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项目牵头单位相关负责人,装置无论大小实际发

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项目牵头单位相关负责人,装置无论大小实际发

该项目目标是通过研发整体煤气化燃料电池发电(IGFC)系统,实现煤炭清洁、高效发电和CO2捕集,解决煤炭发电因CO2捕集带来的效率下降和成本增加的瓶颈问题。

专项办有关同志肯定了项目负责人依照项目实施方案编制“甘特图”,并根据项目进展进行优化动态调整,指出采用“挂图施工”是促进项目有效推进实施的重要管理举措之一,希望项目团队在未来工作中针对项目的难点和重点,充分发挥项目专家组的咨询作用,加强学科融合,为下一步的研究奠定基础。

表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技术指标电力输出发电效率燃料质量排热利用环境状况NOX体积 200kW40%城市煤气27.3t 42% 10×10-6 3×3×5.5

专家组考察了中国矿业大学(北京)的kW级SOFC/SOEC测试系统、及中国华能集团清洁能源技术研究院的20kW级MCFC发电系统。在检查会上,专家组听取了项目负责人彭苏萍院士关于项目基本情况、取得的阶段性进展及成果、人员及经费投入使用情况、项目组织管理、存在的问题及建议等方面的执行情况报告,审阅了检查资料;专家组就项目需解决的关键核心技术如SOFC的基础理论研究深度、系统初步测试结果、量化指标的第三方测评、IGFC关键设备及经济性分析研究等许多研究内容提出了建议。

本次中期检查包括现场检查和会议检查两部分。在现场检查中,专家组详细考察了150kW超高参数二氧化碳流动传热实验台,听取了项目团队建台方案选择、关键部件设计制造及采用“挂图施工”管理工作经验介绍。检查会上,项目负责人徐进良教授对照中期检查要求对项目执行的总体进展、阶段性成果及经费使用情况等进行了介绍;检查专家组审阅了相关材料,经质询研讨与提问,专家组一致认为本项目总体进展正常,执行期内项目目标和考核指标有望实现;同时,专家组还提出加强燃煤发电CO2循环热力系统各种方案比较研究、系统概念设计工程可实现性研究等宝贵和有益的建议。

另外,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极和空气极、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子相关,发生的反应为:燃料极:H2 =2H+ + 2e- 空气极:2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O 全体:H2+1/2O2 = H2O

专项办相关负责人在总结中提出了几点建议和要求:一是不断总结以往SOFC燃料电池技术研究工作所取得的宝贵经验;二是进一步加强该技术方向的基础研究深度和广度,同时加强经济性分析,推动SOFC技术实实在在的发展;三是不断加强项目组织协调管理,开展项目内的技术交流,并充分发挥燃料电池技术专家的重要咨询作用;四是细化项目下一阶段工作计划,做到有的放矢,推动项目目标的顺利实施。他表示,专项办将继续积极落实相关文件精神,做好精准服务。

超高参数二氧化碳(简称“S-CO2”)燃煤发电系统采用高温高压二氧化碳代替水蒸气,实现动力循环和电力生产。本项目以1000MWe级S-CO2燃煤发电系统为研究对象,提出全流程一体化的大型S-CO2燃煤发电系统的概念设计,为我国发展该变革性发电系统提供理论和技术支撑。

单电极组装示意图

2019年5月23日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对国家能源投资集团有限责任公司(原神华集团有限责任公司)牵头的“CO2近零排放的煤气化发电技术”项目进行了中期检查。项目推荐单位中国煤炭工业协会代表,项目牵头单位相关负责人,项目负责人彭苏萍院士和骨干成员,专项总体专家组组长姚强教授、副组长张忠孝教授及责任专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员等60余人参加了会议。

2019年4月28-29日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项管理办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对华北电力大学牵头的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目进行了中期检查。项目推荐单位教育部科技司代表,项目牵头单位管理部门代表,项目负责人、课题负责人和骨干成员,专项总体专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员约50位代表参加了会议。

