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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

Special issue on integrated gasification fuel cell (IGFC) technology “整体煤气化燃料电池发电技术”专题

来源:国际煤炭科学技术学报(英文)

为响应国家“双碳”战略,探索煤炭行业碳达峰、碳中和发展路径,International Journal of Coal Science & Technology于2021年第3期组织策划“整体煤气化燃料电池发电技术”专题,邀请主编彭苏萍院士担任专题客座主编,中国矿业大学 (北京) 杨志宾教授担任客座编辑,联合国家重点研发计划“CO2近零排放的煤气化发电技术”项目组专家,发表文章9篇。

长期以来,煤炭是全球范围内用于发电和生产化工产品的主要化石燃料。然而,煤炭的利用也会导致二氧化碳和其他污染物的排放。目前,由温室气体尤其是CO2引起的全球气候变化问题越来越严重。提高燃煤发电效率,实现二氧化碳近零排放是十分必要的。

整体煤气化燃料电池 (IGFC) 系统将煤炭气化技术和高温燃料电池技术,如固体氧化物燃料电池 (SOFC) 或熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 有机结合,因其具有传统的燃煤发电系统没有的更高发电效率和环境友好特性,在“双碳”背景下,发展前景好。

本专题旨在介绍IGFC技术的最新进展和发展前景,并分析采用CO2捕集技术的IGFC装置的工作效率和经济性能,全方位阐述了煤炭气化与净化技术、SOFC技术和MCFC技术、碳捕集利用与存储技术(CCUS)、固体氧化物电解池(SOEC) 技术等方面的基础研究和技术进展。

本专题的刊出离不开客座编辑、审稿人和业内专家的支持和协助。在此,感谢大家为本专题所作的努力!

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  • 作者(Author): 《国际煤炭科学技术学报(英文)》

