉燃用。累计运行2008小时，锅炉热效率由单纯层燃洗中块煤的53.99%提高到掺烧煤泥浆后的68%，燃烧效率由63.7%提高到79.01%。

　　 (三)循环流化床(CFBC)

　　国外CFBC技术在向大型化发展。目前单机容量最大的CFBC锅炉(250MW，蒸发量700吨/时)电站已在法国投入运行，锅炉效率90.5%，脱硫率93%，Nox排放低于250mg/Nm3。

　　我国现已具备设计制造75t/h循环流化床锅炉的能力；自行开发的220t/hCFB锅炉示范工程和引进410t/h循环床锅炉工程在进行。CFB的设计基础研究方面也取得了一些进展，完成了循环床专用设计软件；125MW再热炉型的工程设计研究和新型75t/h和130t/h循环流化床锅炉的研究设计工作。

　　 (四)整体煤气化联合循环(IGCC)

　　煤气化联合循环发电(IGCC)是目前世界发达国家大力开发的一项高效、低污染清洁煤发电技术，它不仅能满足日趋严格的环保要求，而且发电效率可达45%以上，极有可能成为21世纪主要的洁净煤发电方式之一。

　　美国IGCC示范工程取得重大进展，Wabash River电厂煤气化电厂改造项目，系统供电能力262MW，设计供电效率38%，脱硫效率>98%。项目于1998年11月完成商业化示范运行。Tampa电力公司IGCC电厂，系统供电能力250MW，设计供电效率40%，脱硫效率>96%，预计2001年10月完成商业化示范运行。Pinon Pine IGCC发电项目，系统供电能力99MW，设计供电效率40.7%，预计2000年7月完成商业化示范运行。

　　我国IGCC关键技术研究已启动，包括IGCC工艺、煤气化、煤气净化、燃气轮机和余热系统方面的关键技术。拟在烟台电厂建1GW示范电站。

　　(五)煤炭气化

　　煤气化技术是重要的能源转化技术，广泛用于化工、冶金、机械、建材、民用燃气等方面，目前全国每年气化用煤量约6000万吨。

　　我国引进了一些先进的大型煤气化技术都在运行中。我国的中小型气化以块煤固定床气化技术为主，技术水平落后、效率低、污染重，急需技术改造。引进的一些较先进的气化技术在稳定操作运行、技术设备国产化、经济投入及运行效益方面也存在不少问题，因此需要发展具有中国知识产权、适合国情、高效洁净的现代气化技术。地下气化技术应用于煤矿残煤气化的试验取得了一定的进展。

　　(六)煤炭液化

　　煤炭液化是重要的煤转化技术。由中德、中日、中美合作的三个煤直接液化工业示范项目可行性研究在进行中，中德合作采用云南先锋褐煤在德国DMT公司的工艺开发装备上进行了的工业条件试验和最佳工艺条件运转试验，液化油收率达到53%；对中国固定床加氢催化剂进行了条件试验，结果表明该催化剂适用于德国IGOR工艺；示范厂可研报告已经完成。在日本1t/d装置进行了中国依兰煤、中国西林硫铁矿催化剂、日本合成硫化铁催化剂的直接液化条件试验，油收率为52%－57%。中美合作的中国神华煤直接液化可行性研究项目完成第一阶段工作，在美国HTI公司连续小试装置上对神华柠条塔煤进行了6个条件的试验，使用HTI的技术和GelCat催化剂，油收率达63%－68%；

　　(七)燃料电池

　　科技部在UNDP的支持下正在推动燃料电池公共汽车示范计划。

　　(八)烟气净化技术

　　目前，世界上运行着500座以上的烟气脱硫装置。而其中90%以上(按机组容量计)为湿法脱硫工艺。半干法旋转喷雾法、炉内喷吸收剂――增湿活化脱硫工艺在欧洲应用较多。流化床燃烧技术在燃烧过程中有效控制SO2、NOx的生成，日益受到重视。日本开展利用表面热处理后的活性炭纤维(ACF)对烟道气进行脱硫、脱氮的试验研究，取得了很好效果。。利用ACF净化烟道气的技术属于半干式氧化型，其优点是：脱硫、脱氮反应在常温下进行，副产的硫酸、硫酸盐及硝酸、硝酸盐等可以获得连续回收。该燃煤锅炉烟气脱硫、脱氮技术不仅具有较高的脱硫、脱氮性能，且用水量少，所需设备简单，目前正在进行实用化研究。 随着我国大气污染日益加剧，烟气净化技术进一步受到社会各方面的重视。"中日合作电子束烟气脱硫示范工程"，已累计运行2400小时，1998年5月28日通过国家竣工验收鉴定。该示范工程处理成都电厂200MW机组锅炉的30万m3/h烟气，是目前世界上已投入运行的处理烟气量最大的电子束脱硫装置。其脱硫率及脱硝率均超过80%及10%的设计值，各项运行消耗指标均低于设计值。此外，引进芬兰IVO公司炉内喷钙和增湿活化联合工艺和日本日立公司的高速平流式湿法工艺正在进行。国际上已有的脱硫效率高的成熟技术，引进后对我们积累设备设计、运行和管理经验是有用的,但国外技术和设备价格昂贵，应结合我国经济能力，开发和推广适合我国国情的技术与工艺。

