煤炭利用與清潔煤技術(shù)

煤炭利用與清潔煤技術(shù)中國以煤為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)引發(fā)了嚴重的環(huán)境污染問題。2007年中國二氧化硫排放量為2468.1萬噸，氮氧化物排放約2000萬噸，二氧化碳排放居世界第2位，燃煤貢獻分別為80%、70%和80%左右。電力行業(yè)的煤炭消費占煤炭總消費量的52.6%。電力行業(yè)是二氧化硫、氮氧化物和工業(yè)煙塵排放的最大行業(yè)。2007年，二氧化硫和氮氧化物排放量分別占工業(yè)二氧化硫和氮氧化物排放量的58.2%和64.3%，占據(jù)主導地位，是二氧化硫、氮氧化物的排放大戶。酸雨仍以煤煙型污染為主，電力行業(yè)對酸雨污染影響較大。中國目前硫酸根與硝酸根（SO42-/NO3-）的比值仍處在5-3之間，表明煤煙來源的SO42-仍占有絕對優(yōu)勢。說明中國的酸雨還是以煤煙型污染為主。形成的主要原因是燃煤產(chǎn)生的二氧化硫排放。2010年，在監(jiān)測的330個城市中，有273個城市空氣質(zhì)量達到二級以上（含二級）標準，占監(jiān)測城市數(shù)的82.7%；有53個城市為三級，占16.1%；有4個城市為劣三級，占1.2%。國外專家的研究結(jié)果表明，大氣污染造成的經(jīng)濟損失占GPD的3%~7%；如不能得到有效控制，到2020年，僅燃煤污染導致的疾病需付出的經(jīng)濟代價將達3900億美元中國煤產(chǎn)業(yè)鏈效率提高5%對CO2減排的貢獻可達40.3%（NICE，2011）潔凈煤（CleanCoal）是20世紀80年代初，美國和加拿大關(guān)于解決兩國邊境酸雨問題談判的特使德魯.劉易斯和威廉姆.戴維斯提出的。潔凈煤技術(shù)是指煤炭開發(fā)和利用過程中，旨在減少污染和提高效率的煤炭開采、加工、燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制等一系列新技術(shù)的總稱，是使煤炭作為一種能源應(yīng)達到最大潛能的利用而釋放的污染物控制在最低水平，實現(xiàn)煤的高效、潔凈利用的目的技術(shù)。中國煤炭利用可以分為煤炭發(fā)電、工業(yè)鍋爐和窯爐燃煤、煤化工三種類型。2007年，煤炭利用的比例是：發(fā)電50.5%，工業(yè)鍋（窯）爐燃燒30%，煤化工18%，其它不足2%。煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體，液體，固體燃料以及其他化學品的工業(yè)過程。煤化工包括煤的一次化學加工、二次化學加工和深度化學加工。煤的焦化、氣化、液化，煤的合成氣化工、焦油化工和電石乙炔化工等，都屬于煤化工的范圍。煤化工分傳統(tǒng)和新型兩種傳統(tǒng)的涉及煤焦化、煤電石、煤合成氨（化肥）等領(lǐng)域新型煤化工通常指即以煤熱解、氣化為基礎(chǔ)，以一碳化學為主線，以單元過程優(yōu)化集成為途徑，生產(chǎn)各種替代燃料和化工產(chǎn)品，如合成油、天然氣、甲醇、二甲醚、烯烴、精細化學品等。煤基炭材料：以煤為原料生產(chǎn)炭材料的技術(shù)路線：活性炭、炭塊、電極炭等傳統(tǒng)炭材料；富勒烯、碳納米管、碳分子篩等新型炭材料；以及用于催化劑的分子篩和航天工業(yè)需求的碳纖維、碳合金等多種新型炭材料煤炭液化技術(shù)：煤的直接液化是指將煤（尤其是煙煤）磨碎成細粉后，和溶劑油制成煤漿，然后在高溫、高壓和催化劑存在的條件下，通過加氫裂化使煤中復雜的有機化學結(jié)構(gòu)分子，直接轉(zhuǎn)化為清潔的液體燃料和其他化工產(chǎn)品，又稱為加氫液化。煤和石油在結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)上有很大差異：①石油的H/C比高于煤，原油為1.76而煤只有0.3～0.7，而煤氧含量顯著高于石油，煤含氧2％～21％，而石油含氧極少；②石油的主體是低分子化合物，而煤的主體是高分子聚合物；③煤中有較多的礦物質(zhì)。因此要把煤轉(zhuǎn)化為油，需加氫，裂解和脫灰。關(guān)鍵步驟：熱解+加氫+分離煤直接液化典型的工藝過程主要包括煤的破碎與干燥、煤漿制備、催化劑制備、氫制取、加氫液化、固液分離、液體產(chǎn)品分餾和精制，液化大規(guī)模制備氫氣通常采用煤氣化或者天然氣轉(zhuǎn)化。煤炭氣化工藝：煤氣化泛指各種煤（焦）與載氧的氣化劑（O2、H2O、CO2）之間的一種不完全反應(yīng)，最終生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等組成的煤氣。煤炭氣化過程可通過各種不同的氣化爐實現(xiàn)現(xiàn)已工業(yè)化的先進技術(shù)包括殼牌（Shell）的煤氣化過程（SCGP）德士古（Texaco）的煤氣化過程（TCGP）德國未來能源公司的粉煤氣化（GSP）魯奇（Lurgi）固定床加壓氣化煤基液體燃料（Coaltoliquid，CTL）一類是以煤為原料生產(chǎn)燃料油，包括煤直接液化制油和間接液化制油；一般情況下，在國內(nèi)這種技術(shù)路線也被稱為煤制油；另一類是以煤為原料生產(chǎn)石油替代燃料，現(xiàn)階段的主要形式是煤制甲醇和二甲醚發(fā)展煤基燃料是補充石油基燃料缺口的最好途徑煤制天然氣：煤間接甲烷化技術(shù)在國內(nèi)外已成功應(yīng)用，但以煤為原料一步法生產(chǎn)甲烷的技術(shù)雖在國外已有報道，但在國內(nèi)仍處于起步階段。