6.燃料资源评估 燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气,高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。这种燃料的前景如何呢?我国的天然气储量是十分丰富的,现已探明陆地上储量为1.9万亿m3,专家认为我国已探明天然气储量为30万亿m3。我国还将利用丰富的邻国天然气资源,俄罗斯西西伯利亚已探明天然气储量为38.6万亿m3,可向我国年供气200~300亿m3 ;俄罗斯的东西伯利亚已探明天然气储量3.13万亿m3 ,可向我国年供气100~200亿m3;俄远东地区、萨哈林岛探明天然气储量1万亿m3,可向我国东北年供气100亿m3 以上。中亚地区的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦三国探明的天然气储量6.77万亿m3,可向外供气300亿m3。我国规划在2010年以前铺设天然气管线9000km,届时有望在全国形成"两纵、两横、四枢纽、五气库"的格局,形成可靠的供气系统。其中的两纵是南北的输气干线,即萨哈林岛--大庆--沈阳干线和伊尔库茨克--北京--日照--上海输气干线。目前我国的生产能力约为300亿m3/a, 2010年为700亿m3,2020年为1000~1100亿m3。天然气主要成分为CH4,热值高,便于运输,在3000公里的距离内运用管道输送都是十经济的。 我国还可利用的液化天然气资源也是十分可观的,可向中国立即提供LNG的国家有印度尼西亚、马来西亚、卡塔尔等国。我国的煤层气也十分丰富,陆上深埋2000米以内浅的煤层气资源量为32~35万亿m3 ,多于陆上天然气资源量,位于世界前列。另外作为后续资源,我国已发现在南海、东海深处有大量的天然气水合物,其资源量为700亿吨石油当量。目前已有多个科研机构正在研究其开采利用的技术。半个世纪以来,世界大多数国家时早以完成了由煤炭时代向石油时代的转换,正在向石油、天然气时代过度。如1950年在世界能源结构中煤炭所占的比例为57.5%,而到1996年则下降为26.9%,天然气占23.5% 石油占39% 两者共占63%。能源界预测目前的消费量,石油只能再用20年,而天然气则可用100年,为此称21世纪是"天然气世纪"。我国的能源工业也必将跟上世界能源消费潮流。另外由于环保的需要和IGCC技术的推动,煤的大型气化装置技术已经过关。煤炭部门的有关专家介绍,目前的技术完全可以把煤转换为氢气,转换效率可达80%,供给燃料电池作燃料,其效率要比常规热动力装置效率高得多。我国有大量的生物资源,这种密度低分散度高资源可以转换成沼气或人工煤气或甲醇供分散的、小型高效的燃料电池使用。如广东番禺正在建设使用养猪场沼气的燃料电池电站。我国在合成氨工业中,氢的年回收量可达到14亿m3;在氯碱工业中有0.37亿m3的氢可供回收利用。此外,在冶金工业、发酵制酒及丁醇溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量,估计可达到15亿m3以上。从长远发展看,小型、高效、灵活、分散的PEMFC、PAFC发电与集中高温型MCFC和SOFC系统均是有燃料保证的。7.燃料电池发电的经济性燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资正在不断的降低,目前PEMFC的国外商业价格为$1500/kW,PAFC的价格为$3000/kW。国内富原公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW。其他燃料电池国内暂无商业产品。 燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资,还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。如此来计算综合投资大型的火电厂每千瓦约为1.3~1.5万元。发电消耗的燃料为燃料电池的两倍以上,按目前国内天然气最低市价计算,当发电时间超过70000h以后,用燃料电池发电将比用传统的热机发电更经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面积大,环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断完善,造价将不断的降低,特别是在规模化生产后,其造价将大幅度的下降,有理由相信,不久的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战。最近国际上一些学者和国际组织认为:大容量、高参数机组发电,超高压、大电网远距离送电的集中供电是一些工业发达国家过去走过的道路。目前的情况正在发生变化,较分散的发电站的出现,再加上对改善能源投资的选择,传统的观念变得过时了。1999年在布鲁塞尔成立的国际热电联产组织声称:"其实旨是推动世界范围内的清洁、高效、分散的电力生产,它预言这是下一个世纪电力工业的方向" 。随着小型分散的热电厂、燃料电池发电、风力发电、太阳能发电、生物质能发电等的出现和增加,当今的电力系统将发生很大的转变。超大型的电站与分散微型电站的结合可以减少在输配电线路上的投资,会使得电力系统更安全更经济。一个目前拥有50个发电厂的电力公司在未来若干年内会有几千个甚至几万个微型电站与之相连。这种电力网络类似于目前的计算机网络,少数的几台主机与众多的PC机相连。这种电网会使得各种能源得到更好利用和配置,这种变化将要求未来的电力系统运行方式有一个重大的变革。将来的电网系统可能是现有的大电网和中小燃料电池共存状态。因为大电网有其优越性的同时,也存在着缺陷,如高电压长距离输电将有6-8%的损失。而分散的中小型燃料电池电站可以在许多地点建立,可以减少送电损失,同时也为电网调峰做出了贡献。中小型分散式电力系统将灵活地适应季节性和地域性的电力需求变化。根据专家计算,一条直径为0.91米的输氢管道用于950-1600公里输氢其所输能量约相当于50万伏高压输电线路输送能量的的10倍以上,而输氢管道所需的建设费用仅为建设高压输电线路的1/2-1/4,日常运行维护也比输电线路低得多。在美国这样的电力工业已很发达的国家,将来对燃料电池的市场需要约为17000兆瓦以上,即中小型分散配置,有其独特的优越性。我国也将是这样。8.