煤的清洁利用技术的现状

煤的洁净燃烧与高效利用技术摘要：煤炭是我国的主要基础能源，如何实现其洁净燃烧与高效利用，对我国的能源政策和能源安全、经济可持续发展等均具有十分重要的意义。本文首先阐述了煤的洁净燃烧与高效利用技术研究背景，重点论述了燃烧前的净化加工技术、燃烧中的净化燃烧技术和燃烧后的净化处理技术，以及煤的高效利用技术等。列出了洁净燃烧与高效利用技术的特点，提出了几点我国发展洁净燃烧与高效利用技术的建议措施。关键词：煤炭；洁净燃烧；高效利用引言煤是世界上最丰富的化石燃料资源，是除石油以外的世界第二大需求能源。煤的含量高，氢含量少（只有5%）。此外，还含有少量的氮、硫、氧等元素，以及无机矿物质。煤燃烧后排放的粉尘、SO2、NOx、CO、CxHy、CO2等对大气环境造成了严重污染和破坏[1]。我国化石燃料的特点是贫油少气富煤，在未来30至50年内，以煤为主的能源结构不会发生根本性转变。20世界80年代中期，洁净煤技术在美国兴起，洁净煤技术是指在煤开采、加工转化、燃烧等方面减少污染和提高利用效率的新技术的总称。洁净煤燃烧技术是国际上目前最先进的燃烧技术[2]，该技术能够较好地解决环保问题和节能问题，发展和推广这一新技术，将成为我国促进以煤为主的能源系统向资源节约和环境无害的可持续模式转变的关键战略措施之一，它是改变我国目前能源结构的主要措施，已受到国家的高度重视。一、煤的洁净燃烧技术煤的洁净燃烧技术主要包括燃烧前的净化加工技术、燃烧中的净化燃烧技术和燃烧后的净化处理技术[3]。图1煤的洁净燃烧图解（一）净化加工技术燃烧前的净化加工技术主要包括洗选、型煤加工和水煤浆技术。（1）煤洗选技术煤洗选是利用煤和杂质（矸石）的物理、化学性质的差异，通过物理、化学或微生物分选的方法使煤和杂质有效分离，并加工成质量均匀、用途不同的煤产品的一种加工技术。选煤方法可分为物理选煤、物理化学选煤、化学选煤及微生物选煤等。物理选煤和物理化学选煤技术是实际选煤生产中常用的技术，一般可有效脱除煤中矿物质和无机硫（黄铁矿硫），化学选煤和微生物还可脱除煤中有机硫。我国主要选煤方法以跳汰、重介质和浮选3种工艺为主，其中重介质洗选生产工艺占的比重最大。目前，由我国自行研制开发的洗选设备已满足4Mt/a选煤厂建设的需要，跳汰机、重介质分选机、无压入料重介质旋流器、浮选机等许多设备已形成系列，接近或达到国际先进水平。（2）型煤加工技术型煤是用一种或数种煤按照本身特性经科学配合掺混一定比列的黏合剂、固硫剂、膨松剂等经加工成具有一定集合形状和有一定的物化性能（冷强度、热强度、热稳定性、防水性等）的块状燃料或原料。型煤技术的节能和环境效益十分显著，型煤固硫剂多以生石灰、石灰石、白云石等为原料，其主要固硫成分是CaO，可有效降低煤燃烧过程中的SO2排放。脱硫剂为生石灰的总反应式为：CaO+SO2+2H2O=CaSO3·2H2O我国型煤技术的发展比较缓慢，起步也比较晚，20世纪50年代后期，我国开始研究民用型煤，直到20世纪六七十年代，国内才开展了大规模的民用型煤研究。目前，我国型煤主要包括工业型煤和民用型煤两大类。工业型煤包括工业锅炉用型煤、蒸汽机车用型煤、煤气发生炉用型煤等；民用型煤包括蜂窝煤和煤球。（3）水煤浆技术水煤浆技术是20世纪70年代世界范围内的石油危机中产生的一种以煤代油的煤利用新方式。其主要技术特点是将煤、水、部分添加剂加入球磨机中，经磨碎后成为一种类似石油一样的可以流动的煤基流体燃料。水煤浆具有较好的流动性和稳定性，可以像石油产品一样储存、运输，并且具有不易燃、无污染的优良特性，是目前比较经济的清洁煤代油燃料。近年来，我国水煤浆技术迅速发展，水煤浆制浆用原煤范围进一步扩宽，从长烟煤、褐煤到贫煤和无烟煤，特别是低阶煤制高浓度水煤浆获得较大成功。2008年，制浆能力达2000万t/a（不包含气化用水煤浆3500万t/a），最大水煤浆厂规模达到100万～200万t/a。目前，我国自行研制的水煤浆燃烧技术已经在国际上处于领先地位，并达到产业化推广应用阶段。