引言

2l世纪新一代发电技术将逐步取代传统发电技术，它是高效、环境相容、经济、可满足多目标的能源系统，意味着可大幅提高能源利用率，实现区域环境污染物近零排放，对温室气体进行有效控制，提高经济竞争力，满足终端对电、热、氢、清洁燃料等的需求。基于我国能源需求特点和发电技术现状，为适应世界发电技术发展潮流，应在突破洁净煤技术中有战略地位的重大关键技术的基础上，加紧新一代未来主流发电系统的研发。

l 煤炭联产系统

目前人们已对煤炭联产的概念及其对未来能源利用的战略意义取得共识，美国能源部的21世纪前景发展计划(Ⅵsion21)和国际上著名公司的都在大力推进其研究和示范工程。

联产系统其有高效、洁净、经济、灵活等特点，其基本流程是煤加压气化，粗煤气经净化及调比后得到的合成气用于生产气体和液体燃料、热、基础化工原料等产品;净化脱硫后的煤气和化工品生产的末反应气用做动力生产的燃料，化工品生产的副产蒸汽除自用外，也可用于动力输出;各产品生产过程的热流和冷流通过优化匹配，达到减小公用工程负荷、降低投资、提高能源利用率的目的。不同的关键单元技术及其组合形成了多种联产概念，但核心都是强调多种先进技术的集成，以解决燃料和电独立生产时效率低、产品制造成本高的问题，同时在系统内部控制污染，大大降低各种污染物的排放，从而大力推进煤炭的高效洁净综合利用技术，以期最终实现近零排放的煤炭利用系统。

煤炭联产系统集中体现了能源的洁净利用与煤炭下游能源产品的多样化，在经济上达到充分的弹性结构，具有非常强劲的市场竞争力，是实现煤基洁净能源与化石优质能源竞争的关键途径，可以弥补正在开发的煤炭发电和利用单项新技术(超临界燃煤发电、增压流化床燃烧、煤液化、整体煤气化联合循环、先进燃气轮机和燃料电池、天然气制液体燃料等)难以同时满足效率、成本和环境等多方面要求的不足。与常规燃煤发电和煤基化工相比，煤炭联产技术是一种跨越式发展，并且与氢能用、削减co2排放的长远可持续发展目标相容，使煤基洁净能源可与常规能源竞争，是未来洁净煤利用技术发展的主要方向之一。由于今后相当长时期里，我国以煤为主的能源格局不会改变，煤炭联产技术将占有重要地位。

煤炭联产系统庞大复杂，涉及煤化工和动力等多项关键技术，有大量内容急需研究，包括系统集成技术、关键单元技术(煤气化、燃气轮机、甲醇液相合成技术、膜分离技术等)。根据我国洁净煤技术发展的现状，煤炭联产应遵循分步骤实施的战略：从独立生产到部分联产，再到完全联产(见图1～图3);从单燃料(化工品)生产过渡到多种燃料和化工品生产;从降低氮氧化物和硫化物排放过渡到包括削减cO2排放在内的近零排放系统。

图1  分产系统（气相甲醇合成）

图2  部分联产系统（气相甲醇合成）

图3 完全联产系统（液相甲醇合成）

2 近零排放发电系统

未来能源生产与能源消费都将围绕全球性关注的气候变化及温室效应这～敏感问题。已有的高效联合循环发电技术虽可大幅度削减So2和NO2排放，但对控制c02排放大都无能为力，只是提高系统供电效率而减小一些排放量。因此高效、洁净、生态、灵活的近零排放发电技术成为研究热点。

2.1控制cq排放的系统

(1)从燃烧产物中分离co2。

借鉴化工技术中的气体净化技术设置cO2分离和回收系统，采用吸收法从燃烧产物中分离CO2已在几个小型系统得到应用。但发电系统燃烧产物流量大，待分离气体中大量的N2使co2稀释，不利于吸收塔运行，导致大量的甚至无法承受的能耗，造成系统效率显著降低，从能源系统效率和经济性看是不可行的。目前在大型发电系统中还很少实施。

(2)在燃烧前除去co2。

通过重整、水煤气反应，将燃料转化为合成气。由于合成气流量人大小于燃烧产物，没有N2掺混(或很少)，c02具有较高浓度，所以便于使用吸收法或膜分离法除去c02。燃料重整可采用部分氧化n·、水蒸气重整“1、自热重整⋯。水蒸气重整仅以水蒸气为气化剂，得到的合成气H2/cO含量高，与水煤气反应和气体分离装置结合可得到高纯度的H2，但由于水蒸气重整需大量吸热，导致系统效率降低和出功减少。此外由于合成气中H2浓度大于50%，为防止NO2超过允许值，要以大量惰气或水蒸气掺混至H2中或采用选择性氧化，故对目前的低NO。燃烧器需做较大改动。但随着大规模氢能利用、H2cO2联合循环和高参数蒸汽透平的发展，水蒸气重整会具有较大竞争力。部分氧化重整采用燃料部分氧化得到合成气，其}耽O含量较低，且含有N2，系统效率可达48.5%，较采用同等参数燃机的联合循环低7.6个百分点。但若考虑联台循环分离cO2对发电效率的影响，差距将缩小至4.6个百分点。部分氧化重整系统效率高于水蒸气重整系统2.5个百分点，出功大22%，更适宜与目前的低No。燃烧器配合使用。自热重整结合了部分氧化和水蒸气重整的特点，以水蒸气和氧气为气化剂，通过部分氧化放热维持水蒸气重整吸热，保证重整器热平衡，因此不需外界额外供热。合成气的H√co高于部分氧化系统，但低于水蒸气系统，H2含量又低于50%。近年来又提出了一种新型的膜式重整器⋯，燃料重整与气体分离同时进行。

