中國清潔煤技術發展中的若干問題

一、煤炭在我國能源工業和環境保護中的地位

能源和環境是目前人類面臨的重要問題，處理好這些問題，對于人類生存和社會的可持續發展有著重要的意義。

中國是****上****的煤炭生產國和消費國，圖1給出了我國建國后一次能源消耗的結構變化。目前煤炭占我國能源需求總量的75%左右，大大超出了27%的****平均水平。由圖2所示的****一些主要****中煤炭在能源結構中的比例可看到，中國是****上少數以煤為主要能源的****之一。隨著我國對核能、水、電和新能源的開發利用和發展，能源結構會有些改變。但預計到本世紀中，煤炭在能源中的比重仍將高于50%。

 

與其他能源相比，煤炭是一種低品位、高污染的能源，在其開采、運輸、轉化和利用的各環節中都會對生態環境造成很大的危害，是我國目前****的污染源之一。我國在煤燃燒過程中所排放的主要大氣污染物，如二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳和粉塵等，總量約占整個燃料燃燒的96%。隨著我國經濟的迅速發展，煤炭消耗量不斷增加，污染物排放總量也隨之增加，如，1998年全國的二氧化硫排放總量已達到2090萬噸，取代美國(1600萬噸))而成為****二氧化硫排放****的****。

二、煤的結構

煤是由遠古死亡植物殘骸沒入水中經過生物化學作用，然后被地層覆蓋并經過地質化學作用形成的有機生物巖，是有機與無機化合物的混合體。由于生成的地質年代不同，造成了煤的組分也不同，但其基本元素成份為碳、氫、氧、氮、硫。此外，還包括一些成灰元素(如硅、鋁、鐵、鈣、鎂、堿金屬)和一些微量重金屬，如汞、硒等。煤中的有機成份是以官能團的形式出現的，包括羥基、羧基、羰基、甲氧基等。煤的化學結構模式可由圖3的示意圖來表示。

 

由圖可知環烴和鏈烴為煤的主要組成部分。煤在熱轉換過程中，烴中的弱鍵斷裂形成氣體或液體逸出。如果能在煤的轉化過程中提取部分液體環烴，則煤轉化過程中產品的品位就會大大的提高。

三、現有煤炭轉化技術及其問題

目前煤炭的轉化主要有三種方式：直接燃燒、氣化和液化。其過程簡圖如圖4所示。

 

1.煤炭燃燒

我國煤炭利用的主要形式為直接燃燒，約占總用煤量的80%。而煤直接燃燒的一半左右用于中小燃煤設備，其問題之一為熱效率低，如工業爐窯的熱效率中有40%左右，而工業及供暖鍋爐的熱效率也僅為60%左右。問題之二為對環境的污染極其嚴重。由于小型燃煤設備上沒有污染物排放控制手段，其排放量要比大型燃燒設備高得多。大型燃煤設備如電站鍋爐的轉換效率比小型設備高。目前發達****煤發電的效率可達45%以上，而我國的煤發電效率只有30%左右，而且其污染物如SO2、NOx、CO等的治理措施還有待解決。由此可見，解決煤炭直接燃燒的問題是煤潔凈****轉換的首要問題。從理論上看，將煤炭直接燃燒產生熱能來利用的****缺陷在于該過程將高品位能降至極低品位的熱能來利用。如同用高溫高壓蒸汽來供暖。而目前煤炭利用的現狀即在近期內以燃燒為主的局面不可能有大的變化，因此，現有燃燒設備的改進是提****率、降低污染的一個方向。同時，對于新設備應采用新的轉化技術，逐漸改變煤炭利用的現有格局。

2.氣化

煤炭氣化是利用固體煤來產生氣體燃料或產品的過程，與煤的直接燃燒相比，氣化具有較大的優越性。首先，在轉化過程中燃料的品位不僅沒有降低，而且略有升高。所產生的氣體不僅可以作為燃料還可以作為化工原料。其次，與固體煤相比，氣體燃料在燃燒過程中其燃燒效率高，污染低，可作為民用燃料。然而，完全氣化過程需要較苛刻的條件，即較高的溫度，同時半焦的完全氣化需要較長的時間，加上在高溫氣氛下半焦的失活，造成不完全氣化。其結果是氣化爐的結構復雜、造價高。

 

為解決這些問題，目前各國正在對整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電技術進行深入的研究(如5所示)。該技術的商業化可望提高煤炭的轉化效率。但目前煤氣的高溫凈化這一關鍵技術問題還沒有得到完全解決。同時，我國目前的燃氣輪機還需要依賴進口。因此，該項技術不能完全符合我國的基本國情。

3.液化

煤炭液化是通過化學加工轉化為液體產品，包括液體燃料和化工原料的過程。煤炭液化可以通過二種方法來實現：直接液化和間接液化。

煤炭的直接液化是使煤在高壓、高溫條件下，通過加氫使煤中的有機成份直接轉化為液體燃料和化工原料(如圖4中所示)。直接液化具有液體轉化率高的優點，但由于其產率依賴于煤的結構，煤種適應性較差。同時，其過程在高壓、高溫條件下加氫進行，苛刻的總體操作條件使產品的成本提高。目前還無法與相似石油化工產品相競爭。

煤炭間接液化是將煤氣化后，再經過催化合成為液體產品。煤炭的間接液化的優點在于其煤種適應性較寬，操作條件較溫合，同時，硫、氮和灰等污染先驅物可在氣化過程中脫除。但該過程包括氣化和合成二個過程，即先將煤中的高碳成分降成一碳，然后再合成為高碳液體。故其總效率低、產品的選擇性差。

