整體煤氣化燃料電池聯(lián)合發(fā)電(IGFC)技術(shù)研究進展

王 琦，楊志賓，李初福，雷 澤，劉淑琴

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

0 引 言

國家統(tǒng)計局發(fā)布的2021國家能源統(tǒng)計年鑒表明，2010—2019年，我國每年火電發(fā)電量占總發(fā)電量的比值在69.7%～79.5%不等，由于我國一次能源供給中煤炭超過能源總量的60%，因此以煤炭為基礎(chǔ)能源的火電發(fā)電格局短期內(nèi)無法改變。傳統(tǒng)的燃煤直接發(fā)電方式，不僅能源利用率低，且產(chǎn)生大量CO2氣體，帶來能源浪費、環(huán)境污染及溫室效應(yīng)等危害[1-2]。未來還需要考慮通過煤電靈活調(diào)峰來平衡電網(wǎng)，以適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電。因此清潔、高效、靈活、安全的煤基發(fā)電技術(shù)是未來的主要發(fā)展方向。

近年來隨著潔凈煤技術(shù)的快速發(fā)展，我國發(fā)展了多種新型燃煤發(fā)電技術(shù)如整體煤氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(IGCC)[3]、超超臨界發(fā)電技術(shù)[4]、煤電與光伏儲能聯(lián)動等[5]，已經(jīng)實現(xiàn)了對硫化物和氮氧化物的有效控制與減排，但由于CO2排放濃度低，捕集成本過高，仍很難解決燃煤導(dǎo)致的CO2排放問題[6-7]。

整體煤氣化燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(IGFC)是一種清潔高效的綠色煤電技術(shù)，與CO2捕集技術(shù)結(jié)合，可以達到60%以上的高發(fā)電效率和實現(xiàn)CO2近零排放[8-9]。

1 IGFC關(guān)鍵技術(shù)

IGFC主要包括煤氣化及凈化、燃料電池發(fā)電、尾氣燃燒余熱回收3個模塊，燃燒得到的CO2和H2O的混合氣體可耦合CO2捕集及封存技術(shù)、固體氧化物電解池(SOEC)技術(shù)等。圖1為IGFC系統(tǒng)一般流程。

圖1 IGFC系統(tǒng)典型流程Fig.1 Flow diagram of IGFC system

IGFC的一般過程為煤(或天然氣、生物質(zhì)等)經(jīng)氣化生成合成氣，熱量回收后，合成氣進入凈化單元脫除硫與粉塵等有害物質(zhì)，凈化后的氣體送入高溫燃料電池陽極側(cè)，同時陰極側(cè)通入空氣，燃料氣與氧化氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，反應(yīng)過程中大部分可燃成分轉(zhuǎn)化為電和熱，未轉(zhuǎn)化的可燃成分隨電池陽極尾氣排出，進入燃燒室進行催化燃燒，全部轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。該混合氣體熱量回收并冷凝出H2O后，得到純度在90%以上的CO2氣體，可直接捕集封存[10]。燃燒所得混合氣體也可用于固體氧化物電解池(SOEC)制氫或合成氣，作為能源供給及化工生產(chǎn)原料[11]。

1.1 煤氣化及凈化

煤氣化及凈化技術(shù)是較為成熟的潔凈煤技術(shù)之一，根據(jù)原料、反應(yīng)條件、應(yīng)用場景等不同，煤氣化技術(shù)多達數(shù)百種，我國煤氣化技術(shù)先進，部分主流技術(shù)統(tǒng)計見表1[12-13]。氣流床氣化、固定床氣化及流化床氣化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中均有示范應(yīng)用。

