王 琦,楊志賓,李初福,雷 澤,劉淑琴
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.北京低碳清潔能源研究院,北京 102211)
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2021國(guó)家能源統(tǒng)計(jì)年鑒表明,2010—2019年,我國(guó)每年火電發(fā)電量占總發(fā)電量的比值在69.7%~79.5%不等,由于我國(guó)一次能源供給中煤炭超過(guò)能源總量的60%,因此以煤炭為基礎(chǔ)能源的火電發(fā)電格局短期內(nèi)無(wú)法改變。傳統(tǒng)的燃煤直接發(fā)電方式,不僅能源利用率低,且產(chǎn)生大量CO2氣體,帶來(lái)能源浪費(fèi)、環(huán)境污染及溫室效應(yīng)等危害[1-2]。未來(lái)還需要考慮通過(guò)煤電靈活調(diào)峰來(lái)平衡電網(wǎng),以適應(yīng)大規(guī)??稍偕茉窗l(fā)電。因此清潔、高效、靈活、安全的煤基發(fā)電技術(shù)是未來(lái)的主要發(fā)展方向。
近年來(lái)隨著潔凈煤技術(shù)的快速發(fā)展,我國(guó)發(fā)展了多種新型燃煤發(fā)電技術(shù)如整體煤氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(IGCC)[3]、超超臨界發(fā)電技術(shù)[4]、煤電與光伏儲(chǔ)能聯(lián)動(dòng)等[5],已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫化物和氮氧化物的有效控制與減排,但由于CO2排放濃度低,捕集成本過(guò)高,仍很難解決燃煤導(dǎo)致的CO2排放問(wèn)題[6-7]。
整體煤氣化燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(IGFC)是一種清潔高效的綠色煤電技術(shù),與CO2捕集技術(shù)結(jié)合,可以達(dá)到60%以上的高發(fā)電效率和實(shí)現(xiàn)CO2近零排放[8-9]。
IGFC主要包括煤氣化及凈化、燃料電池發(fā)電、尾氣燃燒余熱回收3個(gè)模塊,燃燒得到的CO2和H2O的混合氣體可耦合CO2捕集及封存技術(shù)、固體氧化物電解池(SOEC)技術(shù)等。圖1為IGFC系統(tǒng)一般流程。
圖1 IGFC系統(tǒng)典型流程Fig.1 Flow diagram of IGFC system
IGFC的一般過(guò)程為煤(或天然氣、生物質(zhì)等)經(jīng)氣化生成合成氣,熱量回收后,合成氣進(jìn)入凈化單元脫除硫與粉塵等有害物質(zhì),凈化后的氣體送入高溫燃料電池陽(yáng)極側(cè),同時(shí)陰極側(cè)通入空氣,燃料氣與氧化氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電,反應(yīng)過(guò)程中大部分可燃成分轉(zhuǎn)化為電和熱,未轉(zhuǎn)化的可燃成分隨電池陽(yáng)極尾氣排出,進(jìn)入燃燒室進(jìn)行催化燃燒,全部轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。該混合氣體熱量回收并冷凝出H2O后,得到純度在90%以上的CO2氣體,可直接捕集封存[10]。燃燒所得混合氣體也可用于固體氧化物電解池(SOEC)制氫或合成氣,作為能源供給及化工生產(chǎn)原料[11]。
煤氣化及凈化技術(shù)是較為成熟的潔凈煤技術(shù)之一,根據(jù)原料、反應(yīng)條件、應(yīng)用場(chǎng)景等不同,煤氣化技術(shù)多達(dá)數(shù)百種,我國(guó)煤氣化技術(shù)先進(jìn),部分主流技術(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[12-13]。氣流床氣化、固定床氣化及流化床氣化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中均有示范應(yīng)用。
不同的氣化過(guò)程,不同煤種的原料煤,進(jìn)料采取干法還是濕法,采用空氣噴吹或氧氣噴吹操作,干粉煤入料時(shí)采用N2氣體輸送或CO2氣體輸送,這些條件的變化都影響合成氣的組成,進(jìn)而影響燃料電池的輸出效率。由表1可知,氣流床煤氣化技術(shù)所得的合成氣中,煤氣有效成分CO和H2占比高達(dá)90%,固定床和流化床均較低。IGFC系統(tǒng)對(duì)燃料的入料濃度有一定要求,燃料濃度越低,電池最大開(kāi)路電壓越低,在給定電流密度下極化損耗越大[14]。此外固定床氣化技術(shù)中,粗煤氣中含一定量的焦油和酚,較難完全去除,流化床氣化技術(shù)除了CO和H2等有效組分偏低外,粗煤氣中粉塵的帶出量較大,粗煤氣凈化環(huán)節(jié)耗能較高。而IGFC系統(tǒng)對(duì)氣體的純凈度要求較高,否則會(huì)毒化電池電極。因此采用氣流床技術(shù)作為IGFC煤氣化技術(shù)較為合適。ZHENG等[15]研究了面向IGFC系統(tǒng)的超細(xì)煤粉的氣化反應(yīng)技術(shù),分析了氣化反應(yīng)特性、灰熔融特性及污染物形成機(jī)理等,開(kāi)發(fā)了高溫/高壓擺動(dòng)式吸附裝置,H2S和CO2去除率超過(guò)99.9%,進(jìn)一步減少了IGFC系統(tǒng)污染物的排放。IGFC系統(tǒng)中煤氣化流程如圖1所示。
