煤的清潔利用技術(shù)的現(xiàn)狀

1、煤的潔凈燃燒與高效利用技術(shù)摘要：煤炭是我國的主要基礎(chǔ)能源，如何實現(xiàn)其潔凈燃燒與高效利用，對我國的能源政策和能源安全、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等均具有十分重要的意義。本文首先闡述了煤的潔凈燃燒與高效利用技術(shù)研究背景，重點論述了燃燒前的凈化加工技術(shù)、燃燒中的凈化燃燒技術(shù)和燃燒后的凈化處理技術(shù)，以及煤的高效利用技術(shù)等。列出了潔凈燃燒與高效利用技術(shù)的特點，提出了幾點我國發(fā)展?jié)崈羧紵c高效利用技術(shù)的建議措施。關(guān)鍵詞：煤炭；潔凈燃燒；高效利用引言煤是世界上最豐富的化石燃料資源，是除石油以外的世界第二大需求能源。煤的含量高，氫含量少（只有5%）。此外，還含有少量的氮、硫、氧等元素，以及無機礦物質(zhì)。煤燃燒后排放的粉塵、

2、SO2、NOx、CO、CxHy、CO2等對大氣環(huán)境造成了嚴重污染和破壞1。我國化石燃料的特點是貧油少氣富煤，在未來30至50年內(nèi)，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。20世界80年代中期，潔凈煤技術(shù)在美國興起，潔凈煤技術(shù)是指在煤開采、加工轉(zhuǎn)化、燃燒等方面減少污染和提高利用效率的新技術(shù)的總稱。潔凈煤燃燒技術(shù)是國際上目前最先進的燃燒技術(shù)2，該技術(shù)能夠較好地解決環(huán)保問題和節(jié)能問題，發(fā)展和推廣這一新技術(shù)，將成為我國促進以煤為主的能源系統(tǒng)向資源節(jié)約和環(huán)境無害的可持續(xù)模式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵戰(zhàn)略措施之一，它是改變我國目前能源結(jié)構(gòu)的主要措施，已受到國家的高度重視。一、煤的潔凈燃燒技術(shù)煤的潔凈燃燒技術(shù)主要包括燃燒前的

3、凈化加工技術(shù)、燃燒中的凈化燃燒技術(shù)和燃燒后的凈化處理技術(shù)3。圖1 煤的潔凈燃燒圖解（一）凈化加工技術(shù)燃燒前的凈化加工技術(shù)主要包括洗選、型煤加工和水煤漿技術(shù)。（1）煤洗選技術(shù)煤洗選是利用煤和雜質(zhì)（矸石）的物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，通過物理、化學(xué)或微生物分選的方法使煤和雜質(zhì)有效分離，并加工成質(zhì)量均勻、用途不同的煤產(chǎn)品的一種加工技術(shù)。選煤方法可分為物理選煤、物理化學(xué)選煤、化學(xué)選煤及微生物選煤等。物理選煤和物理化學(xué)選煤技術(shù)是實際選煤生產(chǎn)中常用的技術(shù)，一般可有效脫除煤中礦物質(zhì)和無機硫（黃鐵礦硫），化學(xué)選煤和微生物還可脫除煤中有機硫。我國主要選煤方法以跳汰、重介質(zhì)和浮選3種工藝為主，其中重介質(zhì)洗選生產(chǎn)工藝占的

4、比重最大。目前，由我國自行研制開發(fā)的洗選設(shè)備已滿足4 Mt/a 選煤廠建設(shè)的需要，跳汰機、重介質(zhì)分選機、無壓入料重介質(zhì)旋流器、浮選機等許多設(shè)備已形成系列，接近或達到國際先進水平。（2）型煤加工技術(shù)型煤是用一種或數(shù)種煤按照本身特性經(jīng)科學(xué)配合摻混一定比列的黏合劑、固硫劑、膨松劑等經(jīng)加工成具有一定集合形狀和有一定的物化性能（冷強度、熱強度、熱穩(wěn)定性、防水性等）的塊狀燃料或原料。型煤技術(shù)的節(jié)能和環(huán)境效益十分顯著，型煤固硫劑多以生石灰、石灰石、白云石等為原料，其主要固硫成分是CaO，可有效降低煤燃燒過程中的SO2排放。脫硫劑為生石灰的總反應(yīng)式為：CaO + SO2 + 2H2O = CaSO3·