对电力系统的影响展望 被称为第四代发电方式的燃料电池,由于具有燃料利用效率可达80%、不排放有害气体、容量可根据需要而定,所以受到了各方面的极大关注。各国家的政府都在这方面增加研发资金,推动其商业化的进程。在近年它首先受到了交通界的重视,作为交通动力装置已被搬上汽车、舰船,几乎同时它受到了国外电力系统的重视。PAFC发电装置已有数万套进入宾馆、家庭运行,PAFC已有了4万多小时的运行记录。 我国稀土资源丰富,发展MCFC和SOFC技术具有十分有利的条件。以天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%~65%,而且还可提供优质余热用于联合循环发电,是一种优良的区域性供电电站。热电联供时,燃料利用率高达80%以上。专家们认为它与各种大型中心电站的关系,颇类似于个人电脑与大型中心计算机的关系,二者互为补充。二十一世纪,这种区域性、环境友好的、高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。最近日本提出2010年普及燃料电池的应用,并向发达欧美国家建议制定安全基准和通用规格。随着其生产成本的降低,燃料电池也将在我国获得快速的发展,它将对传统的热机发电构成有利的挑战。展望其对电力系统的影响如下:8.1 调峰能力增加 应用氢气做燃料PEMFC已经商业化,在国外容量为3kW、5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭,数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一样可以独立发电,也可与电力网相连。为了获得氢燃料,目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。据专家介绍,碳纳米管储氢技术已获得突破,随着其商业化的发展,实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便,购一罐氢气可以发电数月。在有煤气或天然气管道的地方,打开气阀就可以发电和供热水。 可以使用天然气、煤气为燃料的MCFC、SOFC发电能力为数千kW发电装置将座落于较大的公用场所,用管道向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电力和热能,使城市的发电不再污染环境。成千上万的燃料电池发电装置服役,必将使得电网的调峰能力大大增强,常规的火电厂,由于存在有较大污染,因此让其远离城区带基本负荷。在缺乏调峰手段和缺乏调峰电量的东北电网加大燃料电池的入网量,必将大大地提高未来电网的调峰能力。8.2 节约配电网的建设费用 我国有许多偏远的山村和海岛,远离电网或处在电网的末端,用电量不大。从商业角度考虑,架设高电压等级的线路是不合算的,但不架设又难以实现村村通电的目标。有了燃料电池,用当地生物质气体为燃料,再配合当地的风能、太阳能等,就可以满足当地的长期的电能需求。这样可以使投资更加合理,又提高电网的经济效益。 8.3 提高电网的安全性 目前电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中外近年多次电网事故证明,在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前,这种系统往往是十分脆弱的。而星罗棋布的燃料电池加入到电网中供电,将会大大提高电网的安全性。在某个远距离的基本负荷电源跳闸时,燃料电池可以对电网起到一定的支承作用,保证重要用户的电能需求。随着MCFC、SOFC技术的突破、天然气管线的铺通和大型煤气化技术的解决,届时人们会看到,对于大规模的应用化石能源的电力系统来说,变长距离输电为长距离输气,应用大中小相结合的各种燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。8.4 电网管理 燃料电池发电将增加管理的复杂性。一是燃料电池发的均是直流电,需变频后入网,如此将需要对谐波进行控制;二是价格管理,每一个小的系统与电网均有电量交换,需要进行合理的价格管理,这与其他新能源入网问题一样,入网电量小,管理量不小。9.结束语 人类自从19世纪以来,经历了三次能源结构革命。第一次能源革命发生在19世纪第一次产业革命以后,由于蒸汽机的大量应用,传统的能源--柴薪已不能满足工业生产的需要,于是各国的能源需求开始转向以煤炭为主;第二次能源革命是在20世纪初开始的,当时不断发展的电力、钢铁工业带动了内燃机技术的推广,此时石油逐渐取代了煤炭的地位;第三次能源革命在20世纪70年代初开始的石油危机,它推动了新能源的发展和节能技术的发展。专家认为能源革命时间正在缩短,新的能源结构革命正在悄悄地来临,其动力来自于目前的能源利用方式与环境的矛盾日益尖锐、传统的能源利用方式与能源资源量的矛盾日益尖锐。新的能源资源在当前已占有相当的份额,高效、洁净、便捷的能源利用方式--燃料电池开始进入商业化阶段。我国的煤炭资源比较丰富,目前在我们的能源结构中约占72%。为了解决现代化巨大的电能需求与环境的尖锐矛盾,我国一方面加快了洁净化用煤的技术(煤的整体气化)发展,一方面在迅速地增大天然气应用在能源中的比例。气体能源的发展为燃料电池在我国广泛应用创造了极好的条件。建议如下:辽宁地区能源资源单一,从长远看只能靠煤电解决本地区的电能需求。但是传统电能转换方式与本地的环境矛盾日益尖锐,发展使用气体能源燃料电池发电可以很好地解决本地电能需求且不污染环境,也有利于解决本地十分棘手的电网调峰问题。燃料电池发电不仅是可能的而且是可行的,可以做成小型的电池堆或用其建成大型的电站。应从现在起加强燃料电池发电的研究工作,立足于用高技术改造东北电网。 鉴于我国对电站用燃料电池的研究还比较落后,我们应走风力发电的路线,采用高起点起步,整机引进国外的燃料电池发电设备,可以先引进规模较小的电池堆。这样可以使我们更快地掌握高技术,有利于燃料电池发电在我省更快的发展。 大连化学物理研究所走在了我国在燃料电池研究的前面,而且对燃料电池的种类研究的也比较全面,辽宁省有很好的燃料电池研究生产条件,我国有大量的燃料电池所用的稀土资源。应很好地利用这一资源,在开发燃料电池应用市场的同时,参与燃料电池的生产,如同内蒙古和新疆风电产业一样,既是产品的使用者也是生产者,抢占燃料电池这一高技术的制高点。(end)

