超臨界水
——高效清潔利用新方法

西安交通大學能源與動力工程學院教授王樹眾認為，對煤的高效清潔利用并非沒有辦法，現有技術完全可以實現，只是成本太高。例如，就現有技術而言，要控制二氧化碳排放，就會使電廠發電效率下降10%，經濟性很差；而要實現脫硫、脫硝，一年就要花費900億～1 000億元，而超臨界水可能成為解決這一問題的“鑰匙”。

當氣壓和溫度達到臨界點(22.05 MPa，374.3 ℃)時，因高溫而膨脹的水與因高壓而被壓縮的水蒸氣會形成一種特殊形態的水——超臨界水。此時水的液態與氣態沒有區別，完全交融在一起，成為一種新的呈現高溫、高壓狀態的液體。超臨界水的密度、黏度、離子積和介電常數較常溫、常壓下的水均明顯下降；其擴散系數較高，約是常溫常壓下水的100倍，傳質性能好；與非極性氣體和烴類物質安全互溶，而對無機鹽幾乎不溶解。目前電廠中應用的超臨界機組和超超臨界機組均利用了超臨界水的這一特點，但并沒有利用好超臨界水的其他特有性質。煤的超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發電系統恰恰利用了這些特點。

超臨界水氣化、超臨界水氧化和超臨界水熱燃燒是3個需要講清楚的概念。超臨界水氣化利用超臨界水的特殊性質，不加入氧化劑，將反應物加入超臨界水反應器內進行熱解氣化反應，制取高熱值氣體如氫氣、甲烷等。該技術的優勢在于不生成焦炭，不產生污染性氣體。高溫氣化會產生硫化氫，而在超臨界水中，硫以離子的形式存在。超臨界水氣化的發展方向是耦合其他技術，或者添加催化劑。

超臨界水氧化則是指使有機物、煤及氧化劑完全混溶于水中，有機物將被氧化分解為小分子物質，通常為二氧化碳和水；雜原子(氯、硫、磷)則被轉化為對應的無機酸根；廢水中的陽離子和酸根離子一起形成無機鹽或氧化物。雜原子都變成了鹽，而鹽在超臨界水中的溶解度極低。

超臨界水熱燃燒與常見燃燒現象類似，反應燃料在水熱燃燒反應器內著火并形成“水火相容”的水熱火焰。這也是一個氧化反應，但在水中帶有火焰，而超臨界水氧化通常不產生火焰。

煤經過超臨界水熱燃燒后，硫轉化為硫酸鹽，氮形成氮氣，沒有二氧化硫和氮氧化物排放。因為煤在超臨界水中的存在類似水煤漿，燃燒后不會形成飛灰，只會形成泥渣，所以該技術本身不會產生硫氧化物、氮氧化物和飛灰，更不會形成PM 2.5顆粒物，且只需要一個簡單的脫泥渣過程。同時，由于二氧化碳完全溶于超臨界水中，且在獲取能量的過程中，也不需要復雜的控制技術。臨界水熱燃燒技術特別適于能源的潔凈燃燒及能量的高效回收，其優勢十分明顯，燃料在極短的時間內即可燃盡，燃燒啟動溫度低，解決了鹽沉積和腐蝕問題，反應器內的能量密度大，能量回收效率高。

雖然超臨界水氣化技術對有機物、生物質等比較適用，但對煤而言效果不佳，整個過程能量轉化效率仍然很低，需要與水熱燃燒技術相耦合。

固相產物(半焦)超臨界水熱燃燒試驗結果表明，顆粒表面溫度高于1 090 K，傳質過程是氧化燃燒的控制步驟時，半焦顆粒才可能迅速燃盡。對于毫米級的半焦，完全燃盡的時間在5～7 min，低于微米級的半焦顆粒，4～7 s內完全燃燒，反應溫度比目前氣化爐溫度要低得多。應用該技術構建一個超臨界水氣化耦合水熱燃燒的發電系統，其發電效率可達53%，有望成為煤高效清潔利用的一條新途徑。