近日，國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布的《21世紀(jì)的煤炭》報(bào)告中，總結(jié)了四種未來煤炭利用技術(shù)。其中有些技術(shù)代表了不同的煤炭發(fā)電平臺(tái)，雖然還處于早期發(fā)展階段，但這些技術(shù)可能代表著煤炭利用的重大進(jìn)步。這四種未來煤炭利用技術(shù)包括先進(jìn)碳燃料電池、化學(xué)鏈燃燒、閉式布雷頓循環(huán)和增壓富氧燃燒。
作為未來幾十年發(fā)展進(jìn)程中的重點(diǎn)，燃料電池將有希望使燃煤電廠的熱效率跨入新階段。《報(bào)告》指出，先進(jìn)碳燃料電池技術(shù)包括直接碳燃料電池和整體煤氣化燃料電池。
直接碳燃料電池(DCFC)采用消耗粉煤的陽(yáng)極系統(tǒng)。陰極系統(tǒng)消耗周圍空氣中的氧氣。低電壓電池(0.6~0.9伏直流電)堆棧獲得高直流電壓和電流，隨后轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)交流電力。陽(yáng)極廢氣富含二氧化碳，電池工作溫度范圍為650℃~1000℃。
DCFC的主要吸引力在于，只需花費(fèi)與傳統(tǒng)粉煤電廠相當(dāng)?shù)某杀揪涂梢越⒁蛔?guī)模的一體化發(fā)電廠，并獲得非常高的煤—電轉(zhuǎn)換效率(有可能超過60%)。
目前，DCFC技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)展階段，電力輸出不到1千瓦。基于這種技術(shù)的全規(guī)模發(fā)電廠需要放大約10萬倍，并需要投入大量的時(shí)間和工作將這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)際使用。
雖然DCFC電化學(xué)概念已經(jīng)得到證實(shí)，但仍然面臨重大挑戰(zhàn)，包括如何開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理的煤炭原料預(yù)處理系統(tǒng)以滿足DCFC質(zhì)量要求。
同時(shí)，實(shí)現(xiàn)DCFC電池與電池堆5年壽命的目標(biāo)，也需要付出巨大努力，以便能經(jīng)濟(jì)地處理在預(yù)處理過程中未從煤炭中去除的污染物，如硫、氮、鹵素和灰成分等。
此外，還需要為DCFC電池進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、耐用和可維護(hù)的設(shè)計(jì)，包括為單個(gè)電池供應(yīng)空氣和煤炭，無泄漏與旁路等問題。
當(dāng)前全球DCFC發(fā)電廠的關(guān)鍵發(fā)展途徑是以煤炭作為燃料，可以制造和運(yùn)行耐用的單個(gè)電池，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)壽命。之后的挑戰(zhàn)就是燃料電池發(fā)電廠開始運(yùn)行時(shí)需解決的經(jīng)濟(jì)制造、耐久性機(jī)械電池堆裝配，以及相關(guān)機(jī)械耐久性等問題。
整體煤氣化燃料電池(IGFC)發(fā)電廠是一種燃煤發(fā)電先進(jìn)概念，燃?xì)廨啓C(jī)由燃料電池代替，將合成氣直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑫r(shí)產(chǎn)生多余熱能。
目前全球范圍內(nèi)正在發(fā)展多種類型的燃料電池，但固體氧化物燃料電池(SOFC)可能是最佳應(yīng)用選擇，包括二氧化碳捕集——因?yàn)镾OFC能將清潔的、未變換的合成氣(一氧化碳和氫氣)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退瑢⑺淠⒉捎镁珶挿绞匠ルs質(zhì)后，可以進(jìn)行二氧化碳?jí)嚎s和封存。
不過，利用合成氣工作的SOFC仍然是一項(xiàng)不成熟的技術(shù)。美國(guó)能源部的目標(biāo)是到2015年能運(yùn)行一個(gè)5兆瓦的發(fā)電系統(tǒng)。在此技術(shù)基礎(chǔ)之上，要將一個(gè)成功的5兆瓦發(fā)電系統(tǒng)約放大100倍形成一個(gè)全規(guī)模的發(fā)電廠，但目前看來在2025年之前還不太可能實(shí)現(xiàn)。
與實(shí)現(xiàn)DCFC類似，如何用經(jīng)濟(jì)的方式除去煤基合成氣中的可能污染物(包括硫、氮、鹵素和灰成分)以滿足SOFC的質(zhì)量要求、實(shí)現(xiàn)電池與電池堆5年壽命的目標(biāo)，將是一個(gè)主要任務(wù)。
同樣與DCFC類似的是，SOFC實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、耐用和可維護(hù)的設(shè)計(jì)。
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