　　国内烟气净化技术基础研究和中小锅炉烟气净化技术也取得一定进展。为提高脱硫剂的脱硫效率，在Ca(OH)2中加入易潮解盐和碱或用燃烧飞灰和Ca(OH)2的水合物作吸着剂；或用活性焦或活性炭作吸附剂，在实验室研究中都取得一定成果。适合中小型锅炉的网膜塔除尘脱硫系统、双击式除尘脱硫工艺等也取得了初步成效。

　　(九)粉煤灰综合利用

　　我国粉煤灰研究和利用的重点是大用量方向，例如掺于混凝土中，建桥、建坝、高层建筑底板、核发电站的安全壳等，正在建设中的三峡工程预计用粉煤灰量达133.8万吨。更大量的利用在于修筑高等级公路，该技术已成熟，推广于沪宁、京深及京冀公路建设。粉煤灰还用于矿区回填、农业上改良土壤。预计到2000年我国粉煤灰的排放量将达到1.6亿吨，在粉煤灰利用上必须加大力度、扩大利用面、增加利用量、提高利用率。

　　(十)煤层气的开发利用

　　煤层气勘探开发取得了明显进展，1998年在山西沁水盆地和东北鹤岗地区共钻煤层气井11口,在屯留-003井、屯留-006井和屯留-007井获得了日产7000m3、10000m3和16000m3以上工业煤层气流，初步控制含气面积约550平方公里。勘探成果表明,该地区具备了形成大型煤层气田的地质条件。在晋南完成了3口井，晋试1井获得了单井日产7000m3的产量。"中国煤层气资源评价项目"的研究工作正在实施之中，已初步完成了六盘水、大华北、东北三江和辽中四个区块的研究工作，项目研究总报告预计1999年完成。与美国德士古(TEXCO)、菲利普斯(PHILLIPS)和阿科(ARCO)等三家石油公司共同进行淮北、临兴、三交、三交北和石楼等五个地区煤层气勘探开发的合作项目在进行。五个合作区总面积为11216.8km2，预测煤层气资源量6535亿m3。现已完成9口煤层气井的钻探，取得了较好的煤层气资料。

　　三、洁净煤技术优先发展领域的建议

　　(一)当前中国发展洁净煤技术重点要解决的三个问题

　　1．提高燃烧效率是解决中国煤炭利用效率低下，减少温室气体排放的关键

　　目前我国每年动力用煤占煤炭消费总量的85%以上。主要用户是：电站锅炉(1995年末，我国有电站锅炉4609台，43万蒸t，全部为蒸汽锅炉；年用煤488Mt)；工业锅炉 (1995年末中国有49.9万台工业锅炉，119.8万蒸t，平均单机容量2.4t。工业锅炉以层燃为主，年用煤约350Mt，燃烧效率比国外先进水平低15-20%)；工业窑炉(1995年我国有工业窑炉16万台，年用煤23.8Mt，设备技术普遍比较陈旧，污染严重)；民用(我国民用、商业及其他用煤165.2Mt，其中民用135.5Mt。烧散煤平均热效率仅15%，改烧型煤并采用新型高效炉具热效率可达60%以上)。

　　2.全过程脱硫，减排SO2是中国洁净煤技术重点要解决的问题

　　每年排向大气的SO280%以上来自燃煤；酸雨分布区已占到国土面积的40%。减少SO2排放是实现高效低污染燃煤的主要目标。

　　中国煤炭中形态硫组成以黄铁矿硫为主，通过洗选可以清除煤中50%－70%的黄铁矿硫。初步测算，通过大力发展洗选，2000年SO2减排量2.7Mt,2010年5.4Mt,2050年8.6Mt。

　　燃烧中固硫主要是两种途径，一是燃烧加固硫的型煤或配煤，一般可减少SO2排放40-60%；二是采用CFB锅炉实现炉内脱硫，脱硫率可达80-90%。

　　烟气净化脱硫关键是降低费用，国内外均围绕这个目标开展了大量的研究开发工作。

　　四、植物油将替代石油

　　石油价格的日渐看涨，寻找石油的替代品也不得不让科学家费一番脑筋。 这个日常生活问题经过一、二十年的研究，专家们已经拿出了确定的方案。因为，石油是由不同的碳氢化合物混合而成的液体矿藏，能源专家认为含碳氢化合物的植物是顶替石油的绝好资源。目前发现数千种这类植物，主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝摩科、菊科、桃金娘科以及豆科等。如果你不信，可以折断这些植物的茎、叶，伤口处便有乳白色或黄褐色液体流出来，这些液体中便有与石油成分相似的碳氢化合物。

　　近年来，科学家经过筛选，有的可以作为燃料用油或化工用品，有的则需经过一定处理后，即可以作为石油替代品，这些植物称作"石油植物"，也有人统称为"能源植物"。