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煤氣化技術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。中國能否實現(xiàn)這個目標，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*，參與了這些研發(fā)工作。解決方案或許是煤氣化技術。這是一項基于簡單原理的成熟技術：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高純度氫氣，以在燃氣輪機中與天然氣混合，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，這套裝置將采用西門子提供的燃氣輪機來生產(chǎn)電力和化肥，所產(chǎn)生的二氧化碳則被注入油田。

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

煤炭：關鍵成分

IGCC工藝不僅適用于發(fā)電，也可用于生產(chǎn)工業(yè)化學品。它是利用諸如煤炭、煉油廠廢棄物，甚至是有機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公司的技術與創(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，幾乎沒有任何技術或化學限制。

中國的許多工廠已采用這項技術。這是因為中國最大的煤藏主要分布于華北草原等偏遠地區(qū)，當?shù)氐挠秒姂艉苌?，使用煤氣化技術來發(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，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250萬千瓦。西門子為其提供的5套燃料氣化裝置，采用了*設計，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

能夠取得這一進步，西門子中國研究院的技術經(jīng)理王德慧功不可沒。她說：“我的團隊向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。”她的團隊監(jiān)督了*套示范裝置的開車，并對其進行了優(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滾熱的合成氣體被冷卻時發(fā)生的化學反應。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速度，導致*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。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。

這套裝置設立了新的能效標準。然而，不幸的是，它未能發(fā)揮應有的環(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)集團認為這樣做太不經(jīng)濟。相反，二氧化碳依然被排放到空氣中。

王德慧憑借其研發(fā)的煤氣化技術獲得嘉獎。

太陽能或風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*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。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一步增強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。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，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制品中，如甲烷或塑料，而氫氣則可用氮氣來稀釋，并在燃氣輪機中燃燒掉。

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，甚至還能充當風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。”