超臨界水
——高效清潔利用新方法

西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授王樹眾認(rèn)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(shí)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(huì)使電廠發(fā)電效率下降10%，經(jīng)濟(jì)性很差；而要實(shí)現(xiàn)脫硫、脫硝，一年就要花費(fèi)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(dāng)氣壓和溫度達(dá)到臨界點(diǎn)(22.05 MPa，374.3 ℃)時(shí)，因高溫而膨脹的水與因高壓而被壓縮的水蒸氣會(huì)形成一種特殊形態(tài)的水——超臨界水。此時(shí)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(kuò)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(jī)鹽幾乎不溶解。目前電廠中應(yīng)用的超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組均利用了超臨界水的這一特點(diǎn)，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(diǎn)。

超臨界水氣化、超臨界水氧化和超臨界水熱燃燒是3個(gè)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(jìn)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(huì)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(jī)物、煤及氧化劑完全混溶于水中，有機(jī)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(jī)酸根；廢水中的陽離子和酸根離子一起形成無機(jī)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(gè)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?dú)?，沒有二氧化硫和氮氧化物排放。因?yàn)槊涸诔R界水中的存在類似水煤漿，燃燒后不會(huì)形成飛灰，只會(huì)形成泥渣，所以該技術(shù)本身不會(huì)產(chǎn)生硫氧化物、氮氧化物和飛灰，更不會(huì)形成PM 2.5顆粒物，且只需要一個(gè)簡單的脫泥渣過程。同時(shí)，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(shí)間內(nèi)即可燃盡，燃燒啟動(dòng)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(jī)物、生物質(zhì)等比較適用，但對煤而言效果不佳，整個(gè)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(yàn)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(shí)，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(shí)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(gè)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(dá)53%，有望成為煤高效清潔利用的一條新途徑。