5、;2H2O我國型煤技術(shù)的發(fā)展比較緩慢，起步也比較晚，20世紀 50 年代后期，我國開始研究民用型煤，直到 20 世紀六七十年代，國內(nèi)才開展了大規(guī)模的民用型煤研究。目前，我國型煤主要包括工業(yè)型煤和民用型煤兩大類。工業(yè)型煤包括工業(yè)鍋爐用型煤、蒸汽機車用型煤、煤氣發(fā)生爐用型煤等；民用型煤包括蜂窩煤和煤球。（3）水煤漿技術(shù)水煤漿技術(shù)是20世紀70年代世界范圍內(nèi)的石油危機中產(chǎn)生的一種以煤代油的煤利用新方式。其主要技術(shù)特點是將煤、水、部分添加劑加入球磨機中，經(jīng)磨碎后成為一種類似石油一樣的可以流動的煤基流體燃料。水煤漿具有較好的流動性和穩(wěn)定性，可以像石油產(chǎn)品一樣儲存、運輸，并且具有不易燃、無污染的優(yōu)良特性，

6、是目前比較經(jīng)濟的清潔煤代油燃料。近年來，我國水煤漿技術(shù)迅速發(fā)展，水煤漿制漿用原煤范圍進一步擴寬，從長煙煤、褐煤到貧煤和無煙煤，特別是低階煤制高濃度水煤漿獲得較大成功。2008年，制漿能力達2000萬 t/a（不包含氣化用水煤漿3500萬t/a），最大水煤漿廠規(guī)模達到100萬200萬t/a。目前，我國自行研制的水煤漿燃燒技術(shù)已經(jīng)在國際上處于領(lǐng)先地位，并達到產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用階段。（二）燃燒中的凈化燃燒技術(shù)燃燒中的凈化燃燒技術(shù)主要是流化床燃燒技術(shù)和先進燃燒器技術(shù)3。流化床又叫做沸騰床，有泡床和循環(huán)床兩種，由于燃燒溫度低可減少氮氧化物排放量，煤中添加石灰可減少二氧化硫排放量，爐渣可以綜合利用，能燒劣質(zhì)煤

7、；先進燃燒器技術(shù)是指改進鍋爐、窖爐結(jié)構(gòu)與燃燒技術(shù)，減少二氧化硫和氮氧化物排放量的技術(shù)。（三）燃燒后的凈化處理技術(shù)燃燒后的凈化處理技術(shù)主要有消煙除塵、脫硫脫氮技術(shù)4-5。（1）除塵技術(shù)，常用的除塵器有旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器和布袋除塵器等，除塵技術(shù)中主要是采用各種高效除塵系統(tǒng)進行有效除塵，其中靜電除塵器和布袋除塵器的效率都可達99%以上。（2）脫硫技術(shù)，有干法和濕法之分。干法是用漿狀石灰噴霧與煙氣中二氧化硫反應(yīng)，生成干燥顆粒硫酸鈣，用收塵器收集；濕法是用石灰水淋洗煙塵，生成漿狀亞硫酸鈣排放，它們的脫硫效率可達95%以上。（3）脫硝技術(shù)，包括選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)

8、等，SCR技術(shù)是在鍋爐尾部安裝SCR反應(yīng)器，使用催化劑使NOx還原為氮氣，其脫硝效率可達90%以上；SNCR技術(shù)是在鍋爐尾部適當(dāng)?shù)奈恢眉皽囟葒娙税被蚰蛩?，將NOx還原為氮氣，降低氮氧化物排放，其脫硝率可達80%以上。二、煤的高效利用技術(shù)煤的高效利用是根據(jù)終端需要，將經(jīng)過潔凈加工的煤作為燃料或原料使用，從而實現(xiàn)煤資源的寶貴價值。煤的高效利用包括高效燃燒和高效轉(zhuǎn)化。高效燃燒是將煤作為燃料使用，可將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化熱能直接加以利用和將煤的化學(xué)能先轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化電能加以利用兩種方式。 圖2 煤的高效利用技術(shù)（一）煤的氣化技術(shù)煤的氣化6是指煤在特定的設(shè)備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機質(zhì)與氣化劑發(fā)生一系