（二）燃烧中的净化燃烧技术燃烧中的净化燃烧技术主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术[3]。流化床又叫做沸腾床，有泡床和循环床两种，由于燃烧温度低可减少氮氧化物排放量，煤中添加石灰可减少二氧化硫排放量，炉渣可以综合利用，能烧劣质煤；先进燃烧器技术是指改进锅炉、窖炉结构与燃烧技术，减少二氧化硫和氮氧化物排放量的技术。（三）燃烧后的净化处理技术燃烧后的净化处理技术主要有消烟除尘、脱硫脱氮技术[4-5]。（1）除尘技术，常用的除尘器有旋风除尘器、静电除尘器和布袋除尘器等，除尘技术中主要是采用各种高效除尘系统进行有效除尘，其中静电除尘器和布袋除尘器的效率都可达99%以上。（2）脱硫技术，有干法和湿法之分。干法是用浆状石灰喷雾与烟气中二氧化硫反应，生成干燥颗粒硫酸钙，用收尘器收集；湿法是用石灰水淋洗烟尘，生成浆状亚硫酸钙排放，它们的脱硫效率可达95%以上。（3）脱硝技术，包括选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)技术等，SCR技术是在锅炉尾部安装SCR反应器，使用催化剂使NOx还原为氮气，其脱硝效率可达90%以上；SNCR技术是在锅炉尾部适当的位置及温度喷人氨或尿素，将NOx还原为氮气，降低氮氧化物排放，其脱硝率可达80%以上。二、煤的高效利用技术煤的高效利用是根据终端需要，将经过洁净加工的煤作为燃料或原料使用，从而实现煤资源的宝贵价值。煤的高效利用包括高效燃烧和高效转化。高效燃烧是将煤作为燃料使用，可将煤的化学能转化热能直接加以利用和将煤的化学能先转化为热能再转化电能加以利用两种方式。图2煤的高效利用技术（一）煤的气化技术煤的气化[6]是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4、等可燃气体和CO2、N2等不可燃气体的过程。煤经气化后无烟、无硫、无灰，可大大减少环境污染。煤在气化过程中主要发生以下反应：CxHyOzC+H2+COC+H2OCO+H2C+CO2COCO+H2CH4+H2OCO2+O2CO2CO+O2CO2CH4+O2CO2+H2O按煤和气化剂在气化炉中的流体力学状态分类，气化方法可分为三大类：固定床气化法、流化床气化法气、流床气化法。（1）固定床气化法固体气化原料在高温下与气化剂发生氧化还原反应，产生以H2、CO和CH4为有效气体的煤气，气化炉内原料床层相对稳定或随着原料的消耗缓慢向下移动。固体原料由气化炉顶加入，灰渣从气化炉底排除，气化剂由炉底通过炉栅送入炉内，生成的煤气由炉顶导出。（2）流化床气化法采用0～10mm的小颗粒煤作为气化原料，气化剂为蒸气/空气或蒸气/氧气，气化剂自下而上经过床层。依据原料的力度分布和湿度，控制气化剂的流速，使床内原料煤全部处于流化状态，在剧烈搅动和回混中，煤粒和气化剂充分接触，进行化学反应和热量传递。利用碳燃烧放出的热量，使煤粒干燥干馏和气化。流化床气化炉内，主要进行的是碳的燃烧反应，二氧化碳的还原反应，水蒸气分解反应，水煤气变换反应。通过上述化学反应生成的煤气夹带大量细小微粒(其中70%为灰渣和部分未反应完全的碳粒)由炉顶离开气化炉，部分密度较重的渣粒由炉底排出。（3）气流床气化法气化剂(氧气和水蒸气)夹带着煤粉或煤浆，通过特殊喷嘴送入炉膛内，在高温辐射作用下，氧煤混合物瞬间被点燃，并迅速燃烧，燃烧使煤粒干馏并且使干馏产物分解，同时煤焦被气化，生成CO和H2等组成的煤气和熔渣的气化过程。气流床气化的显著优点是煤种适应性强，原料煤的粘结性，机械强度，热稳定性等对气流床气化过程几乎没有影响。它还具有气化温度高，强度大，煤气不含焦油等优点。但由于气流床气化要求使用尽可能细的煤粉（70%到80%煤粒＜200网目），故需要庞大的制粉设备，同时为回收煤气中的余热及灰尘也需要复杂的余热回收及除尘设备，因此设备投资较高。（二）煤的液化技术煤的液化技术是将固体煤转化为液体燃料、化工原料和产品的先进洁净煤技术。可分为煤的直接液化技术和煤的间接液化技术[7-8]。