所谓水蒸煤，是利用温度和压力高于水的临界点的超临界水的特殊物理化学性质，将超临界水作为煤气化的均相、高速反应媒介，并借助独特的超临界水流化态反应床，将煤中的碳、氢、氧元素气化转化为氢气和二氧化碳。同时热化学分解了部分超临界水制取氢气，最终将煤炭化学能直接高效转化为氢能的先进煤气化制氢技术。
1963年10月生于江西省吉安市遂川县，1983年毕业于西安交通大学热能工程专业，中国工程热物理学会副理事长、多相流分会主任委员、中国氢能学会副主任，动力工程多相流国家重点实验室主任，我国热能工程学科首批教育部长江学者特聘教授，中组部“万人计划”首批科技创新领军人才和首批创新团队带头人，曾任国务院学位委员会动力工程及工程热物理学科评议组成员兼组长、973重大项目首席科学家、中国工程热物理与能源利用学科首个国家自然科学基金委创新群体带头人并获三期滚动资助，多年从事能源、动力领域多相流热物理及热化学、光化学、光生物制氢等方面的研究与人才培养工作，原创了超临界水吸热还原气化的能源转化新途径并深入系统地开展研究，建立了螺旋管等复杂多相流及热质传递与化学反应的系统理论，发明并研发出煤和生物质热化学高效洁净转化、管道油气混输等新技术及关键装备，创建了直接太阳能超临界水热化学、水相光催化两类多相流连续制氢新系统，以第一完成人的科研成果获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖5项、二等奖1项，获授权国家发明专利40余项，发表SCI收录学术论文300多篇，出版著作6部/章，获国际会议特别贡献奖1项、国际会议优秀论文奖6项，2014年获汤森-路透(2002-2012)全球高被引科学家奖并入选工程领域全球最有影响力科学思想家名录，2015年再次入选汤森-路透工程领域全球高被引科学家，2014-2016年连续入选能源领域爱思维尔中国高被引学者榜。
2016年12月25日，陕西省省长胡和平、教育部副部长杜占元，以及国家自然科学基金委、国家能源局、中国核工业建设集团等领导齐聚西安，共同启动煤超临界水气化制氢发电多联产技术产业化工作。当天，西安交通大学将该技术成果知识产权及相关技术作价1.5亿元人民币转让给陕西中核交大超洁能源技术有限公司。后者将在初期筹资10亿元进行技术产业化的工程示范。
煤超临界水气化制氢发电多联产到底是一项什么技术?能解决什么问题?带着这些问题，记者专访了该校能源与动力工程学院院长、博士生导师、动力工程多相流国家重点实验室主任、煤超临界水气化制氢发电多联产技术首席科学家郭烈锦教授。
超临界水技术的神奇功能
记者：什么是超临界水?超临界水有什么应用?
郭烈锦：超临界水，也就是温度超过374摄氏度、压力超过22.1兆帕的水，不仅具有粘度低、密度小、介电常数低、扩散系数大、传质速率高、融合能力强等特点，而且拥有超强的催化性和溶解性，可参与自由基反应和离子反应，与气体组分及包括油脂在内的有机物互溶，并能高效地分解、分离固体物质。
更为重要的是，由于超临界水与有些物质的反应速度可达到常规反应速度的100倍，因此，不少国家利用超临界水处理包括核废料在内的有毒、有害物质，或者用其处理常规手段难以处理的其他废物或垃圾。
