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周理:以煤换氢 中国的能源之路http://www.sina.com.cn 2007年09月15日 17:02 新浪财经
由科学技术部国际合作司主办、由中华国际科学交流基金会承办的“首届中国科技创新国际论坛”于2007年9月15-16日在北京友谊宾馆举行。本届论坛的主题为“新能源技术创新与政策扶持”。新浪财经独家图文直播本次会议。以下为天津大学教授、博士生导师周理做《以煤换氢 中国的能源之路》演讲。 周理:这个题目不知道是否能吸引大家的注意。以煤换氢,这是解开发展与环境污染之间这个死结的办法。我知道有些外国朋友参加这个会议,但大部分听众是中国人,所以我用中文来讲。我要讲的主要内容有这么几个,一个是发展与污染之间的死结。打开死结之法:改变能源结构;清洁煤技术的分野;以煤换氢的基本方法;以煤换氢可行性的实验证明;以煤换氢的技术经济优势。 发展与污染之间的死结。中国68%能量需求是煤提供的,煤炭燃烧必须产生污染,经济越发展、污染越严重,这是一个死结,任何人都得承认。怎么解决?必须改变能源结构。怎么改变?改变能源结构不能脱离中国的现实。我们是个煤炭的国,今后主要的能源必须依靠煤炭,出路是什么呢?是依靠洁净煤技术吗?我这里把洁净煤做一个分类,分类的标准就是看最后的原料是不是含有元素碳,如果含有元素碳,那它在燃烧的时候必然产生二氧化碳。二氧化碳是温室气体,为什么气候越来越温暖?地球变暖的速度在加快,这跟最近整个世界经济的发展加速是分不开的。 我这里向大家推荐的就是不把煤作为燃料,把氢作为燃料。如果把氢作为燃料,氢燃烧变成水,它是不污染环境的,烧再多的氢也不污染环境。这样发展和环境污染之间的死结不就打开了。怎么把煤变成氢呢?就是煤不把它作为燃料,而是把它作为从水得到氢所必须的一种化学品。这个图简单说明了这个过程模式。首先要把煤碳化,煤的碳化过程当中,同时我们也可以得到气体和液体燃料。然后无机部分就是元素碳,不挥发物是碳。基本的反应消耗碳、氢了,如何把煤碳化,大家知道炼焦,炼焦不是好的技术,因为对环境产生污染。还有一种是镁粉的萃取,炼焦需要优质煤,烟煤。萃取剂是甲苯,煤样粒度是1.2到2.5mm,压力是10MPa,终温550摄氏度,萃取物转化率30到69%,萃取率17到62%,油产率25到50%。 我重点不谈煤的碳化,谈一谈制氢。我刚才给的流程最关键一步,水蒸气跟氧化亚铁反应是不是能得到纯氢?如果能,证明这条技术路线是可行的。这是我们使用仪器的简况。我这里用一个还原气瓶来替代,这是一定温度的水,氩气从里面出来进入反应器,这个反应器装铁的氧化物,在氧化亚铁和四氧化三铁之间重复。我们的实验过程基本只有四步,一步就是进行还原反应,首先是还原,然后清扫,这个过程中是否得到纯氢,可以证明。然后是氧化,接着再是清扫。因为产物主要用一氧化碳来还原,少量氢气在还原时不应该有氢气,但是水的还原能力特别强,不可能完全清扫干净,所以这个氢气是上面残存的水造成的。这是氧化阶段的水组成的,我们看只有氩气和氢气,氩气是载气,而一氧化碳、二氧化碳是检测不出来的,证明我们确实得到了纯净的氢气。经过几个循环,氢气的产量是稳定的。一个就是铁的氧化循环还原。证明这个过程是可以连续稳定的操作。 下面我谈一谈以煤换氢的技术经济优势。这里首先介绍一个概念理论能量增益系数,你得到一种燃料,投入的能量和这个燃料放出的能量这个比值。最简单比如水电解,一个水分子变成一个氢和半个氧离子。反过来电解时候反应,投入能量这么多,整个过程是逆反的,投入和得到是一样的。可实际上由于电机效率很低,因此靠水温分解是不能长久的,你没有得到补充能量。 我们再看看我们建议的过程。三个发生反应的总和,相当于一个水分子加上一个碳分子得到一个氢,一个一氧化碳。氢燃烧释放水,一氧化碳加上氧气得到这个能量,能量增益系数是3.24倍,只有大于这个才有实际应用价值。175.29是外界投入的能量,你把所得到的一氧化碳燃烧就够了。因为175.29只是释放能量的62%。还有0.38的富余,因此你得到一个立方米的氢气同时得到0.38平方米的一氧化碳,这是两个主要产品。氢气是我们需要得到的基本主要的燃料,代替煤的燃料,清洁的燃料,不污染环境的燃料。大家想想这个过程是不是要产生二氧化碳,当然要产生二氧化碳,但是这个二氧化碳是在反应气体产生的,因此可以作为一个产品回收。如果把空气中的氧消耗了,所以最后收集起来以后变成两种产品,一种是氮气,一种是二氧化碳。氮气市场价值很大,而且有很好的销路。二氧化碳这个量是相当大的,干什么用?用途也是非常多的。大量二氧化碳如果能够充到油田,注入二氧化碳可以提高采油率。就是天然气,也可以提高天然气的采出率。注入二氧化碳,甲烷采出率提高5倍。以煤换氢可以构成联合企业,原料就是水和煤,煤碳化以后可以得到燃气和燃油。 第二个技术优势,不存在技术障碍。这里没有需要实验室研究的很高的所谓纳米材料,不需要的,都是很便宜的东西,而且在技术上的化学反应不需要催化剂,都是成熟技术。煤电油,要把煤所含热质50%浪费掉,而在这里煤的热质是100%被利用。如果你用褐煤、泥煤这些劣质煤,那整个利用率就会大大提高。 以煤换氢技术的经济优势。这是非常划算的,为什么?因为原料便宜,技术简单,整个生产成本低。对环境来说,不产生任何废物,不产生任何污染。 以煤换氢可行不行呢?是可行的。这个工作我进行了三年了,一个博士生也做了半年,我们现在做更深入、更细微的工作,没有发现任何不可行的问题。如果这样联合企业投资,是否有利可图呢?那么你看它的成本,原材料成本,还有产生废物,污染成本是很高的,它不产生废物。通过大家,我希望国家能源口决策人能够知道这个,也希望有信心的企业家能够了解。
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