国内外洁净煤技术现状及发展趋势
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国内外洁净煤技术现状及发展趋势
摘要：基于目前我国社会的经济发展和能源结构，指出本世纪中叶煤炭仍是我国主要的一次能源。论文分析了当前煤炭利用中存在的严重问题，阐述了国内外洁净煤技术现状及发展趋势，提出煤炭燃前分选的必要性和建立具有中国特色的大型坑口热—电联产是煤炭资源配置最优化、最经济和最清洁的能源战略。
关键词：洁净煤技术；坑口电站；选煤；脱硫降灰
1 背景
我国煤炭资源丰富，煤种齐全，煤炭保有储量约一万亿吨，石油与天然气资源储量有限。 煤炭在一次能源生产和消费结构中约占70%，从资源量分析，煤炭具有中长期保证能力。
本世纪前二十年中国的能源结构将是多种能源的组合；可再生能源(水能、风能、生物质能、太阳能等)将加速发展，但份额（水电除外）不会很大；核能（裂变）乐观估计不超过5%，争议较大；电煤的需求量将会达到煤炭产量的70%以上，工业和民用液体、气体燃料将有相当一部分来自煤的转化；仍有相当大部分的化工原料来源于煤。因此，尽管能源需求量不断增长，但根据中国的国情，煤炭在能源结构中仍占主导地位。
未来20年我国不仅将遭遇十分严重的能源“瓶颈”，而且还将面临因煤炭非洁净利用而造成的严重环境污染，形成对我国可持续发展的重大威胁。洁净煤技术是解决中国能源的必然选择，突破“瓶颈”，解决矛盾的出路之一是实施具有中国特色的大型坑口热—电联产战略。
洁净煤技术（Clean Coal Technology简称CCT）名词源于美国，1980年列入能源词典，它是针对燃煤造成的环境污染提出的技术对策，旨在减少污染物排放与提高利用效率的煤炭加工、转化、燃烧和污染控制技术的总称，是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一，也是高技术国际竞争的一个重要领城。CCT计划的目标是：确保可靠的电力供应、实现最低水平的污染物排放、实现煤的高效能量转换和确保2010年商业应用的可靠性；CCT计划的意义：满足电力增长的需要和加强污染物（SOX、NOX、温室效应气体、其它有害气体、固体与液体废料以及其它污染物）排放的控制。
实施洁净煤技术是中国能源的战略选择，它将解决三个方面的问题：(1)污染物及温室气体排放量的控制；(2)降低对进口石油的依存度；(3)提高利用效率。
洁净煤技术的构成：洁净开采技术、燃前加工与转化技术、燃中处理及集成技术和燃后处理技术。
洁净开采技术：煤层气的开发和利用、地质灾害防治、矿区和周边环境保护等；
燃前加工与转化技术：选煤、水煤浆、型煤、动力煤配煤；煤炭焦化、煤炭气化（含煤炭地下气化）、煤炭液化等；
燃中处理及集成技术：低污染燃烧、燃烧中固硫、流化床燃烧、循环流化床燃烧、增压流化床燃烧；整体煤气化联合循环发电（IGCC）、多联产、燃料电池等技术。如：法国大型的循环流化床燃烧（CFBC）锅炉电站，锅炉效率90.5%，脱硫率93%，NOx排放低于250mg/Nm3。
燃后处理技术：烟气净化、灰渣处理等。如：静电除尘的除尘效率高达99.9%；电子束烟气脱硫率>90%。
煤炭在世界能源生产和消费中的比例约占四分之一，仅次于石油，而在我国却占65%以上，其中一半以上的煤炭都用来发电。截至2005年底，我国发电装机总容量达到5.08亿千瓦，其中，煤电机组占71%，燃煤发电量占79%。洁净煤技术在燃煤发电企业中的应用，对提高环境质量、利用效率，实现节能降耗的目标有着不可估量的作用。世界能源委员会的一份最新研究报告认为：对于主要煤炭消费国来说，今后几十年内，从煤炭中提取的合成气体、液体和氢将是重要的长期能源供应来源。该报告预测说，到2030年，全球约72%的发电将使用洁净煤技术。