20世纪70年代，美国麻省理工大学的MichaelModell教授首次提出了超临界水氧化技术，并申请了一个小型超临界水反应器的专利。该技术利用超临界水较强的分解、氧化性能，高效快捷地将高浓度有机污水、难生化的工业废水以及城市污水完全氧化为二氧化碳、水、氮气、无机盐等无害物质。这一研究成果立即在科技界引起轰动，不少国家纷纷投入人力、物力开展超临界水技术研究。其中，德国进行了500摄氏度的超临界水中通入氧气处理聚氯乙烯塑料的试验，发现99%的塑料被分解;日本则把超临界水的研究和开发列入高新科技研究计划，开展了3方面有代表性的试验：一是进行超临界水处理有害的甲苯二胺试验，整个处理过程只需30分钟，仅为酸催化处理时间的5%，回收效率高达80%;二是进行超临界水氧化法处理电线塑料外皮生产灯油和煤油试验;三是进行温度400摄氏度、压力30兆帕超临界水处理燃烧灰烬中有毒物质试验，发现灰烬中的有毒物质几乎全部被分解，实现了无害化处理。
作为全球最早开展超临界水氧化技术研究的国家，美国于1994年在德克萨斯州建成全球第一台商业化超临界水氧化装置，将胺、乙二醇和长链醇分解为甲烷和氢气。此后，美国又建立了数个超临界水氧化装置，对化学武器中的物质、火箭燃料物、爆炸物、双氧化物污染的土壤、纸浆厂料浆、城市泥浆、工业料浆、易挥发酸、人体生理垃圾等进行试处理。美国通用原子能公司甚至还进行了每小时处理数吨煤的煤超临界水氧化制氢试验。新世纪以来，美国军方对超临界水氧化技术进行了大量细致研究，旨在寻找处理各种化学物质、爆炸性物质的有效途径。
国外大量的研究试验表明，由于超临界水氧化过程具有自热性，在处理高浓度有机污水(或废水)时，不仅无需消耗能源为反应加热，还有富余热能输出。研究还发现，盐类、金属氧化物在超临界水中的溶解性和在标准状态下的水中的溶解性截然相反，反应产物更易分离。这些发现使其由处理高浓度有机污水扩大到处理高含盐污水、废旧塑料、核废料、危险固废、废油、垃圾以及其他有毒有害物质等更广泛领域。
但超临界水氧化技术造价和运行成本均很高。因此，时至今日，国外超临界水技术只在军工、核废料、危废处理等少数特殊领域，建有小型的处理装置。
中国率先应用在煤化工上
记者：中国超临界水技术应用状况如何?
郭烈锦：中国对超临界水的研究和应用起步较晚但进步很快。开始主要是应用于发电上。2006年11月28日，浙江华能玉环电厂100万千瓦超超临界燃煤发电机组投入使用并达到百万千瓦负荷，其能源转化效率高达45.4%、供电煤耗280克/千瓦时。与同规模传统燃煤发电机组相比，每年减排二氧化碳50多万吨、减排二氧化硫2800多吨、减排氮氧化物约2000吨。这个项目标志着我国完全掌握了百万千瓦超超临界燃煤发电组的设计、制造、材料生产、焊接等核心技术。
2015年9月25日，我国又建成投运了世界首台百万千瓦超超临界二次再热燃煤发电机组——中国国电集团泰州电厂二期工程3号机组。该项目设计发电煤耗256.2克/千瓦时，比当今世界最好水平低6克/千瓦时。由于同步建设并投运了脱硫、脱硝装置，该项目的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放量比世界最好的燃煤电厂减少5%以上。截至2016年底，我国运行、在建的百万千瓦级超临界、超超临界燃煤发电机组规模居世界首位。
当然，中国还率先将该技术应用在煤化工上。
记者：煤是一种结构复杂的物质，且其中的碳-氢、碳-碳键很难打开。超临界水到底有何功能，能够直接将煤转化?
