美启动“21世纪梦想”能源计划

美国能源部制定的能源策略之一是实现所谓“21世纪梦想”能源计划，该计划的目标是设计新一代接近零排放污染的化石燃料能源设施，这些装置将组合煤炭气化和燃料电池等技术来生产电力，并且可生产辅助产品，如运输燃料和化学原料。 

　　“21世纪梦想”能源计划的环境概念将包括削减传统的污染物：硫和氮氧化合物、汞、颗粒物质以及液态和固态废物，其重点是CO2低成本治理。该计划的时间表为2005年完成技术开发，全部模块设计2012年完成，2 015年实施工业装置设计。现已有60家公司和大学为实现能源部资助支持的该计划项目而工作。 

　　加快开发洁净煤先进技术煤炭将是美国未来主要的能源，美国有2500 亿吨以上的煤炭储量，充裕的煤炭可供使用250年。美国发电量50％以上来自煤炭，虽然到2020年所占比例将稍有下降，但是美国利用煤炭生产的电力预计将增长25％，将从现在的1.97万亿kWh增加到2.47万亿kWh。 

　　目前燃煤电厂控制CO2排放费用高、能耗大。在该计划框架下，采用气化技术和某些燃烧技术产生的浓缩C O2物流可望便于管理。在大多数情况下，电力将是“21世纪梦想”能量工厂主要或唯一的产品，但也可联产其他产品，如化学品或清洁的液体运输燃料。 

　　典型的一体化设计的工厂包括气化装置，把煤或其他燃料，通过利用低成本空分膜产生的氧气生产合成气：C O、H2、CO2和水的混合物。合成气可净化除去硫和氮氧化合物，然后使用膜分离器分离氢气，如果需要，合成气中未使用的CO和蒸汽可催化转化为氢气和CO2，工厂中产生的全部CO2可被分离出来。合成气、氢气可驱动燃气轮机或燃料电池发电，部分合成气或其他燃料可避开用电高峰时间，利用费-托合成化学途径生产清洁汽油或通用化学品。 

　　今后10年内，洁净煤先进技术开发将加快。“21世纪梦想”能源计划项目之一是研发大规模燃料电池，目前已接近实用化。由燃料电池能源公司开发的2MW燃料电池预计2004年投运，该装置设在沃巴什能源公司发电厂内。美国能源部资助了3230万美元燃料电池项目的一半费用。 

　　提供更多超清洁燃料未来能源的重要一环是供应超清洁燃料，减少或去除柴油和汽油中的硫是清洁燃料研究中最严峻的挑战之一。2006年将实施的美国能源新法规要求汽油含硫从350×10-6减少到30×10-6，柴油含硫从500p×10-6减少到15×10-6，法规还要求减少燃料中芳烃含量。降低燃料尤其是车用柴油和汽油中的硫含量是很棘手的问题。 

　　大多数炼油厂都建有催化裂化(FCC)装置，将重质馏分转化为石脑油和轻循环油(LCO)，分别用以生产汽油和柴油。它们作为主要的燃料调合料含有大量硫，各种脱硫工艺可用于FCC之前、FCC之中或FCC 之后除硫。这些工艺过程需要催化剂和氢气，在高温和高压下反应，噻吩环被加氢，然后使硫成为H2S被汽提掉。典型的催化剂为含少量促进剂金属，如钴或镍的二硫化钼。要满足新的燃料规范尚有许多待解决的问题，既要去除硫又要保持汽油必要的高辛烷值，这是很复杂的课题。 

　　此外，随着成品汽油和柴油中允许含硫量的降低，而可用原油平均含硫量却在增高，燃料电池要求使用更严格的清洁燃料，液体烃燃料含硫应小于1×10-9，才能避免燃料加氢催化剂和燃料电池电极催化剂中毒。 

　　目前已开发的技术虽可去除大量硫，但其余的噻吩化合物，尤其是 4，6-二甲基二苯并噻吩去除很困难。开发新型催化剂或工艺过程才能有效地去除这些化合物，以满足未来燃料规范，尤其是柴油规范的要求。 

　　目前正在开发的清洁燃料生产技术是被称为选择性吸附脱硫(SARS) 的工艺，该工艺使用基于过渡金属的吸附剂，负载在多孔固体载体上，如MCM-41硅铝酸盐分子筛。它与使噻吩催化脱硫的方法不同，该工艺可在低温和常压下有选择性地使硫从金属原子上脱除，而获得不含硫的芳烃，如烷基苯和萘则予以通过。SARS工艺不使用氢气，为此烯烃和其他芳烃不被加氢。氢可用于其他用途，如驱动燃料电池。该吸附剂在饱和之前，可净化10倍于其体积的燃料，一旦吸附剂饱和，硫化物可用极性溶剂洗涤使之除去，吸附剂可以回用。 

　　在喷气燃料试验中，SARS方法可使燃料含硫从500×10-6减少至小于1×10-6。该方法已申请专利。SARS方法是现有脱硫工艺的替代方案，另一替代方案是菲利浦斯石油公司新的S-Zorb工艺，它也使用吸附剂捕集硫化物，但SARS工艺吸附脱硫是在室温和常压下进行，不使用氢气，而S-Zorb工艺使用高温和较低的氢压，将硫转化为硫化物，耗用一定量的氢气。 

　　许多大型石油公司都在开发所需投资较少的脱硫方法，以满足新的燃料法规。这些方法包括新催化剂配方的开发、指定反应和工艺条件、设计新的反应器或者开发基于吸附、氧化、膜分离、生物技术或离子液体的全新工艺。其中有些可望应用于炼油厂生产超清洁燃料。