近日，國際能源署(IEA)發(fā)布的《21世紀的煤炭》報告中，總結了四種未來煤炭利用技術。其中有些技術代表了不同的煤炭發(fā)電平臺，雖然還處于早期發(fā)展階段，但這些技術可能代表著煤炭利用的重大進步。這四種未來煤炭利用技術包括先進碳燃料電池、化學鏈燃燒、閉式布雷頓循環(huán)和增壓富氧燃燒。

作為未來幾十年發(fā)展進程中的重點，燃料電池將有希望使燃煤電廠的熱效率跨入新階段。《報告》指出，先進碳燃料電池技術包括直接碳燃料電池和整體煤氣化燃料電池。

直接碳燃料電池(DCFC)采用消耗粉煤的陽極系統(tǒng)。陰極系統(tǒng)消耗周圍空氣中的氧氣。低電壓電池(0.6~0.9伏直流電)堆棧獲得高直流電壓和電流，隨后轉(zhuǎn)變成標準交流電力。陽極廢氣富含二氧化碳，電池工作溫度范圍為650℃~1000℃。

DCFC的主要吸引力在于，只需花費與傳統(tǒng)粉煤電廠相當?shù)某杀揪涂梢越⒁蛔?guī)模的一體化發(fā)電廠，并獲得非常高的煤—電轉(zhuǎn)換效率(有可能超過60%)。

目前，DCFC技術處于實驗室規(guī)模發(fā)展階段，電力輸出不到1千瓦。基于這種技術的全規(guī)模發(fā)電廠需要放大約10萬倍，并需要投入大量的時間和工作將這一技術實現(xiàn)實際使用。

雖然DCFC電化學概念已經(jīng)得到證實，但仍然面臨重大挑戰(zhàn)，包括如何開發(fā)經(jīng)濟合理的煤炭原料預處理系統(tǒng)以滿足DCFC質(zhì)量要求。

同時，實現(xiàn)DCFC電池與電池堆5年壽命的目標，也需要付出巨大努力，以便能經(jīng)濟地處理在預處理過程中未從煤炭中去除的污染物，如硫、氮、鹵素和灰成分等。

此外，還需要為DCFC電池進行經(jīng)濟、耐用和可維護的設計，包括為單個電池供應空氣和煤炭，無泄漏與旁路等問題。

當前全球DCFC發(fā)電廠的關鍵發(fā)展途徑是以煤炭作為燃料，可以制造和運行耐用的單個電池，并實現(xiàn)目標壽命。之后的挑戰(zhàn)就是燃料電池發(fā)電廠開始運行時需解決的經(jīng)濟制造、耐久性機械電池堆裝配，以及相關機械耐久性等問題。

整體煤氣化燃料電池(IGFC)發(fā)電廠是一種燃煤發(fā)電先進概念，燃氣輪機由燃料電池代替，將合成氣直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑫r產(chǎn)生多余熱能。

目前全球范圍內(nèi)正在發(fā)展多種類型的燃料電池，但固體氧化物燃料電池(SOFC)可能是最佳應用選擇，包括二氧化碳捕集——因為SOFC能將清潔的、未變換的合成氣(一氧化碳和氫氣)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退瑢⑺淠⒉捎镁珶挿绞匠ルs質(zhì)后，可以進行二氧化碳壓縮和封存。

不過，利用合成氣工作的SOFC仍然是一項不成熟的技術。美國能源部的目標是到2015年能運行一個5兆瓦的發(fā)電系統(tǒng)。在此技術基礎之上，要將一個成功的5兆瓦發(fā)電系統(tǒng)約放大100倍形成一個全規(guī)模的發(fā)電廠，但目前看來在2025年之前還不太可能實現(xiàn)。

與實現(xiàn)DCFC類似，如何用經(jīng)濟的方式除去煤基合成氣中的可能污染物(包括硫、氮、鹵素和灰成分)以滿足SOFC的質(zhì)量要求、實現(xiàn)電池與電池堆5年壽命的目標，將是一個主要任務。

同樣與DCFC類似的是，SOFC實現(xiàn)還需要進行經(jīng)濟、耐用和可維護的設計。