9、列化學(xué)反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4、等可燃氣體和CO2、N2等不可燃氣體的過程。煤經(jīng)氣化后無煙、無硫、無灰，可大大減少環(huán)境污染。煤在氣化過程中主要發(fā)生以下反應(yīng)：CxHyOz C + H2 + COC + H2O CO + H2C + CO2 COCO + H2 CH4 + H2OCO2 + O2 CO2CO + O2 CO2CH4 + O2 CO2 + H2O按煤和氣化劑在氣化爐中的流體力學(xué)狀態(tài)分類，氣化方法可分為三大類：固定床氣化法、流化床氣化法氣、流床氣化法。（1）固定床氣化法固體氣化原料在高溫下與氣化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生以H2、CO 和CH4為有效氣體的煤氣，氣化爐內(nèi)原

10、料床層相對穩(wěn)定或隨著原料的消耗緩慢向下移動。固體原料由氣化爐頂加入，灰渣從氣化爐底排除，氣化劑由爐底通過爐柵送入爐內(nèi)，生成的煤氣由爐頂導(dǎo)出。（2）流化床氣化法采用010mm的小顆粒煤作為氣化原料，氣化劑為蒸氣/空氣或蒸氣/氧氣，氣化劑自下而上經(jīng)過床層。依據(jù)原料的力度分布和濕度，控制氣化劑的流速，使床內(nèi)原料煤全部處于流化狀態(tài)，在劇烈攪動和回混中，煤粒和氣化劑充分接觸，進行化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞。利用碳燃燒放出的熱量，使煤粒干燥干餾和氣化。流化床氣化爐內(nèi)，主要進行的是碳的燃燒反應(yīng)，二氧化碳的還原反應(yīng)，水蒸氣分解反應(yīng)，水煤氣變換反應(yīng)。通過上述化學(xué)反應(yīng)生成的煤氣夾帶大量細小微粒( 其中70%為灰渣和部分未

11、反應(yīng)完全的碳粒) 由爐頂離開氣化爐，部分密度較重的渣粒由爐底排出。（3）氣流床氣化法氣化劑( 氧氣和水蒸氣) 夾帶著煤粉或煤漿，通過特殊噴嘴送入爐膛內(nèi)，在高溫輻射作用下，氧煤混合物瞬間被點燃，并迅速燃燒，燃燒使煤粒干餾并且使干餾產(chǎn)物分解，同時煤焦被氣化，生成CO和H2等組成的煤氣和熔渣的氣化過程。氣流床氣化的顯著優(yōu)點是煤種適應(yīng)性強，原料煤的粘結(jié)性，機械強度，熱穩(wěn)定性等對氣流床氣化過程幾乎沒有影響。它還具有氣化溫度高，強度大，煤氣不含焦油等優(yōu)點。但由于氣流床氣化要求使用盡可能細的煤粉（70%到80%煤粒 200網(wǎng)目），故需要龐大的制粉設(shè)備，同時為回收煤氣中的余熱及灰塵也需要復(fù)雜的余熱回收及除塵設(shè)

12、備，因此設(shè)備投資較高。（二）煤的液化技術(shù)煤的液化技術(shù)是將固體煤轉(zhuǎn)化為液體燃料、化工原料和產(chǎn)品的先進潔凈煤技術(shù)。可分為煤的直接液化技術(shù)和煤的間接液化技術(shù)7-8。（1）煤的直接液化技術(shù)煤的直接液化技術(shù)是將固體煤在高溫高壓下與氫反應(yīng)，使其降解和加氫從而轉(zhuǎn)化為液體油類的工藝，又稱加氫液化。煤直接液化可生產(chǎn)潔凈優(yōu)質(zhì)汽油、柴油和航空燃料，工藝流程如圖3所示。該工藝是把煤先磨成粉，再和自身產(chǎn)生的液化重油（循環(huán)溶劑）配成煤漿，在高溫（450）和高壓（20-30MPa）下直接加氫，將煤轉(zhuǎn)化成汽油、柴油等石油產(chǎn)品。1t干燥無灰煤可產(chǎn)500600kg油，加上制氫用煤，34t原煤可產(chǎn)1t成品油。圖3煤的直接液化工藝流