  • 作者(Author): 彭苏萍

    摘要:为响应国家“双碳”战略,探索煤炭行业碳达峰、碳中和发展路径,International Journal of Coal Science & Technology于2021年第3期组织策划“整体煤气化燃料电池发电技术”专题,邀请主编彭苏萍院士担任专题客座主编,中国矿业大学 (北京) 杨志宾教授担任客座编辑,联合国家重点研发计划“CO2近零排放的煤气化发电技术”项目组专家,发表文章9篇。 长期以来,煤炭是全球范围内用于发电和生产化工产品的主要化石燃料。然而,煤炭的利用也会导致二氧化碳和其他污染物的排放。目前,由温室气体尤其是CO2引起的全球气候变化问题越来越严重。提高燃煤发电效率,实现二氧化碳近零排放是十分必要的。 整体煤气化燃料电池 (IGFC) 系统将煤炭气化技术和高温燃料电池技术,如固体氧化物燃料电池 (SOFC) 或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 有机结合,因其具有传统的燃煤发电系统没有的更高发电效率和环境友好特性,在“双碳”背景下,发展前景好。 本专题旨在介绍IGFC技术的最新进展和发展前景,并分析采用CO2捕集技术的IGFC装置的工作效率和经济性能,全方位阐述了煤炭气化与净化技术、SOFC技术和MCFC技术、碳捕集利用与存储技术(CCUS)、固体氧化物电解池(SOEC) 技术等方面的基础研究和技术进展。 从中国IGFC和IGFC技术的角度(Peng et al.2021),介绍了煤气化净化新技术的开发和污染物形成机理的研究(Zheng et al.2021)。同时,研究了碱金属离子对吡啶热解过程中HCN形成机理的影响(Liu等人,2021)。 介绍了在高燃料公用事业条件下,采用实际合成气进料对5 kW SOFC系统进行性能测试的关键燃料电池技术(Xu等人,2021年)、采用合成气的10 kW SOFC-CHP系统的运行参数(Li等人,2021年)和10 kW熔融碳酸盐燃料电池发电系统(Lu等人,2021年)。此外,还研究了采用液态锑阳极的常压等离子喷涂固体氧化物燃料电池的制造和性能(Jiang等人,2021年)。 在此基础上,讨论了合成气燃料高温燃料电池用于纯氧废气燃烧的关键CO2捕获技术(Wang et al.2021)和SOEC技术的CO2利用技术(Yang et al.2021)。最后,提供了国家清洁与低碳研究所(NICE)在MWth规模上正在开发的IGFC发电系统的状态更新(Wei等人,2021年)。 特刊中介绍的所有研究都涉及IGFC技术的发展和IGFC项目的关键成果。 本专题的刊出离不开客座编辑、审稿人和业内专家的支持和协助。在此,感谢大家为本专题所作的努力!
  • 摘要:长期以来,煤炭一直是中国的主要能源。因此,能源行业必须提高煤炭发电效率,实现近零二氧化碳排放。与传统燃煤发电厂相比,将煤气化和高温燃料电池(如固体氧化物燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池)相结合的综合气化燃料电池(IGFC)系统在高效清洁发电方面被证明是有希望的。2017年,在中国国家重点研发项目的支持下,成立了由中国能源集团牵头、由12家机构组成的联合体,开发二氧化碳排放量接近零的先进IGFC技术。本项目的目标包括了解IGFC发电系统在不同运行条件下的性能,设计工程优化的主系统原则,开发关键技术和知识产权组合,建立关键材料和设备的供应链,并在2022年初运行第一个兆瓦级IGFC示范系统,二氧化碳排放量接近零。本文重点介绍了与IGFC项目相关的主要发展和预测。
  • 摘要:燃煤发电是中国二氧化碳排放的主要来源。为了解决燃煤发电系统中CO2捕集导致的效率下降和成本增加的问题,开发了一种集成气化燃料电池(IGFC)发电技术。进一步研究了煤气化净化、燃料电池等组分之间的相互作用机理。朝着煤气化和净化的方向,研究了超细煤粉的气化反应特性、煤灰熔融特性及其对煤气化反应的影响、污染物的形成机理。我们进一步开发了高温/变压吸附装置,用于同时去除H2S和CO2。结果表明,Miura-Maki模型描述神华烟煤气化的有效性,预测的DTG曲线与实验数据吻合良好。设计的8–6–1循环程序可同时有效去除CO2和H2S,去除率超过99.9%。此外,过渡金属氧化物作为煤气化合成气脱汞吸附剂具有很大的潜力。本文提出的技术可以提高气化效率,减少IGFC中污染物的形成。
  • 摘要:以含氮化合物吡啶为模型化合物,研究了碱金属离子(Na+、K+)对煤热解过程中NOx前驱体生成的催化作用。在B3LYP/6-31G(d,p)理论水平上进行密度泛函理论计算,以阐明吡啶热解的机理和HCN的形成途径。计算结果表明,Na+和K+对不同的热解反应有不同的影响;这些碱金属离子促进了从C1到N和C2的初始氢转移,而阻碍了其他氢迁移反应。Na+和K+都显著降低了C–C键断裂和三键形成的活化能,而增加了异构化反应的活化能。这种不同的效应本质上是由两种离子引起的不同电荷分布造成的。由于对不同反应的不同影响,速率决定步骤被调节,从而影响HCN形成的不同可能途径的竞争力。在Na+和K+的存在下,吡啶生成HCN的过程被促进,因为所有的总活化能在不同的途径中都会降低。计算结果与以往的实验研究结果吻合较好。因此,该研究结果为揭示NOx的形成机理和控制煤炭利用中的NOx提供了一条新的、有前景的途径。
  • 摘要:液体锑阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种利用含杂质燃料的潜在能量转换技术。大气等离子喷涂(APS)技术因其经济、方便等优点成为一种很有前途的LAA-SOFC制备方法。本文采用APS法制备了不同阴极材料和成孔剂配比的按钮式SOFC,并在750°C下运行。分析了阴极结构对LAA-sofc电化学性能的影响,提出了一种优化的LAA-sofc喷涂方法。在优化喷涂方法的基础上,采用APS法制备了管状LAA-SOFC,其峰值功率为2.5W。在2 a恒定电流下测量管式电池20 h,并向其添加含硫燃料,以证明其抗杂质性和电极稳定性。
  • 摘要:使用高温燃料电池作为动力技术可以提高发电效率,实现二氧化碳的近零排放。这项工作探讨了10千瓦高温熔融碳酸盐燃料电池的性能。利用X射线衍射和扫描电子显微镜对单个电池的关键材料进行了表征和分析。结果表明,关键电极材料的孔径为6.5µm,基体材料为α-LiAlO2。实验发现,单电池的开路电压为1.23V。在0.7 V的工作电压下,电流密度大于100 mA/cm2。10 kW燃料电池组由80个单燃料电池组成,总面积为2000 cm2,开路电压大于85 V。在56v的工作电压下,燃料电池堆的功率和电流密度分别可达11.7kw和104.5ma/cm2。并对烟囱的影响和长期稳定运行进行了分析和讨论。10kw高温燃料电池的成功运行促进了燃料电池的大规模使用,并为中国未来燃料电池容量提升和分布式发电的研究提供了基础。
  • 摘要:传统燃煤发电是全球二氧化碳排放的主要来源,需要改变以提高效率并降低二氧化碳排放。2017年提出了综合气化燃料电池(IGFC)工艺,该工艺结合了煤气化和高温燃料电池,以提高煤基发电效率并减少二氧化碳排放。在中国国家重点研发项目的支持下,制定了IGFC近零CO2排放计划,目标是通过(1)固体氧化物燃料电池(SOFC)烟囱烟气的催化燃烧和(2)使用固体氧化物电解电池(SOEC)进行CO2转化,实现近零CO2排放。在这项工作中,我们研究了千瓦级催化燃烧燃烧器和SOEC烟囱,评估了SOEC烟囱在H2O电解和H2O/CO2共电解中的电化学性能,并建立了SOFC和SOEC的多尺度多物理耦合仿真模型。这项工作中开发的过程为未来IGFC技术的演示和部署铺平了道路。

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