表1 我國(guó)主要煤氣化技術(shù)匯總
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,模塊化結(jié)構(gòu)、發(fā)電效率高,美國(guó)將燃料電池列為經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全至關(guān)重要的27項(xiàng)必須發(fā)展的技術(shù)之一,美國(guó)時(shí)代周刊將燃料電池列為21世紀(jì)的高科技之首。其中固體氧化物燃料電池(SOFC)及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是適用于IGFC系統(tǒng)的燃料電池技術(shù),而SOFC采用全固態(tài)陶瓷結(jié)構(gòu),壽命可達(dá)10萬(wàn)h,發(fā)電效率最高,一次發(fā)電效率可達(dá)50%~65%,熱電聯(lián)供效率可達(dá)90%以上,SOFC可使用氫氣,不要求高純度,特別是可直接使用各種含碳燃料,與現(xiàn)有能源供應(yīng)系統(tǒng)兼容,具有更好的應(yīng)用前景。自2000年以來(lái),我國(guó)部分研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始開(kāi)展SOFC的相關(guān)研究工作,至今已有較為完備的技術(shù)儲(chǔ)備、人才儲(chǔ)備,并構(gòu)建了一定的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境[16]。
中國(guó)科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校分別在電解質(zhì)支撐、陽(yáng)極支撐、金屬支撐等不同側(cè)重點(diǎn)上開(kāi)展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作?!笆濉逼陂g,中科院大連化物所、寧波材料所、華中科技大學(xué)和中科院上硅所分別承擔(dān)了“863計(jì)劃”項(xiàng)目,開(kāi)展了5 kW SOFC系統(tǒng)和25 kW電池堆項(xiàng)目的研發(fā)。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)固體氧化物燃料電池中心在氫能與燃料電池方面已有20多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、“973”、“863”,中美、中瑞、中丹國(guó)際合作、中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢(重大及重點(diǎn))、北京市未來(lái)科學(xué)城建設(shè)專項(xiàng)、山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)等20余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目,與國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都建立了良好的合作和交流關(guān)系,在SOFC領(lǐng)域有著很強(qiáng)的技術(shù)積累和學(xué)科優(yōu)勢(shì),已成為我國(guó)SOFC領(lǐng)域最重要的研發(fā)團(tuán)隊(duì)之一。
此外,依托各高校的技術(shù)輸出與轉(zhuǎn)化,目前國(guó)內(nèi)已有部分SOFC電池公司開(kāi)展商業(yè)化活動(dòng),寧波索福人公司、華清京昆能源公司等均可提供量產(chǎn)的各類電池材料粉體、半電池器件、千瓦級(jí)電池堆等?!笆濉逼陂g,大型能源集團(tuán)如國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電網(wǎng)、華能集團(tuán)、濰柴動(dòng)力、晉煤集團(tuán)、中廣核、新奧集團(tuán)等開(kāi)始介入,開(kāi)展示范應(yīng)用。
余熱回收與利用技術(shù)一直是鍋爐及電廠的重要輔助技術(shù)。IGFC系統(tǒng)中,煤氣化產(chǎn)生高溫粗煤氣,以及電池尾氣催化燃燒產(chǎn)生高溫的CO2和H2O的混合氣體,在這2個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生大量余熱,而IGFC系統(tǒng)中采用高溫燃料電池發(fā)電,通過(guò)全系統(tǒng)的熱量平衡與統(tǒng)籌利用,可有效增加系統(tǒng)的綜合熱效能。