郭烈锦：这还得从1983年说起。那年我在西安交通大学热能工程专业毕业之后，又攻读了该校的硕士、博士，并留校在动力工程多相流国家重点实验室工作。1997年，我获得了国家杰出青年科学基金，并有幸参加了国家自然科学基金委组织的能源高效利用考察团赴美国考察。在麻省理工大学，我们参观了其利用超临界水氧化处理垃圾、淀粉、树皮，发电联产氢气的小型试验装置。随后几年，我又分别去了德国及美国夏威夷大学考察交流，观摩了他们开展的超临界水氧化气化生物质生产氢气的试验。在这个过程中，我萌生了开展超临界水气化煤炭制氢试验的设想。因为在当时情况下，通过燃烧方式消耗的煤炭占我国煤炭消费总量的95%以上，不仅能源利用与转化效率低下，而且会排放大量烟尘、二氧化硫、氮氧化物，造成严重的环境污染。而超临界水煤气化制氢技术则可将煤中的碳、氢、氧元素气化转化为氢气和二氧化碳，同时热化学分解了部分超临界水制取氢气，最终将煤炭化学能直接高效转化为氢能。整个过程并无气态的硫化物、氮氧化物和粉尘产生与排放，能够真正实现煤炭的高效、洁净利用。由于整个反应过程类似煤在超高温、高压水中蒸煮，因此，可以形象地称其为水蒸煤。我的想法得到了已故动力工程多相流国家重点实验室第一任主任、中国科学院院士陈学俊老先生及相关领导的肯定和支持。随后，我们团队利用国家自然科学基金开始了水蒸煤技术的试验研究。
所谓水蒸煤，是利用温度和压力高于水的临界点的超临界水的特殊物理化学性质，将超临界水作为煤气化的均相、高速反应媒介，并借助独特的超临界水流化态反应床，将煤中的碳、氢、氧元素气化转化为氢气和二氧化碳。同时热化学分解了部分超临界水制取氢气，最终将煤炭化学能直接高效转化为氢能的先进煤气化制氢技术。整个工艺流程如下：
水煤浆(细度6毫米以内、浓度30%～40%)+微量碱性催化剂→超临界水流化态反应床→与超临界水反应→生成氢气、二氧化碳、灰渣混合物→分离混合物;灰渣→外排→生产水泥、路基材料、免烧砖;氢气→燃气轮机发电→500℃以上热介质→余热锅炉→蒸汽→汽轮机发电→余热回收→热水;燃烧产生的水→进入系统循环利用;二氧化碳→气肥、保护焊、保鲜冷藏剂、碳酸饮料添加剂、油田驱油剂;若目标产品为氢气,只需对超临界水流化态反应床顶部出来的氢气+二氧化碳混合物分离即可。
记者：水蒸煤技术的难点在哪儿?是否已经得到解决?
郭烈锦：第一个难题就是理论支撑体系的选择。由于当时主流学派均采用超临界水氧化气化理论，我们最初也尝试用这种方法，即将煤与超临界水混合，通入氧气(或空气)，使其发生剧烈的氧化放热反应。这种方法虽然也能制得氢气，但由于在氧化性介质中，超临界水对反应器的腐蚀比较严重，导致技术的大型工业化应用面临困难。于是我们决定另辟蹊径，提出了煤炭在超临界水中完全吸热——还原制氢的新气化理论，即水煤浆直接加入超临界水中，在微量碱性催化剂作用下，借助超临界水特殊的物理化学性质，将煤中的碳、氢、氧元素气化转化为氢气和二氧化碳，同时热化学分解部分超临界水制取氢气。由于主要反应为吸热的还原反应，介质对反应器的腐蚀性大幅下降，极大地降低了反应器对材质的要求，也降低了催化剂和装置成本，为技术的工业化推广应用创造了宽松条件。
2000年，基于这一理论指导下的煤超临界水气化制氢小型试验平台建成并投入使用。经过3年反复试验，2003年，我们形成了一套系统且拥有大量数据支撑的试验成果——煤超临界水还原气化制氢技术，并发表在《国际氢能》杂志上。之后，经过10多年的试验研究，我们又自行设计建成一个由5个直径0.06米、高2米反应器串联而成的小型试验装置，对不同地区的烟煤、褐煤、无烟煤，甚至焦粉进行超临界水蒸煤试验，以进一步验证水蒸煤技术的可行性。
2009年，在国家863计划、973计划支持下，我们在宁夏自治区吴忠市太阳山开发区建成由24个流化态管式反应器组成的(12根并联、12根串联)每小时可处理1吨水煤浆的中试装置。该装置用太阳能加热，流化态管式反应器的外侧温度达到800摄氏度，反应器内水的温度维持在650摄氏度、压力22.1兆帕，然后加入碱性催化剂和浓度为15%～20%的水煤浆，通过煤与超临界水反应生产氢气。2011年，该试验成果通过了国家科技部组织的技术成果鉴定。2016年11月21日，中科院专家召开了水蒸煤技术工程示范方案可行性论证会。与会专家给予了很高评价，并建议将该技术列入国家产业化重大项目计划。这标志着水蒸煤技术已经形成了完整的理论体系和试验数据。
当然，在试验过程中，我们也遇到了反应器内壁结焦、管子堵塞等难题，但目前这些问题均已经得到解决。
煤种适应广环保优势明显
记者：业内十分关心水蒸煤技术的煤种适应性问题，您能否介绍一下这方面的情况?