不同的氣化過程，不同煤種的原料煤，進料采取干法還是濕法，采用空氣噴吹或氧氣噴吹操作，干粉煤入料時采用N2氣體輸送或CO2氣體輸送，這些條件的變化都影響合成氣的組成，進而影響燃料電池的輸出效率。由表1可知，氣流床煤氣化技術(shù)所得的合成氣中，煤氣有效成分CO和H2占比高達90%，固定床和流化床均較低。IGFC系統(tǒng)對燃料的入料濃度有一定要求，燃料濃度越低，電池最大開路電壓越低，在給定電流密度下極化損耗越大[14]。此外固定床氣化技術(shù)中，粗煤氣中含一定量的焦油和酚，較難完全去除，流化床氣化技術(shù)除了CO和H2等有效組分偏低外，粗煤氣中粉塵的帶出量較大，粗煤氣凈化環(huán)節(jié)耗能較高。而IGFC系統(tǒng)對氣體的純凈度要求較高，否則會毒化電池電極。因此采用氣流床技術(shù)作為IGFC煤氣化技術(shù)較為合適。ZHENG等[15]研究了面向IGFC系統(tǒng)的超細煤粉的氣化反應(yīng)技術(shù)，分析了氣化反應(yīng)特性、灰熔融特性及污染物形成機理等，開發(fā)了高溫/高壓擺動式吸附裝置，H2S和CO2去除率超過99.9%，進一步減少了IGFC系統(tǒng)污染物的排放。IGFC系統(tǒng)中煤氣化流程如圖1所示。

表1 我國主要煤氣化技術(shù)匯總

1.2 高溫燃料電池技術(shù)

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，模塊化結(jié)構(gòu)、發(fā)電效率高，美國將燃料電池列為經(jīng)濟繁榮和國家安全至關(guān)重要的27項必須發(fā)展的技術(shù)之一，美國時代周刊將燃料電池列為21世紀(jì)的高科技之首。其中固體氧化物燃料電池(SOFC)及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是適用于IGFC系統(tǒng)的燃料電池技術(shù)，而SOFC采用全固態(tài)陶瓷結(jié)構(gòu)，壽命可達10萬h，發(fā)電效率最高，一次發(fā)電效率可達50%～65%，熱電聯(lián)供效率可達90%以上，SOFC可使用氫氣，不要求高純度，特別是可直接使用各種含碳燃料，與現(xiàn)有能源供應(yīng)系統(tǒng)兼容，具有更好的應(yīng)用前景。自2000年以來，我國部分研究團隊開始開展SOFC的相關(guān)研究工作，至今已有較為完備的技術(shù)儲備、人才儲備，并構(gòu)建了一定的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境[16]。

中國科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等國內(nèi)高校分別在電解質(zhì)支撐、陽極支撐、金屬支撐等不同側(cè)重點上開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作?！笆濉逼陂g，中科院大連化物所、寧波材料所、華中科技大學(xué)和中科院上硅所分別承擔(dān)了“863計劃”項目，開展了5 kW SOFC系統(tǒng)和25 kW電池堆項目的研發(fā)。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)固體氧化物燃料電池中心在氫能與燃料電池方面已有20多年的研發(fā)經(jīng)驗，承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃、“973”、“863”，中美、中瑞、中丹國際合作、中國工程院戰(zhàn)略咨詢(重大及重點)、北京市未來科學(xué)城建設(shè)專項、山西省煤基重點科技攻關(guān)等20余項國家及省部級科研項目，與國內(nèi)外許多大學(xué)和研究機構(gòu)都建立了良好的合作和交流關(guān)系，在SOFC領(lǐng)域有著很強的技術(shù)積累和學(xué)科優(yōu)勢，已成為我國SOFC領(lǐng)域最重要的研發(fā)團隊之一。

此外，依托各高校的技術(shù)輸出與轉(zhuǎn)化，目前國內(nèi)已有部分SOFC電池公司開展商業(yè)化活動，寧波索福人公司、華清京昆能源公司等均可提供量產(chǎn)的各類電池材料粉體、半電池器件、千瓦級電池堆等?！笆濉逼陂g，大型能源集團如國家能源集團、國家電網(wǎng)、華能集團、濰柴動力、晉煤集團、中廣核、新奧集團等開始介入，開展示范應(yīng)用。

