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煤氣化技術(shù)能幫助中國減輕空氣污染。來自西門子中國研究院的工程師正在研制不會產(chǎn)生二氧化碳、并結(jié)合使用可再生能源的煤炭利用方式。

寧夏煤基烯烴項目（NCPP）全景。在這里，西門子安裝了五套煤氣化裝置。

中國面臨著兩難困境：許多時候，在像北京這樣的城市，空氣質(zhì)量非常糟糕，以至于不戴口罩就無法長時間呆在戶外，健康也會受到影響。主席承諾，中國的二氧化碳排放將從2030年開始下降。但要實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，必須從現(xiàn)在起就打好基礎(chǔ)。中國能否實現(xiàn)這個目標(biāo)，很大程度上取決于煤炭方面的決策。燃煤發(fā)電依然占總發(fā)電量的70%左右，煤炭是造成中國嚴(yán)峻環(huán)境問題的主要元兇之一。盡管到2030年，可再生能源、核電和天然氣等將取代部分煤炭，使之在中國能源構(gòu)成中的占比降至52%，但為了發(fā)電和生產(chǎn)工業(yè)原料而燃燒的煤炭量將繼續(xù)增長。

一方面是煤炭用量日益增長，另一方面是降低排放，如何解決這個困境，是大量研究和開發(fā)工作背后的源動力。西門子作為能效*，同時也是低排放技術(shù)*，參與了這些研發(fā)工作。解決方案或許是煤氣化技術(shù)。這是一項基于簡單原理的成熟技術(shù)：在高溫下，煤粉（換句話說，近乎純碳）與水一同被轉(zhuǎn)化為氣體。由此產(chǎn)生的是氫氣和一氧化碳構(gòu)成的合成氣體，然后，再利用水，將其中的一氧化碳進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二氧化碳和更多氫氣。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）裝置采用這種工藝來供應(yīng)高純度氫氣，以在燃?xì)廨啓C(jī)中與天然氣混合，用于發(fā)電。在這個過程中，二氧化碳已被分離出來，因此，譬如，可以將之注入油田，以提高采收率，而不是排放到大氣中。這樣一來，發(fā)電幾乎不排放任何二氧化碳。德克薩斯州清潔能源項目正在美國研發(fā)的IGCC裝置將能實現(xiàn)這一目標(biāo)，這套裝置將采用西門子提供的燃?xì)廨啓C(jī)來生產(chǎn)電力和化肥，所產(chǎn)生的二氧化碳則被注入油田。

準(zhǔn)備就緒：位于德國Freiberg的西門子燃料氣化技術(shù)公司開發(fā)的SFG-500氣化裝置。

煤炭：關(guān)鍵成分

IGCC工藝不僅適用于發(fā)電，也可用于生產(chǎn)工業(yè)化學(xué)品。它是利用諸如煤炭、煉油廠廢棄物，甚至是有機(jī)廢棄物等含碳量不盡相同的各種燃料，來生產(chǎn)許多不同材料的理想途徑。位于德國Freiberg的西門子燃料氣化技術(shù)公司的技術(shù)與創(chuàng)新部門主管Frank Hannemann表示，“從根本上講，（它可以生產(chǎn)）任何含碳材料”。塑料、甲烷（天然氣）、甲醇、柴油、化肥，對由煤制得的產(chǎn)品，幾乎沒有任何技術(shù)或化學(xué)限制。

中國的許多工廠已采用這項技術(shù)。這是因為中國最大的煤藏主要分布于華北草原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)?shù)氐挠秒姂艉苌?，使用煤氣化技術(shù)來發(fā)電通常是最壞的選擇。攜手煤礦公司神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)，西門子在中蒙交界附近建造了一座煤氣化裝置。這座裝置的輸出功率高達(dá)250萬千瓦。西門子為其提供的5套燃料氣化裝置，采用了*設(shè)計，配備了氣動煤炭傳送帶，以及能夠用更少的水冷卻滾熱的合成氣體、用更少高壓蒸汽將所生成的一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣的燃燒爐。得益于所有這些特性，這座裝置不僅具備更高能效，而且二氧化碳排放更低。