（1）煤的直接液化技术煤的直接液化技术是将固体煤在高温高压下与氢反应，使其降解和加氢从而转化为液体油类的工艺，又称加氢液化。煤直接液化可生产洁净优质汽油、柴油和航空燃料，工艺流程如图3所示。该工艺是把煤先磨成粉，再和自身产生的液化重油（循环溶剂）配成煤浆，在高温（450℃）和高压（20-30MPa）下直接加氢，将煤转化成汽油、柴油等石油产品。1t干燥无灰煤可产500～600kg油，加上制氢用煤，3～4t原煤可产1t成品油。图3煤的直接液化工艺流程简图（2）煤的间接液化技术煤的间接液化技术是先将煤气化成合成气（氢气和一氧化碳），然后在催化剂作用下合成燃料油、化工原料和产品。其工艺流程如图4所示。煤的简介液化工艺具有以下特点：①适用煤种比直接液化广泛；②可以在现有化肥厂已有气化炉的基础上实现合成汽油；③反应压力为3MPa，低于直接液化，反应温度为550℃，高于直接液化；（油收率低于直接液化，5～7t煤才可产出1t油，所以产品油成本比直接液化高得多。图4煤的间接液化工艺流程简图（3）煤气化联合循环发电技术煤气化联合循环发电技术[9]是指煤、水蒸气和氧气在气化炉中反应产生中低热值粗煤气，经过净化装置除去粗煤气中的硫化物、氮氧化物、粉尘等污染物，变为洁净的气体燃料，燃烧后驱动燃气轮机进行发电，并且还利用高温粗煤气余热和烟气余热在废热锅炉内产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。它不仅提高了煤的有效利用率，还有优良的环保性能，为煤的洁净高效利用带来了光明。图5煤气化联合循环发电流程简图（4）燃煤磁流体发电技术燃煤磁流体发电技术[10]亦称为等离子体发电，它是磁流体发电的典型应用，当通过燃烧煤而得到的高温等离子体以高速流过磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，直流电经逆变为交流电送入交流电网。磁流体发电系统由燃烧室、磁体和发电通道三大主要部件构成,燃烧室提供高温高速导电流体，传统动力装备的两段能量转换过程是在同一个设备—处于磁场环境中的发电通道内发生的。因此，磁流体发电机的特点是,把传统火力发电厂的汽轮机所承担的热能——机械能转换功能和发电机所承担的机械能——电能转换功能集于一身，而且主要部件都不是转动设备，磁流体发电技术的发展无疑将导致发电设备的革命。三、总结推进煤炭高效清洁利用，发展绿色生态煤炭工业是我国实现可持续发展的必由之路。为了改变目前我国煤炭资源利用过程存在主要的问题，建议采取如下措施。（1）煤炭是我国重要的基础能源,煤炭工业可持续发展关系到国民经济和能源的安全大局。大力推进煤炭高效、清洁、节约、安全开发与利用，对保证发展生态和具有安全保障能力的能源体系，推进经济发展模式的转变，具有十分重要的意义。因此，必须受到高度重视。应该制定一套完善的煤炭高效清洁利用与监管的制度体系，保证其新技术的推广应用。（2）大力推广日趋成熟的煤炭高效洗选、燃前脱硫和烟气脱硫、循环流化床燃烧、煤炭直接与间接液化、大规模煤气化、煤制油及煤化工等技术；加快研发以煤为基础的煤气、煤电热和煤化工等多联产技术。提高煤炭综合开发利用的质量，培育煤炭企业新的经济增长点。（3）重视煤与煤伴生资源的综合开发、深度加工、清洁利用，发展生态煤炭工业；遵循“减量化、再利用、再循环”原则,加大矿井废水、煤研石、煤泥、粉煤灰、塌陷地等资源利用技术的研究开发与利用力度，真正实现变废为宝，循环利用。参考文献[1]于秀娥.我国能源安全的可行性战略选择[J].理论探索,2009(3):86-87.[2]程黎花.高效清洁煤炭转化技术现状[J].科技情报开发与经济,2006,16(11):42-43.[3]吕俊复,凌晓聪,于龙等.国产化200MW循环流化床锅炉方案研究[J].锅炉制造,2002(3):1-5.[4]苗江平.煤矿粉尘防治技术探讨[J].中小企业管理与科技.2009,5(4):283-284[5]赵毅,马双忱,黄建军等.烟气循环流化床同时脱硫脱氮试验研究[J].中国电机工程学报,2