1.3 余熱回收利用及CO2捕集與轉(zhuǎn)化

余熱回收與利用技術(shù)一直是鍋爐及電廠的重要輔助技術(shù)。IGFC系統(tǒng)中，煤氣化產(chǎn)生高溫粗煤氣，以及電池尾氣催化燃燒產(chǎn)生高溫的CO2和H2O的混合氣體，在這2個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生大量余熱，而IGFC系統(tǒng)中采用高溫燃料電池發(fā)電，通過全系統(tǒng)的熱量平衡與統(tǒng)籌利用，可有效增加系統(tǒng)的綜合熱效能。

燃煤發(fā)電除了發(fā)電效率低外，最難克服的是低濃度CO2氣體的排放問題。目前典型CO2氣體的捕集與儲存技術(shù)面臨的最大障礙是低濃度CO2在捕集過程中的高成本、高耗能問題。IGFC系統(tǒng)中的高溫燃料電池技術(shù)，由于燃料氣與空氣不混合，可以在發(fā)電過程中實現(xiàn)CO2的富集，得到的CO2體積分?jǐn)?shù)超過90%，且氣體成分純凈，為CO2直接捕集及后續(xù)的儲存利用提供了條件。

地質(zhì)儲存、海洋儲存及礦物碳酸化固定等傳統(tǒng)方法是CO2大規(guī)模儲存與固定的主要途徑，但存在泄漏、改變地層結(jié)構(gòu)、成本高昂、影響海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡等影響，發(fā)展高效有益的CO2轉(zhuǎn)化利用新技術(shù)是未來發(fā)展方向。如利用太陽能光催化CO2還原為碳氫燃料(如甲烷、甲醇、乙醇、甲酸、CO等)，可以實現(xiàn)資源的持續(xù)利用。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)固體氧化物燃料電池中心團隊[17]研究了IGFC系統(tǒng)中SOFC陽極尾氣經(jīng)催化燃燒得到CO2和H2O的高溫混合氣體，耦合可再生能源，通過固體氧化物電解池(SOEC)高效電解，得到H2和CO混合氣，達到能量轉(zhuǎn)化和儲存目的，耦合能源化工生產(chǎn)過程，提出了CO2轉(zhuǎn)化利用的新思路。圖2為IGFC系統(tǒng)中CO2的捕集及轉(zhuǎn)化工藝流程。

圖2 IGFC系統(tǒng)中CO2捕集及轉(zhuǎn)化工藝流程[17]Fig.2 Flow chart of CO2 capture and conversion process in IGFC system[17]

2 IGFC研究進展

IGFC受到世界的廣泛關(guān)注，研究較為深入的有日本、美國、歐洲部分國家，韓國、澳大利亞等也開展了部分工作。

2.1 國際IGFC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1日本

1992年，日本基于美國西屋(Westinghouse)公司的SOFC技術(shù)在日本開展了IGFC系統(tǒng)的可行性評價研究。該系統(tǒng)設(shè)計有高溫氣體凈化系統(tǒng)等輔助單元，設(shè)計研究結(jié)果表明300 MW級系統(tǒng)的發(fā)電效率接近47%[18]。

1995年，在METI(經(jīng)濟、貿(mào)易和工業(yè)部)和NEDO(新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織)資助下，依托潔凈煤技術(shù)的技術(shù)儲備，日本開展了煤炭能源“EAGLE”項目，開始了IGFC的系統(tǒng)設(shè)計研究。1996年和1997年，分別進行了基本設(shè)計和詳細設(shè)計，1998年8月在Wakamatsu建設(shè)了中試線，系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)電效率為53.3%[19]。

隨后日本開展了Super-IGFC項目的設(shè)計研究工作，該系統(tǒng)煤的氣化采用蒸汽氣化爐，發(fā)電模塊采用SOFC，電池發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱和蒸汽直接供給氣化爐，系統(tǒng)中不設(shè)蒸汽輪機和燃氣輪機，系統(tǒng)更加簡化，設(shè)計預(yù)估熱電聯(lián)供的總效率可達89%[20-21]。