美国是煤炭生产和消费大国，其一半以上的电力来自煤炭发电。因此，美国政府高度重视洁净煤技术的开发和应用。据美国能源基金会的专家介绍，美国政府制定了“洁净煤发电计划”，其目的是到2018年使燃煤发电厂排放的硫、氮和汞减少近70%。2004年，美国能源部已选定8个项目作为该计划的支持对象。目前西方的能源公司最感兴趣的是煤炭气化技术，煤炭气化技术是将煤炭转化为清洁的燃气，再用于发电和其他用途。煤炭气化技术特别是“集成气化联合循环”技术今后会得到广泛应用，“集成气化联合循环”技术是把煤炭转化为燃气并经过去污设备过滤后再使用，从而提高燃气的能效并减少氮氧化物、二氧化硫和汞的排放量。目前美国已有7个大规模的煤炭气化项目在运营。
二氧化硫、氮氧化物和粉尘是我国大气的主要污染物，据统计，90%的二氧化硫、60%的氮氧化物和70%的粉尘，都是由于燃烧煤炭造成的。而通过洁净煤技术，一般可以除去烟气中92%以上的二氧化硫，90%以上的氮氧化物和99%以上的粉尘颗粒。
在脱硫方面，燃中处理是采用循环流化床燃烧技术，就是把生石灰（CaCO3）磨成细粉，与炉膛中的煤粒按照一定比例混合，当锅炉工作时，炉膛内的煤粒和石灰粉上下翻滚，在温度为摄氏800度左右的循环流化床锅炉内，这种技术可以除去煤炭中80%左右的硫，效果显著且成本相对较低。湿法烟气脱硫技术是在锅炉排放尾气端，安装一个特别的脱硫装置。在这个装置里，水雾状碱性的熟石灰水由上往下喷出，与尾气中的二氧化硫发生反应达到脱硫的目的。湿法脱硫不仅是一种高效的脱硫方式，可以除去尾气中95%的二氧化硫，而且生成的硫酸钙也能收集提纯，成为有用的化工原料。不过，这两种技术都有一定局限性。前者目前还不能适用大型电站锅炉，脱硫效率相对较低。而后者成本较大，不仅需要专门建设一个“洗涤器”，整个装置的运行还需要消耗大量的石灰和电能。
在除硝方面，空气分段燃烧技术在国内已成功运用。它就是在燃烧初期阶段通过缺氧燃烧，煤炭中的氮元素会转化为无害的氮气，而不会变成氮氧化物。然后才在炉膛内补入氧气，使煤炭得到充分燃烧，藉此可以降低尾气中30%至40%的氮氧化物含量。目前这种方法已在苏州望亭电厂和镇江谏壁电厂成功应用，降低了40%的氮氧化物排放。上海外高桥电厂一台30万千瓦燃煤发电机组还将在空气分段的基础上实现智能化控制。与空气分段燃烧技术有着除硝作用的是燃料再燃技术。在炉膛上部注入天然气、石油气、超细煤粉甚至生物质，也可将氮氧化物分解成无害的氮气，这种方法正处于实验阶段，可以减少尾气中近70%的氮氧化物含量。脱硝的最后一道“防线”是选择性催化还原脱硝技术。利用具有还原性的氨气与具有氧化性的氮氧化物发生反应，最后得到无害的氮气。这种技术可以降低90%以上的氮氧化物含量，但非常昂贵，运用这种技术脱硝需要专门建造设备，尤其是采用昂贵的催化剂，投资成本大。而且催化装置一般三年内就要更换一次，维护费用也相当高。
静电除尘是目前利用最为广泛的除尘方式，这种方式可以除去烟气中95%的粉尘颗粒，但它对直径小于2.5微米的颗粒就无法除去。湿法烟气脱硫可以去除这些细小烟尘，对于静电除尘来说是一个很好的补充。
燃煤电站一般由备煤、蒸汽锅炉、发电机组、脱硫及烟气净化装置组成。煤质改善对电站生产能力、开工率与效率均有提高，降低发电成本，减少SO2和有毒痕量元素排放量。这方面的实例国内外都有。