东芝公司从70年代后半期开始,以分散型燃料电池为中心进行开发以后,将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化。11MW机是世界上最大的燃料电池发电设备,从1989年开始在东京电力公司五井火电站内建造,1991年3月初发电成功后,直到1996年5月进行了5年多现场试验,累计运行时间超过2万小时,在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域,1990年东芝和美国IFC公司为使现场用燃料电池商业化,成立了ONSI公司,以后开始向全世界销售现场型200kW设备"PC25"系列。PC25系列燃料电池从1991年末运行,到1998年4月,共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机,累计运行时间相继突破了4万小时。从燃料电池的寿命和可靠性方面来看,累计运行时间4万h是燃料电池的长远目标。东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发,早已投放市场。PC25C型作为21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发,该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是$3000/kW,近期将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW,体积比PC25C型减少1/4,质量仅为14t。明年即2001年,我国就将迎来第一座PC25C型燃料电池电站,它主要由日本的MITI资助的,这将是我国第一座燃料电池发电站。PAFC作为一种中低温型燃料电池,不但具有发电效率高、清洁、无噪音等特点,而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出先进的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技术指标。最初开发PAFC是为了控制发电厂的峰谷用电平衡,近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。

PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体,为了促进反应,以Pt作为触媒,燃料气体中的CO将造成中毒,降低电极性能。为此,在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO 量,特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。

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