2019年，日本公布了由NEDO和大阪發(fā)電公司合作完成的世界上第1座煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(IGFC-IGCC)及CO2捕集示范集成項目的建設(shè)情況，項目已完成1、2期的建設(shè)，即IGCC系統(tǒng)與CO2捕集回收系統(tǒng)，第3期將建成IGFC系統(tǒng)。項目建成后目標(biāo)是應(yīng)用于500 MW級商業(yè)發(fā)電設(shè)施，CO2回收率為90%的條件下實現(xiàn)47%左右的送電端效率(HHV)。

2.1.2美國

美國能源部(DOE)通過“Vision 21”與“SECA”項目不斷推動升級IGFC系統(tǒng)的研發(fā)工作[22]。在2005年，美國能源部出資8 300萬美元委托美國GE公司開發(fā)以煤炭為燃料集成SOFC/燃氣輪機的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了分別采用SOFC、MCFC作為發(fā)電單元，陽極尾氣循環(huán)及直接排放4種方案。研究對比表明，4種方案中，采用加壓SOFC與陽極尾氣循環(huán)聯(lián)合利用的系統(tǒng)，整體發(fā)電效率最高。系統(tǒng)整體設(shè)計效率可達61.5%，但CO2后續(xù)的捕集及封存，將消耗一定能量，因此系統(tǒng)的整體設(shè)計效率修正為58.4%[23]。SOFC模型中，評估氣體空間分配方式，以確定系統(tǒng)中最小空氣流量所需的最高溫度和溫度梯度，進而優(yōu)化系統(tǒng)的能量消耗，可進一步提升IGFC大系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。2016年，美國國家能源技術(shù)實驗室發(fā)布基于SOFC技術(shù)的研究進展及規(guī)劃，將于2025年和2030年建成10 MW和50 MW IGFC(含CO2捕集)示范系統(tǒng)。

2.1.3歐洲地區(qū)

21世紀(jì)初期，由法國Bertin and Cie公司牽頭，由丹麥科技大學(xué)，荷蘭能源研究基金會(ECN)，法國Usine D Electricite De Metz公司，法國CdFINGENIERIE公司等共同參與開展了IGFC的可行性研究，稱為“Baraka”項目[24]。項目研究系統(tǒng)由煤氣化、氣體凈化、燃料電池發(fā)電、熱回收4個子系統(tǒng)構(gòu)成。從發(fā)電效率、經(jīng)濟性2個方面系統(tǒng)評價了MCFC和SOFC的優(yōu)劣。研究發(fā)現(xiàn)SOFC更適合IGFC系統(tǒng)的應(yīng)用，采用SOFC技術(shù)系統(tǒng)更加簡單；陰極處因壓縮空氣所消耗的能耗更??；電解質(zhì)為固態(tài)，電極兩側(cè)氣體交叉泄漏的風(fēng)險更?。豢紤]到電池堆的生產(chǎn)成本，SOFC系統(tǒng)因設(shè)備少而略占優(yōu)勢。該系統(tǒng)設(shè)計綜合轉(zhuǎn)化效率超過84.8%，發(fā)電效率超過46.7%[25]。

2.1.4其他國家

韓國墨爾本大學(xué)的RUDRA等[26]研究了IGFC系統(tǒng)中熱回收蒸汽發(fā)電(HRSG)的優(yōu)化，以提高SOFC廢氣的熱回收效率，并最大化IGFC系統(tǒng)蒸汽循環(huán)中產(chǎn)生的發(fā)電量。采用Aspen Plus模擬軟件開發(fā)熱力學(xué)模型，用于模擬混合燃料電池系統(tǒng)配置。新加坡國立大學(xué)的PAVAN等[27]研究了以生物質(zhì)或天然氣為燃料的IGFC系統(tǒng)，研究表明天然氣是優(yōu)于生物質(zhì)的首選燃料，并且維持吉布斯平衡過程對于最大能量生產(chǎn)至關(guān)重要。如果在操作上難以將燃燒和氣化裝置均保持在吉布斯平衡點上，那么燃氣輪機比燃料電池使用時應(yīng)更注重吉布斯平衡。