目前較為成熟的技術(shù)包括美國巨點能源公司開發(fā)的一步法煤制天然氣技術(shù)，又稱“藍氣技術(shù)”；丹麥托普索公司推出的TREMP技術(shù)；中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)的M3482A型常壓耐高溫煤氣直接甲烷化工藝等美國大平原廠是目前世界上唯一的規(guī)?；褐萍淄楣S2008年11月,新奧集團煤基甲烷項目投料的試車成功表明煤基甲烷化的可行性2.多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)定義1：以煤氣化技術(shù)為“龍頭”的多種煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，通過優(yōu)化組合集成在一起，以獲得多種高附加值的化工產(chǎn)品和多種潔凈的二次能源（氣體燃料、液體燃料、電等）定義2：是指從單一設(shè)備中產(chǎn)生的合成氣來聯(lián)產(chǎn)多種化工產(chǎn)品、液體燃料（甲醇、FT燃料、二甲醚和城市煤氣等）、氫氣以及用于工藝過程的熱和電。定義3：從單一煤氣化裝置中產(chǎn)生的合成氣來進行跨行業(yè)、跨部門的聯(lián)合生產(chǎn)，以得到多種具有高附加值的化工產(chǎn)品（如甲醇、二甲醚等）、液體和氣體燃料（如FT燃料、城市煤氣、人工天然氣等）、其他工業(yè)氣體（如CO2、H2、CO等），以及充分利用工藝過程的熱并進行發(fā)電的能源系統(tǒng)2.多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的特點通過技術(shù)路線組合優(yōu)化，不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟效益，而且能夠通過公共設(shè)施等合并降低工程建設(shè)的比投資，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的盡可能優(yōu)化有利于污染物的集中、綜合治理，降低環(huán)保費用系統(tǒng)通過技術(shù)路線組合，可以有效提高系統(tǒng)整體的能源利用效率循環(huán)流化床燃燒（CFBC）技術(shù)：CFBC(CirculatingFluidizedBedCombustion）是指小顆粒的煤與空氣在爐膛內(nèi)處于流態(tài)化的沸騰狀態(tài)下，即高速富氧氣流與所攜帶的稠密懸浮煤顆粒充分接觸燃燒的技術(shù)。流化床燃燒方式的特點是:清潔燃燒，脫硫率可達80%～95%，NOx排放可減少50%；燃料適應(yīng)性強，特別適合中、低硫煤；燃燒效率高，可達95%～99%；負荷適應(yīng)性好，負荷調(diào)節(jié)范圍30%～100%。增壓流化床（PFBC）燃燒技術(shù)：PFBC是增壓流化床燃燒技術(shù)(PressurizedFluidizedBedCombustion)的英文縮寫其重要特點是燃燒與脫硫效率高在壓力為10～16個大氣壓的燃燒室中，空氣和加入的煤進行激烈的燃燒反應(yīng)，床溫控制在850～900℃范圍內(nèi)。燃燒生成的SO2與加入流化床內(nèi)的石灰石(或白云石)反應(yīng)生成CaSO4，達到脫硫效果。該反應(yīng)過程能除去煙氣中90%以上的SO2。由于床內(nèi)燃燒溫度較低，只有燃料中的氮轉(zhuǎn)化成NOx，空氣中的氮很少轉(zhuǎn)化生成NOx。因此,NOx的排放無需再增加特殊設(shè)備，PFBC-CC電站的污染排放物即可大幅度減少。在流化床中，由于煤的濃度很低，每一個顆粒燃料都能被熾熱的惰性物料所包圍，并且和助燃劑（空氣）接觸條件良好。因此，在常規(guī)爐中不易穩(wěn)定燃料的劣質(zhì)煤，在流化床中亦能穩(wěn)定燃燒。煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)：IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是將煤氣化技術(shù)和高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)相發(fā)電相結(jié)合的先進動力系統(tǒng)。超臨界與超超臨界發(fā)電技術(shù)：超臨界發(fā)電技術(shù)(Supercriticalpowergeneration，SPG)超超臨界發(fā)電技術(shù)(Ultrasupercriticalpowergeneration，USPG)鍋爐內(nèi)的工質(zhì)都是水，燃煤發(fā)電是通過產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣來推動汽