燃煤技术方面超临界火电机组是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。提高蒸汽初参数一直是提高这类火电厂效率的主要措施。当蒸汽压力提到高于22.1MPa时就称为超临界机组，如果蒸汽初压力超过27MPa，则称为超超临界火电机组。目前一些发达国家中，超临界和超超临界机组巳是火电结构中的主导机组或是占据一个举足轻重的比例。超临界燃煤技术可以显著提高煤炭的使用效率，减少使用量，由此产生的污染物也相对减少，从而达到了煤的高效洁净利用。亚临界锅炉内产生的水蒸汽温度是摄氏540度左右，而目前超超临界燃煤技术产生的水蒸汽温度可以达到摄氏600度，在这种温度和压力下的水蒸汽通过蒸汽轮机，可以显著提高转换效率。以超临界化为特点的对火电结构的更新换代早在20世纪的中叶就已开始。超临界化可以说是火电发展的一种模式，是被多国实践证明的成功模式。亚临界煤电转换效率一般达到36%至38%，超临界可提高近10%。未来的10至15年内，通过更优化的设计和新材料的运用，转换效率将达到近58%。如果全国燃煤电厂都采用该技术发电，每年可节约原煤2亿多吨。2004年国家发展与改革委明确要求，在缺乏煤炭资源的东部沿海地区，优先规划建设发电煤耗不高于275克标准煤/千瓦时的燃煤电站，这是超超临界机组的发展政策要求。因此，超超临界机组将会在东部得到快速发展。当然，这项燃煤技术是一项投资大、运行成本高的技术，国家需要结合国情逐步地积极开展起来。
2 国内外洁净煤技术现状与发展趋势
2. 1 国外洁净煤技术现状与发展趋势
1986年3月美国率先推出“洁净煤技术示范计划（CCTDP）”，将有效地控制SOX、NOX、温室效应气体、其它有害气体、固体和液体废料以及其它污染排放物，示范计划主要包含四个方面： (1)先进的燃煤发电技术（整体煤气化联合循环发电－IGCC、常压和增压流化床燃烧、燃料电池、磁流体、烟气燃气轮机）；
(2)污染物排放的有效控制装置（先进的烟气脱硫技术、先进的NOX 与SOX联合脱除系统、低NOX 燃烧器、催化和非催化脱除NOX 系统、燃气和煤的再燃技术、吸附射流系统）；(3)煤炭加工成洁净能源技术（选煤、煤加工、温和气化、气化、液化）； (4)工业应用（冶金、水泥及造纸行业控制硫、氮、灰尘排放和烟气回收洗涤等）。 该计划已有13项取得初步商业化成果。
欧共体国家的“兆卡计划”正在研究开发的项目有煤气化联合循环发电（IGCC），煤和生物质及废弃物联合气化（或燃烧），循环流化床燃烧，固体燃料气化与燃料电池联合循环技术等。
日本的“新阳光计划”和“21世纪煤炭技术战略”近年来开始较大幅度的增加煤炭的消费量，发展洁净煤技术成为热点。正在开发的项目包括 ：(1)提高煤炭利用效率的技术，如IGCC、CFBC和PFBC；(2)脱硫、脱氮技术，如先进的煤炭分选技术，氧燃烧技术，先进的废烟处理技术，先进的焦炭生产技术等；(3)煤炭转化技术，如煤炭直接液化，加氢气化，煤气化联合燃料电池和煤的热解等；(4) 粉煤灰的有效利用技术。
2．2 国内洁净煤技术现状与发展趋势
我国围绕提高煤炭开发利用效率、减轻对环境污染开展了大量的研究开发和推广工作。随着国家宏观发展战略的转变，洁净煤技术作为可持续发展和实现两个根本转变的战略措施之一，得到政府的大力支持。1995年国务院成立了“国家洁净煤技术推广规划领导小组”，组织制定了《中国洁净煤技术“九五”计划和2010年发展纲要》，并于1997年6月获国务院批准。
中国洁净煤技术计划框架涉及四个领域（煤炭加工、煤炭高效洁净燃烧、煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理），包括十四项技术，即：煤炭分选、型煤、水煤浆；循环流化床发电技术、增压流化床发电技术、整体煤气化联合循环发电技术；煤炭气化、煤炭液化、燃料电池；烟气净化、电厂粉煤灰综合利用、煤层甲烷的开发利用、煤矸石和煤泥水的综合利用、工业锅炉和窑炉。
煤炭加工——选煤是一项最经济有效的清洁煤生产技术，应当作为洁净煤技术全过程的一个基础，通过对原煤的分选，脱除大部分灰分和硫分，对不同质量的产品分别利用，对脱除的尾矿集中治理。但是，我国原煤入选比例较低，2005年我国原煤入选比例约30%，而动力煤入选比例约14%，发达国家原煤入选比例为60～100%。