燃煤發(fā)電除了發(fā)電效率低外,最難克服的是低濃度CO2氣體的排放問(wèn)題。目前典型CO2氣體的捕集與儲(chǔ)存技術(shù)面臨的最大障礙是低濃度CO2在捕集過(guò)程中的高成本、高耗能問(wèn)題。IGFC系統(tǒng)中的高溫燃料電池技術(shù),由于燃料氣與空氣不混合,可以在發(fā)電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)CO2的富集,得到的CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)90%,且氣體成分純凈,為CO2直接捕集及后續(xù)的儲(chǔ)存利用提供了條件。
地質(zhì)儲(chǔ)存、海洋儲(chǔ)存及礦物碳酸化固定等傳統(tǒng)方法是CO2大規(guī)模儲(chǔ)存與固定的主要途徑,但存在泄漏、改變地層結(jié)構(gòu)、成本高昂、影響海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡等影響,發(fā)展高效有益的CO2轉(zhuǎn)化利用新技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向。如利用太陽(yáng)能光催化CO2還原為碳?xì)淙剂?如甲烷、甲醇、乙醇、甲酸、CO等),可以實(shí)現(xiàn)資源的持續(xù)利用。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)固體氧化物燃料電池中心團(tuán)隊(duì)[17]研究了IGFC系統(tǒng)中SOFC陽(yáng)極尾氣經(jīng)催化燃燒得到CO2和H2O的高溫混合氣體,耦合可再生能源,通過(guò)固體氧化物電解池(SOEC)高效電解,得到H2和CO混合氣,達(dá)到能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存目的,耦合能源化工生產(chǎn)過(guò)程,提出了CO2轉(zhuǎn)化利用的新思路。圖2為IGFC系統(tǒng)中CO2的捕集及轉(zhuǎn)化工藝流程。
圖2 IGFC系統(tǒng)中CO2捕集及轉(zhuǎn)化工藝流程[17]Fig.2 Flow chart of CO2 capture and conversion process in IGFC system[17]
IGFC受到世界的廣泛關(guān)注,研究較為深入的有日本、美國(guó)、歐洲部分國(guó)家,韓國(guó)、澳大利亞等也開(kāi)展了部分工作。
2.1.1日本
1992年,日本基于美國(guó)西屋(Westinghouse)公司的SOFC技術(shù)在日本開(kāi)展了IGFC系統(tǒng)的可行性評(píng)價(jià)研究。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有高溫氣體凈化系統(tǒng)等輔助單元,設(shè)計(jì)研究結(jié)果表明300 MW級(jí)系統(tǒng)的發(fā)電效率接近47%[18]。
1995年,在METI(經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和工業(yè)部)和NEDO(新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織)資助下,依托潔凈煤技術(shù)的技術(shù)儲(chǔ)備,日本開(kāi)展了煤炭能源“EAGLE”項(xiàng)目,開(kāi)始了IGFC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。1996年和1997年,分別進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),1998年8月在Wakamatsu建設(shè)了中試線,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)電效率為53.3%[19]。
隨后日本開(kāi)展了Super-IGFC項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作,該系統(tǒng)煤的氣化采用蒸汽氣化爐,發(fā)電模塊采用SOFC,電池發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱和蒸汽直接供給氣化爐,系統(tǒng)中不設(shè)蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī),系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化,設(shè)計(jì)預(yù)估熱電聯(lián)供的總效率可達(dá)89%[20-21]。
2019年,日本公布了由NEDO和大阪發(fā)電公司合作完成的世界上第1座煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(IGFC-IGCC)及CO2捕集示范集成項(xiàng)目的建設(shè)情況,項(xiàng)目已完成1、2期的建設(shè),即IGCC系統(tǒng)與CO2捕集回收系統(tǒng),第3期將建成IGFC系統(tǒng)。項(xiàng)目建成后目標(biāo)是應(yīng)用于500 MW級(jí)商業(yè)發(fā)電設(shè)施,CO2回收率為90%的條件下實(shí)現(xiàn)47%左右的送電端效率(HHV)。