13、程簡圖（2）煤的間接液化技術(shù)煤的間接液化技術(shù)是先將煤氣化成合成氣（氫氣和一氧化碳），然后在催化劑作用下合成燃料油、化工原料和產(chǎn)品。其工藝流程如圖4所示。煤的簡介液化工藝具有以下特點：適用煤種比直接液化廣泛；可以在現(xiàn)有化肥廠已有氣化爐的基礎(chǔ)上實現(xiàn)合成汽油；反應(yīng)壓力為3MPa，低于直接液化，反應(yīng)溫度為550，高于直接液化；（油收率低于直接液化，57t煤才可產(chǎn)出1t油，所以產(chǎn)品油成本比直接液化高得多。圖4 煤的間接液化工藝流程簡圖（3）煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)9是指煤、水蒸氣和氧氣在氣化爐中反應(yīng)產(chǎn)生中低熱值粗煤氣，經(jīng)過凈化裝置除去粗煤氣中的硫化物、氮氧化物、粉塵等污染物，變?yōu)闈崈?/p>

14、的氣體燃料，燃燒后驅(qū)動燃氣輪機進行發(fā)電，并且還利用高溫粗煤氣余熱和煙氣余熱在廢熱鍋爐內(nèi)產(chǎn)生高壓過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。它不僅提高了煤的有效利用率，還有優(yōu)良的環(huán)保性能，為煤的潔凈高效利用帶來了光明。圖5 煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電流程簡圖（4）燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)10亦稱為等離子體發(fā)電，它是磁流體發(fā)電的典型應(yīng)用，當(dāng)通過燃燒煤而得到的高溫等離子體以高速流過磁場時，氣體中的電子受磁力作用，沿著與磁力線垂直的方向流向電極，發(fā)出直流電，直流電經(jīng)逆變?yōu)榻涣麟娝腿虢涣麟娋W(wǎng)。磁流體發(fā)電系統(tǒng)由燃燒室、磁體和發(fā)電通道三大主要部件構(gòu)成,燃燒室提供高溫高速導(dǎo)電流體，傳統(tǒng)動力裝備的兩段能量轉(zhuǎn)換過程是在同一個設(shè)

15、備處于磁場環(huán)境中的發(fā)電通道內(nèi)發(fā)生的。因此，磁流體發(fā)電機的特點是,把傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的汽輪機所承擔(dān)的熱能機械能轉(zhuǎn)換功能和發(fā)電機所承擔(dān)的機械能電能轉(zhuǎn)換功能集于一身，而且主要部件都不是轉(zhuǎn)動設(shè)備，磁流體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展無疑將導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的革命。三、總結(jié)推進煤炭高效清潔利用，發(fā)展綠色生態(tài)煤炭工業(yè)是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。為了改變目前我國煤炭資源利用過程存在主要的問題，建議采取如下措施。（1）煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源,煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展關(guān)系到國民經(jīng)濟和能源的安全大局。大力推進煤炭高效、清潔、節(jié)約、安全開發(fā)與利用，對保證發(fā)展生態(tài)和具有安全保障能力的能源體系，推進經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，具有十分重要的意義。因此

16、，必須受到高度重視。應(yīng)該制定一套完善的煤炭高效清潔利用與監(jiān)管的制度體系，保證其新技術(shù)的推廣應(yīng)用。（2）大力推廣日趨成熟的煤炭高效洗選、燃前脫硫和煙氣脫硫、循環(huán)流化床燃燒、煤炭直接與間接液化、大規(guī)模煤氣化、煤制油及煤化工等技術(shù)；加快研發(fā)以煤為基礎(chǔ)的煤氣、煤電熱和煤化工等多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。提高煤炭綜合開發(fā)利用的質(zhì)量，培育煤炭企業(yè)新的經(jīng)濟增長點。（3）重視煤與煤伴生資源的綜合開發(fā)、深度加工、清潔利用，發(fā)展生態(tài)煤炭工業(yè)；遵循“減量化、再利用、再循環(huán)”原則,加大礦井廢水、煤研石、煤泥、粉煤灰、塌陷地等資源利用技術(shù)的研究開發(fā)與利用力度，真正實現(xiàn)變廢為寶，循環(huán)利用。參考文獻1于秀娥.我國能源安全的可行性戰(zhàn)略選擇J.理論探索,2009(3):86-87.2程黎花.高效清潔煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀J.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(11):42-43.3呂俊復(fù),凌曉聰,于龍等.國產(chǎn)化200MW循環(huán)流化床鍋爐方案研究J.鍋爐制造,2002(3): 1-5.4苗江平.煤礦粉塵防治技術(shù)探討J.中小企業(yè)管理與科技.2009,5(4):283-2845趙毅,馬雙忱,黃建軍等.煙氣循環(huán)流化床同時脫硫