超临界水——高效清洁利用新方法

西安交通大学能源与动力工程学院教授王树众认为，对煤的高效清洁利用并非没有办法，现有技术完全可以实现，只是成本太高。例如，就现有技术而言，要控制二氧化碳排放，就会使电厂发电效率下降10%，经济性很差；而要实现脱硫、脱硝，一年就要花费900亿～1 000亿元，而超临界水可能成为解决这一问题的“钥匙”。

当气压和温度达到临界点(22.05 MPa，374.3 ℃)时，因高温而膨胀的水与因高压而被压缩的水蒸气会形成一种特殊形态的水——超临界水。此时水的液态与气态没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高温、高压状态的液体。超临界水的密度、黏度、离子积和介电常数较常温、常压下的水均明显下降；其扩散系数较高，约是常温常压下水的100倍，传质性能好；与非极性气体和烃类物质安全互溶，而对无机盐几乎不溶解。目前电厂中应用的超临界机组和超超临界机组均利用了超临界水的这一特点，但并没有利用好超临界水的其他特有性质。煤的超临界水气化耦合水热燃烧的发电系统恰恰利用了这些特点。

超临界水气化、超临界水氧化和超临界水热燃烧是3个需要讲清楚的概念。超临界水气化利用超临界水的特殊性质，不加入氧化剂，将反应物加入超临界水反应器内进行热解气化反应，制取高热值气体如氢气、甲烷等。该技术的优势在于不生成焦炭，不产生污染性气体。高温气化会产生硫化氢，而在超临界水中，硫以离子的形式存在。超临界水气化的发展方向是耦合其他技术，或者添加催化剂。

超临界水氧化则是指使有机物、煤及氧化剂完全混溶于水中，有机物将被氧化分解为小分子物质，通常为二氧化碳和水；杂原子(氯、硫、磷)则被转化为对应的无机酸根；废水中的阳离子和酸根离子一起形成无机盐或氧化物。杂原子都变成了盐，而盐在超临界水中的溶解度极低。

超临界水热燃烧与常见燃烧现象类似，反应燃料在水热燃烧反应器内着火并形成“水火相容”的水热火焰。这也是一个氧化反应，但在水中带有火焰，而超临界水氧化通常不产生火焰。

煤经过超临界水热燃烧后，硫转化为硫酸盐，氮形成氮气，没有二氧化硫和氮氧化物排放。因为煤在超临界水中的存在类似水煤浆，燃烧后不会形成飞灰，只会形成泥渣，所以该技术本身不会产生硫氧化物、氮氧化物和飞灰，更不会形成PM 2.5颗粒物，且只需要一个简单的脱泥渣过程。同时，由于二氧化碳完全溶于超临界水中，且在获取能量的过程中，也不需要复杂的控制技术。临界水热燃烧技术特别适于能源的洁净燃烧及能量的高效回收，其优势十分明显，燃料在极短的时间内即可燃尽，燃烧启动温度低，解决了盐沉积和腐蚀问题，反应器内的能量密度大，能量回收效率高。

虽然超临界水气化技术对有机物、生物质等比较适用，但对煤而言效果不佳，整个过程能量转化效率仍然很低，需要与水热燃烧技术相耦合。

固相产物(半焦)超临界水热燃烧试验结果表明，颗粒表面温度高于1 090 K，传质过程是氧化燃烧的控制步骤时，半焦颗粒才可能迅速燃尽。对于毫米级的半焦，完全燃尽的时间在5～7 min，低于微米级的半焦颗粒，4～7 s内完全燃烧，反应温度比目前气化炉温度要低得多。应用该技术构建一个超临界水气化耦合水热燃烧的发电系统，其发电效率可达53%，有望成为煤高效清洁利用的一条新途径。