2.1.2美國(guó)
美國(guó)能源部(DOE)通過(guò)“Vision 21”與“SECA”項(xiàng)目不斷推動(dòng)升級(jí)IGFC系統(tǒng)的研發(fā)工作[22]。在2005年,美國(guó)能源部出資8 300萬(wàn)美元委托美國(guó)GE公司開(kāi)發(fā)以煤炭為燃料集成SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了分別采用SOFC、MCFC作為發(fā)電單元,陽(yáng)極尾氣循環(huán)及直接排放4種方案。研究對(duì)比表明,4種方案中,采用加壓SOFC與陽(yáng)極尾氣循環(huán)聯(lián)合利用的系統(tǒng),整體發(fā)電效率最高。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)效率可達(dá)61.5%,但CO2后續(xù)的捕集及封存,將消耗一定能量,因此系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)效率修正為58.4%[23]。SOFC模型中,評(píng)估氣體空間分配方式,以確定系統(tǒng)中最小空氣流量所需的最高溫度和溫度梯度,進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的能量消耗,可進(jìn)一步提升IGFC大系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。2016年,美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布基于SOFC技術(shù)的研究進(jìn)展及規(guī)劃,將于2025年和2030年建成10 MW和50 MW IGFC(含CO2捕集)示范系統(tǒng)。
2.1.3歐洲地區(qū)
21世紀(jì)初期,由法國(guó)Bertin and Cie公司牽頭,由丹麥科技大學(xué),荷蘭能源研究基金會(huì)(ECN),法國(guó)Usine D Electricite De Metz公司,法國(guó)CdFINGENIERIE公司等共同參與開(kāi)展了IGFC的可行性研究,稱為“Baraka”項(xiàng)目[24]。項(xiàng)目研究系統(tǒng)由煤氣化、氣體凈化、燃料電池發(fā)電、熱回收4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。從發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)性2個(gè)方面系統(tǒng)評(píng)價(jià)了MCFC和SOFC的優(yōu)劣。研究發(fā)現(xiàn)SOFC更適合IGFC系統(tǒng)的應(yīng)用,采用SOFC技術(shù)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單;陰極處因壓縮空氣所消耗的能耗更??;電解質(zhì)為固態(tài),電極兩側(cè)氣體交叉泄漏的風(fēng)險(xiǎn)更??;考慮到電池堆的生產(chǎn)成本,SOFC系統(tǒng)因設(shè)備少而略占優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合轉(zhuǎn)化效率超過(guò)84.8%,發(fā)電效率超過(guò)46.7%[25]。
2.1.4其他國(guó)家
韓國(guó)墨爾本大學(xué)的RUDRA等[26]研究了IGFC系統(tǒng)中熱回收蒸汽發(fā)電(HRSG)的優(yōu)化,以提高SOFC廢氣的熱回收效率,并最大化IGFC系統(tǒng)蒸汽循環(huán)中產(chǎn)生的發(fā)電量。采用Aspen Plus模擬軟件開(kāi)發(fā)熱力學(xué)模型,用于模擬混合燃料電池系統(tǒng)配置。新加坡國(guó)立大學(xué)的PAVAN等[27]研究了以生物質(zhì)或天然氣為燃料的IGFC系統(tǒng),研究表明天然氣是優(yōu)于生物質(zhì)的首選燃料,并且維持吉布斯平衡過(guò)程對(duì)于最大能量生產(chǎn)至關(guān)重要。如果在操作上難以將燃燒和氣化裝置均保持在吉布斯平衡點(diǎn)上,那么燃?xì)廨啓C(jī)比燃料電池使用時(shí)應(yīng)更注重吉布斯平衡。
隨著中國(guó)潔凈煤技術(shù)“九五”計(jì)劃實(shí)施,我國(guó)開(kāi)始布局燃煤發(fā)電新技術(shù)的研究。2000年起,SOFC技術(shù)在國(guó)內(nèi)掀起研究熱潮,新工藝、新材料、新器件得到極大發(fā)展,到“十三五”期間,《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》以及2016年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)與國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030)》等一系列政策出臺(tái),煤炭清潔利用提出了詳細(xì)的發(fā)展方向及時(shí)間規(guī)劃。IGFC技術(shù)作為煤電新技術(shù)之一,在“十四五”期間將得到進(jìn)一步的技術(shù)提升。