郭烈锦：与传统燃烧、气化技术以煤为单一原料不同，水蒸煤技术的原料由超临界水和煤两部分组成。由于超临界水具有特殊的物理化学性，对许多难以处理的物质都能够高效快捷地分解处理，因此，水蒸煤技术对煤的适应范围十分广泛。我们先后对陕西黄陵弱黏煤、陕西榆林低阶煤、山西无烟煤、云南褐煤、内蒙古褐煤、辽宁劣质煤、新疆准东煤，甚至陕西神木地区的焦粉都进行了试验，结果均取得成功并达到了预期效果。
记者：业内还担心水蒸煤技术对反应器的材质要求十分苛刻，是这样吗?
郭烈锦：业内之所以有这样的担心，主要因为超临界水发生氧化放热反应时，腐蚀性较强。但水蒸煤技术是煤在超临界水中完全吸热——还原制氢，而非加入空气或氧气的氧化反应，整个过程的腐蚀性很小，反应器及相关设备的材质只要达到超临界发电机组及配套锅炉的要求即可，并无特殊要求。
记者：水蒸煤技术的经济性如何?
郭烈锦：水蒸煤技术具有四大特点：一是可充分利用包括太阳能、风能、余热余压等对水煤浆加热、加压补能;二是无气态硫化物、氮氧化物以及粉尘产生和排放，水反复循环利用，无须建设并运营脱硫、脱硝、除尘设施;三是排放的二氧化碳纯度高，可作为产品销售。四是由于无须建设运行脱硫、脱硝、除尘装置，水蒸煤技术比普通燃煤电厂可节约投资40%。有机构做过测算：若用水蒸煤技术制氢，氢气的完全成本可控制在0.58元/立方米以下，比目前最先进、成本最低的制氢技术还要低0.05元/立方米。
有望彻底改变煤化工命运
记者：您和您的团队下一步有何打算?
郭烈锦：去年底，我们已经将该技术成果知识产权及相关技术作价1.5亿元人民币转让给陕西中核交大超洁能源技术有限公司。该公司将筹资10亿元先期建设一套50兆瓦水蒸煤发电多联产工业化示范装置(反应器列管为大串联和大并联)。作为技术研发方和股东之一，我和我的团队将代表西安交通大学，与合作方一道，积极参与、支持示范工程建设，帮助解决示范工程建设、运行过程中出现的各种问题。如果一切顺利，超临界水蒸煤技术有望在未来3—5年内实现工业化应用。
记者：您认为水蒸煤技术实现工业化应用后有何意义?
郭烈锦：当前，煤化工行业为了制得氢气，不得不投入巨资，建设气化岛、空分、黑水处理、变换等大型装置，并配套有庞大的辅助工程。这部分装置的投资往往占到煤化工项目总投资的30%～50%，运行费用占到煤化工项目总运行费用的40%。算上污水、废气处理等方面的投入，综合费用十分惊人。但若采用水蒸煤技术制氢，则上述装置大多可以省略，煤化工项目的综合费用将压缩三分之一，煤种的适应性也会大幅放宽，原料成本会降低，从而大幅降低煤化工项目的投资和运行费用，增强项目盈利能力。更为重要的是，由于水蒸煤技术制氢没有难以处理的高浓度有机污水产生，且实现了水的反复循环使用，不仅会使煤化工项目用水量大幅下降，还能够从源头上根除硫化物、氮氧化物等气体污染物的生成和排放，推动该行业实现低碳、绿色、健康可持续发展。从长远来说，由于能够高效低成本地制取氢气，水蒸煤技术推广应用后，将推动与氢能有关的各领域技术进步和产业化提速，加速人类社会进入更加清洁高效的氢能时代的步伐。
当然，我相信，水蒸煤技术不仅仅用于制氢，它在煤化工领域中的应用前途无量。
记者：谢谢您的介绍。