2.2 IGFC技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國潔凈煤技術(shù)“九五”計劃實施，我國開始布局燃煤發(fā)電新技術(shù)的研究。2000年起，SOFC技術(shù)在國內(nèi)掀起研究熱潮，新工藝、新材料、新器件得到極大發(fā)展，到“十三五”期間，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》以及2016年國家發(fā)展和改革委員會與國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030)》等一系列政策出臺，煤炭清潔利用提出了詳細的發(fā)展方向及時間規(guī)劃。IGFC技術(shù)作為煤電新技術(shù)之一，在“十四五”期間將得到進一步的技術(shù)提升。

2012—2016年，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)作為依托單位承擔(dān)的國家973項目“碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究”，針對SOFC中關(guān)鍵材料設(shè)計及荷電傳導(dǎo)機制、界面演變、電極反應(yīng)動力學(xué)及一體化電池設(shè)計中多尺度多場耦合性能演化等開展了基礎(chǔ)理論研究，為SOFC的產(chǎn)業(yè)化推進提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)支撐。2017年國家能源集團牽頭，聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、北京低碳清潔能源研究院等承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“CO2近零排放的煤氣化發(fā)電技術(shù)”，其核心是開發(fā)SOFC及SOEC關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)，項目采取逐級放大、分步實施的技術(shù)研發(fā)策略，先后在寧夏煤業(yè)試驗基地完成了1 kW和5 kW測試平臺的調(diào)試、試車及電堆/模塊的長周期穩(wěn)定性試驗，并實現(xiàn)了20 kW級聯(lián)合煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的試車[15-17，28-29]。

項目組在推進項目示范過程中開發(fā)了SOFC/SOEC堆(圖3(a))和IGFC測試平臺(圖3(b))，搭建了新型20 kW級系統(tǒng) (圖3(c))和IGFC示范基地(圖3(d))。最近，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射邏輯搭建了一種新型物理全維模型模擬電堆的多物理場和多維特性，該模型對單電池及30片電池的電堆進行試驗驗證，精度可達2%。模型實現(xiàn)了SOFC堆的全三維多物理和多維動態(tài)模擬，綜合了多場的電化學(xué)反應(yīng)、氣體傳輸和化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)行為，為電堆的放大提供了理論支撐[30]。下一步，項目組將依托已有的技術(shù)研究儲備開展100 kW級系統(tǒng)的示范。

圖3 IGFC系統(tǒng)示范 Fig.3 IGFC system demonstration

3 IGFC發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

IGFC系統(tǒng)是碳基燃料發(fā)電新技術(shù)的重要發(fā)展方向，經(jīng)過20多年的基礎(chǔ)研究積累，正在走向示范應(yīng)用。該技術(shù)能否成為主導(dǎo)未來發(fā)電技術(shù)的主流，關(guān)鍵在于成本控制和燃料電池技術(shù)的成熟度[31-32]。眾所周知，IGFC的核心技術(shù)——SOFC電池技術(shù)目前未能實現(xiàn)完全的產(chǎn)業(yè)化，其關(guān)鍵材料的低成本量產(chǎn)制備和一致可靠電池堆的批量化生產(chǎn)，一直是產(chǎn)業(yè)化進程中的最大阻礙。因此實現(xiàn)關(guān)鍵材料的低成本規(guī)?；庸?、突破關(guān)鍵器件的高性能及長期穩(wěn)定性，都是制約IGFC系統(tǒng)能否成為解決碳基燃料零碳發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 語

筆者系統(tǒng)介紹了IGFC原理、關(guān)鍵技術(shù)的研究進展，梳理了美國、日本、歐洲地區(qū)等國家在IGFC技術(shù)的研發(fā)與示范方面開展的工作；重點介紹了我國在IGFC方面技術(shù)進展，提出了阻礙IGFC產(chǎn)業(yè)化的成本控制問題及電池和電堆高性能、穩(wěn)定性運行的技術(shù)瓶頸問題。