虽然目前燃烧前除去co2的发电系统效率还较低，但通过对能量释放、转换、利用过程集成，有望提高效率、成本等方面的竞争力。

(3)半闭式cO2/o2循环⋯。

该类循环的特点是，以纯O2为氧化剂(需空分装置)，因此燃烧产物中不含N2，只有cO2和水蒸气，通过冷凝将水和cO2分离，分离出的cO2部分经压缩，排出系统处置或利用，其余作为循环工质返回系统，形成半闭式循环。与开式循环(效率：33.4%)相比，半闭式循环效率较低(28.3%)。在此基础上发展出化学回热式半闭式循环，利用透平排气作为燃料重整的热源，先通过化学回热，将燃料转化为cO2和H2，然后进入燃烧室燃烧。化学回热可明显提高半闭式循环效率，由28.3%提高至42.4%。化学回热式半闭式循环的最佳压比为30左右，接近航空发动机。

(4)半闭式HAT循环⋯。

从HAT循环和半闭式循环，发展出半闭式HAT循环。它以空气为氧化剂，将c02部分循环回系统，提高排气中cO2的浓度并采用化学吸收法除去，同时可回收水。透平初温为1 350℃，效率达51.8%(HAT为53.2%)，输出比功大于半闭式循环。

半闭式循环需要对已有的燃烧、压缩、透平等过程做较多改动，发展一系列新技术，从商业角度还需进一步考察。

2.2煤直接制氢发电系统

在未来可持续能源系统中，氢可望成为主要载能体，成为与电力并重而又互补的主要终端能源。围绕基于氢作为大规模能源应用的相应的制备、分配、储存和利用的过程，许多国家都制定了相应的开发研究计划，如美国DOE的氢能计划、Ⅵsion

21计划，日本新能源综合开发机构(NEDO)新日光计划中的氢能世界能源网络(wondEne强rNet—work)计划，意大利的氢能计划等。

氢作为能源的关键技术之一是氢的制备。化石燃料制氢及水电解制氢技术均已成熟，但能量转换效率低(50%左右)，目前氢主要用作化工原料而非能源，依靠现有技术难以实现将氢作为能源的设想。要发挥出氢对各种一次能源有效利用的重要作用，必须在大规模高效制氢方面获得突破。日本制定了}lyPr-RING的实验研究和开发计划，其基本思路如图4所示。

图4 HyPr-RING过程图

从物料循环看，该过程由两个循环构成：第一个循环为(H2o—H2-H2O)，水与煤反应产生H2和co2，H2与O2反应生成H2O，并伴有发电过程。第二个循环是钙循环(caO-ca(OH)z-CaCOrcaO)。ca(0H)2吸收co2形成caCO2提供少部分水与煤反应需要的热，然后caCO，再生，生成CaO和CO2，cao通过制浆生成ca(OH)2加入到循环中。为完成该过程，需要一个主反应器和一个再生反应器。在主反应器中，气化反应和cO2分离同时完成。再生反应器的热可由主反应器中未反应的炭、外部燃烧、发电的废热等提供，产生的cq几乎呈纯态，便于最终处景。HyPr_RING过程已经建造了基于超临界、湿法加料的实验装置，并取得了一些实验研究结果。但是，湿法加料不可能实现能量平衡。

中科院工程热物理所率先在国内进行了煤等含碳能源一步制氢近零排放系统的探索研究，并在中国一意大利氢能研讨会上受到很大关注。根据该思路构建了多种煤制氢零排放系统⋯(图5为其一)。对各种系统模拟表明，系统冷煤气效率都超过75%。

通过探索新的概念和途径，进行系统模拟和优化综合，可望大幅度提高煤制氢效率。在理论研究的基础上，该所建立了煤等含碳能源直接制氢近零排放的定容实验装置(图6)，并对煤等含碳能源直接制氢和近零排放进行了研究。实现了气态产物中氢含量大于80%，二氧化碳及一氧化碳含量均小于0.1‰系统冷煤气效率在75%以上。

图5  煤制氢零排放系统

3 结束语

21世纪新一代发电技术将逐步取代传统发电技术，为适应这一趋势应加紧新一代未来主流发电系统研发。煤炭联产系统、控制cO2排放系统、煤直接制氢发电系统由于在效率、污染物排放控制、经济竞争力等多方面的巨大发展潜力，是未来主流发电系统的重要组成部分。通过系统集成和关键单元技术研发可望进一步提高其性能和竞争力。