煤的清潔利用技術的現(xiàn)狀

1、煤的潔凈燃燒與高效利用技術摘要：煤炭是我國的主要基礎能源，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研究背景，重點論述了燃燒前的凈化加工技術、燃燒中的凈化燃燒技術和燃燒后的凈化處理技術，以及煤的高效利用技術等。列出了潔凈燃燒與高效利用技術的特點，提出了幾點我國發(fā)展?jié)崈羧紵c高效利用技術的建議措施。關鍵詞：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。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)，以煤為主的能源結構不會發(fā)生根本性轉變。20世界80年代中期，潔凈煤技術在美國興起，潔凈煤技術是指在煤開采、加工轉化、燃燒等方面減少污染和提高利用效率的新技術的總稱。潔凈煤燃燒技術是國際上目前最先進的燃燒技術2，該技術能夠較好地解決環(huán)保問題和節(jié)能問題，發(fā)展和推廣這一新技術，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)模式轉變的關鍵戰(zhàn)略措施之一，它是改變我國目前能源結構的主要措施，已受到國家的高度重視。一、煤的潔凈燃燒技術煤的潔凈燃燒技術主要包括燃燒前的

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

4、比重最大。目前，由我國自行研制開發(fā)的洗選設備已滿足4 Mt/a 選煤廠建設的需要，跳汰機、重介質分選機、無壓入料重介質旋流器、浮選機等許多設備已形成系列，接近或達到國際先進水平。（2）型煤加工技術型煤是用一種或數(shù)種煤按照本身特性經(jīng)科學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式為：CaO + SO2 + 2H2O = CaSO3·

5、;2H2O我國型煤技術的發(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）水煤漿技術水煤漿技術是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已經(jīng)在國際上處于領先地位，并達到產(chǎn)業(yè)化推廣應用階段。（二）燃燒中的凈化燃燒技術燃燒中的凈化燃燒技術主要是流化床燃燒技術和先進燃燒器技術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，能燒劣質煤

7、；先進燃燒器技術是指改進鍋爐、窖爐結構與燃燒技術，減少二氧化硫和氮氧化物排放量的技術。（三）燃燒后的凈化處理技術燃燒后的凈化處理技術主要有消煙除塵、脫硫脫氮技術4-5。（1）除塵技術，常用的除塵器有旋風除塵器、靜電除塵器和布袋除塵器等，除塵技術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，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，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，包括選擇性催化還原(SCR)、選擇性非催化還原(SNCR)技術

8、等，SCR技術是在鍋爐尾部安裝SCR反應器，使用催化劑使NOx還原為氮氣，其脫硝效率可達90%以上；SNCR技術是在鍋爐尾部適當?shù)奈恢眉皽囟葒娙税被蚰蛩兀瑢Ox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化。高效燃燒是將煤作為燃料使用，可將煤的化學能轉化熱能直接加以利用和將煤的化學能先轉化為熱能再轉化電能加以利用兩種方式。 圖2 煤的高效利用技術（一）煤的氣化技術煤的氣化6是指煤在特定的設備內(nèi)，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑發(fā)生一系

9、列化學反應，將固體煤轉化為含有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：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，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，進行化學反應和熱量傳遞。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，二氧化碳的還原反應，水蒸氣分解反應，水煤氣變換反應。通過上述化學反應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)點是煤種適應性強，原料煤的粘結性，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備，同時為回收煤氣中的余熱及灰塵也需要復雜的余熱回收及除塵設

12、備，因此設備投資較高。（二）煤的液化技術煤的液化技術是將固體煤轉化為液體燃料、化工原料和產(chǎn)品的先進潔凈煤技術?？煞譃槊旱闹苯右夯夹g和煤的間接液化技術7-8。（1）煤的直接液化技術煤的直接液化技術是將固體煤在高溫高壓下與氫反應，使其降解和加氫從而轉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）煤的間接液化技術煤的間接液化技術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上實現(xiàn)合成汽油；反應壓力為3MPa，低于直接液化，反應溫度為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)電技術煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術9是指煤、水蒸氣和氧氣在氣化爐中反應產(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)電技術燃煤磁流體發(fā)電技術10亦稱為等離子體發(fā)電，它是磁流體發(fā)電的典型應用，當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成,燃燒室提供高溫高速導電流體，傳統(tǒng)動力裝備的兩段能量轉換過程是在同一個設

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的熱能機械能轉換功能和發(fā)電機所承擔的機械能電能轉換功能集于一身，而且主要部件都不是轉動設備，磁流體發(fā)電技術的發(fā)展無疑將導致發(fā)電設備的革命。三、總結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能源,煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展關系到國民經(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)展模式的轉變，具有十分重要的意義。因此

16、，必須受到高度重視。應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，保證其新技術的推廣應用。（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；加快研發(fā)以煤為基礎的煤氣、煤電熱和煤化工等多聯(lián)產(chǎn)技術。提高煤炭綜合開發(fā)利用的質量，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.高效清潔煤炭轉化技術現(xiàn)狀J.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(11):42-43.3呂俊復,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