生產(chǎn)原材料，而不是發(fā)電：寧夏煤基烯烴項目（NCPP）。

來自西門子中國研究院的創(chuàng)新

能夠取得這一進(jìn)步，西門子中國研究院的技術(shù)經(jīng)理王德慧功不可沒。她說：“我的團(tuán)隊向Frank Hannemann的研發(fā)小組開發(fā)面向中國市場的新型煤氣化裝置提供支持。”她的團(tuán)隊監(jiān)督了*套示范裝置的開車，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。王德慧的實驗室距離她在西門子中國研究院的辦公室僅一小時車程，在這里，她使用一套實驗裝置來研究當(dāng)滾熱的合成氣體被冷卻時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。Wang也在研發(fā)能夠提高能效、最大限度減少二氧化碳排放的新工藝。她的團(tuán)隊已成功研制出一種用水把一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣的新型變換工藝。這項技術(shù)首次使用了兩段式工藝，并在*段使用了抑制催化劑。這種催化劑減緩了反應(yīng)速度，導(dǎo)致*段僅少量氣體被轉(zhuǎn)化。直到第二段，才在活性催化劑的助力下，發(fā)生全部反應(yīng)。這種解決方案之所以優(yōu)于其他方法，是因為：通過減慢速度，它減少了冷卻熱氣體（其溫度高達(dá)1,400攝氏度）所需的蒸汽，從而提高了總體能效。目前，王德慧正與西門子燃料氣化業(yè)務(wù)部一道，尋求與一位客戶合作，在中國安裝*套試點裝置，以演示這項新技術(shù)。

這套裝置設(shè)立了新的能效標(biāo)準(zhǔn)。然而，不幸的是，它未能發(fā)揮應(yīng)有的環(huán)保作用。盡管已被分離出來，但二氧化碳并未被封存到地下。神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)認(rèn)為這樣做太不經(jīng)濟(jì)。相反，二氧化碳依然被排放到空氣中。

王德慧憑借其研發(fā)的煤氣化技術(shù)獲得嘉獎。

太陽能或風(fēng)電為煤氣化提供動力？

歸功于Frank Hannemann和Dehui Wang的工作，西門子獲得了若干技術(shù)*優(yōu)勢，現(xiàn)在，他們正在合作研究一項對煤炭行業(yè)而言*革命性的技術(shù)。其思路源于這樣一個事實，那就是IGCC工藝的能耗很高，并且會產(chǎn)生大量二氧化碳。如果把來自太陽能電站或風(fēng)電場的過剩電能用于為這些裝置提供動力，那么情況將會怎么？在這種情形下，用于吹氣分離和電解的電動模塊將進(jìn)一步增強(qiáng)IGCC工藝的優(yōu)勢。*種模塊將從空氣中獲取氧氣。這種吹氣分離裝置已經(jīng)使用了很長時間，是一項成熟的技術(shù)。電解模塊可將水分解為氫和氧兩種成分。目前，西門子正在研發(fā)這類模塊。這兩種氣體都能在IGCC工藝中發(fā)揮作用，氧氣可用于將原料轉(zhuǎn)化為合成氣體，而氫氣則可輸入氣化裝置下游。理想情況下，可以通過調(diào)節(jié)混合比例來消除一氧化碳變換反應(yīng)，從而避免產(chǎn)生二氧化碳。這樣一來，IGCC工序結(jié)束時，所有的碳都將含在化學(xué)制品中，如甲烷或塑料，而氫氣則可用氮?dú)鈦硐♂?，并在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒掉。

燃煤發(fā)電廠既不會產(chǎn)生任何二氧化碳，也不必采取迂回策略來處理二氧化碳，甚至還能充當(dāng)風(fēng)電或太陽能電站的蓄電系統(tǒng)？Hannemann說，“這有可能實現(xiàn)，但還有很長的路要走。”