2012—2016年,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)作為依托單位承擔(dān)的國(guó)家973項(xiàng)目“碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究”,針對(duì)SOFC中關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)及荷電傳導(dǎo)機(jī)制、界面演變、電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及一體化電池設(shè)計(jì)中多尺度多場(chǎng)耦合性能演化等開(kāi)展了基礎(chǔ)理論研究,為SOFC的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)支撐。2017年國(guó)家能源集團(tuán)牽頭,聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、北京低碳清潔能源研究院等承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“CO2近零排放的煤氣化發(fā)電技術(shù)”,其核心是開(kāi)發(fā)SOFC及SOEC關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng),項(xiàng)目采取逐級(jí)放大、分步實(shí)施的技術(shù)研發(fā)策略,先后在寧夏煤業(yè)試驗(yàn)基地完成了1 kW和5 kW測(cè)試平臺(tái)的調(diào)試、試車及電堆/模塊的長(zhǎng)周期穩(wěn)定性試驗(yàn),并實(shí)現(xiàn)了20 kW級(jí)聯(lián)合煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的試車[15-17,28-29]。
項(xiàng)目組在推進(jìn)項(xiàng)目示范過(guò)程中開(kāi)發(fā)了SOFC/SOEC堆(圖3(a))和IGFC測(cè)試平臺(tái)(圖3(b)),搭建了新型20 kW級(jí)系統(tǒng) (圖3(c))和IGFC示范基地(圖3(d))。最近,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射邏輯搭建了一種新型物理全維模型模擬電堆的多物理場(chǎng)和多維特性,該模型對(duì)單電池及30片電池的電堆進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,精度可達(dá)2%。模型實(shí)現(xiàn)了SOFC堆的全三維多物理和多維動(dòng)態(tài)模擬,綜合了多場(chǎng)的電化學(xué)反應(yīng)、氣體傳輸和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)行為,為電堆的放大提供了理論支撐[30]。下一步,項(xiàng)目組將依托已有的技術(shù)研究?jī)?chǔ)備開(kāi)展100 kW級(jí)系統(tǒng)的示范。
圖3 IGFC系統(tǒng)示范 Fig.3 IGFC system demonstration
IGFC系統(tǒng)是碳基燃料發(fā)電新技術(shù)的重要發(fā)展方向,經(jīng)過(guò)20多年的基礎(chǔ)研究積累,正在走向示范應(yīng)用。該技術(shù)能否成為主導(dǎo)未來(lái)發(fā)電技術(shù)的主流,關(guān)鍵在于成本控制和燃料電池技術(shù)的成熟度[31-32]。眾所周知,IGFC的核心技術(shù)——SOFC電池技術(shù)目前未能實(shí)現(xiàn)完全的產(chǎn)業(yè)化,其關(guān)鍵材料的低成本量產(chǎn)制備和一致可靠電池堆的批量化生產(chǎn),一直是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的最大阻礙。因此實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料的低成本規(guī)模化加工、突破關(guān)鍵器件的高性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定性,都是制約IGFC系統(tǒng)能否成為解決碳基燃料零碳發(fā)展的關(guān)鍵因素。
筆者系統(tǒng)介紹了IGFC原理、關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展,梳理了美國(guó)、日本、歐洲地區(qū)等國(guó)家在IGFC技術(shù)的研發(fā)與示范方面開(kāi)展的工作;重點(diǎn)介紹了我國(guó)在IGFC方面技術(shù)進(jìn)展,提出了阻礙IGFC產(chǎn)業(yè)化的成本控制問(wèn)題及電池和電堆高性能、穩(wěn)定性運(yùn)行的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。