由以上分析可以看出，對于作為混合體的煤進行單一轉化方法處理具有如下問題：

●轉化效率低

●轉化后產品品位下降

●污染物治理量大

●工藝條件苛刻

●相對投資高

因此，應根據煤炭的結構來開發煤的潔凈****轉化新技術。

四、我國潔凈煤技術發展方向

煤是有機物與無機物的混合體。由圖3中所示的煤結構簡圖及其在熱解過程中結構變化，我們可看到，固體煤在加熱后可同時產生氣、液及固體產品。因此，采用單一的轉化方式不符合煤的熱轉換特性。所以，潔凈煤技術發展的趨勢將是綜合利用。通過綜合利用達到提高轉化效率、減少污染物的生成，提高產品的品位，對產品進行分級利用，提高經濟效益的綜合目的。如前所述，我國目前煤炭利用以燃燒為主的格局，在近期內不可能有較大的變化。因此，潔凈煤技術的發展應包括二個方面，即新技術的開發和現有技術的改進。在此，作者將從過程分析的角度出發，重點討論新技術的開發同時也對現有技術的改造進行簡略的討論。

技術進步依賴于基礎理論研究成果。根據潔凈煤轉化技術發展方向，以下方面的基礎理論研究應得到加強：

●煤熱解、氣化和燃燒的機理

●煤的催化轉化機理

●煤轉化過程中污染物的生成機理

●煤轉化系統集成

●放大技術

五、潔凈煤轉化新技術

1.多聯供

多聯供是在燃料過程中，產生不同的產品，根據其品位進行分級利用，提高整體轉換效率。**簡單的多聯供為熱電聯供，與單純發電相比，其總體效率有明顯的提高。再如IGCC采用燃氣輪機和蒸汽機聯合循環的方法提高整體發電效率。

選擇適合于我國的多聯供系統首先要從我國一次能源的現狀入手。我國是一個富煤、少油、貧氣的****，同時也是一個發展中****。如前所述，大量的煤用于家庭采暖和炊用，效率低、污染高。如將煤改為氣體燃料，可大大減小環境污染問題。目前中央和地方政府已開始在城市實施家用能源結構的調整，這一結構調整需要充足的城市煤氣。從這一角度考慮，用煤轉化產生的煤氣作為民用燃料比用于燃氣輪機發電更適于中國國情。而煤在熱解時將產生部分液體產品，如果能利用這些產品，可以部分緩解我國石油供需矛盾問題。因此，發展煤轉化的氣、油、熱、電四聯供技術將更符合于中國的國情。中國科學院化工冶金研究所郭慕孫院士提出的煤炭拔頭新工藝將為煤炭轉化的四聯供提供了一條可行的途徑[1]。其工藝思路由圖6所示。煤經過快速熱解產生的油氣經過快速冷卻將油、氣分離。由于快速熱解、快速冷卻，避免了熱解產品的二次裂解和二次聚合反應，提高了油產率，同時降低重焦油量。

 

如前所述，傳統的煤轉化過程，如氣化，將煤中的碳氫化合物組分降至一碳。這樣就使得一些高品位的環烴如苯、甲苯、酚等降級。而拔頭工藝的創新點在于它創造了一個能直接提取高品位碳氫化合物的工藝，分離后的煤氣可作為城市煤氣，而剩余的半焦可作為燃料發電、供熱。

拔頭工藝可利用流態化技術實現。這樣可以達到煤的四聯供集成。由于該工藝可以在較低的溫度下實現，反應條件溫和，較容易實現在不同階段對S、N等污染物的先驅物進行處理，節省一次投資和運行費用。

2.混燒技術

混燒技術指將不同種類的燃料共同轉換的技術。它源于為改善煤的燃燒特性的配煤技術。在此將討論煤與生物質和垃圾的混燒技術。

我國是一個農業大國，生物質資源豐富，農作物秸桿年產量約6億噸，其中60%被棄置。在收割后，大量秸桿被就地燃燒，浪費能源、污染環境，同時所產生的煙塵還影響正常的交通運輸(機場停飛、高速公路關閉)。而生物質本身是一種可再生的能源，由于其生長過程吸收的二氧化碳與其燃燒過程中生成的二氧化碳相等，故其凈二氧化碳排放量為零。生物質作為能源可減少二氧化碳的排放總量，然而，由于一年生的植物秸桿中含有大量的氯和堿金屬，所以直接燃燒會引起一系列的運行問題，如高溫腐蝕、結渣、粘灰等。生物質與煤的混燒技術可望解決這些問題。

與此同時，隨著經濟的高速發展，城市化水平和人民生活水平的不斷提高，中國的城市垃圾產量與日俱增。由此引起的環境污染問題日趨嚴重，城市垃圾的處理已成為直接影響城市經濟建設，人民生活質量的重要因素。據統計，1995年城市生活垃圾清運總量已達1.08億噸，工業固體廢物生產量為6.45億噸。而高消費產生的生活垃圾越來越多，成分日益復雜而難于處理。為實現城市垃圾的資源化、能源化利用，發展垃圾焚燒技術勢在必行。

垃圾具有成份復雜、灰分大、燃燒難等問題。此外，由于其中的高氯含量和重金屬含量，在焚燒過程中會產生高溫氯腐蝕的二噁英排放高的問題。分級轉化技術是解決這些問題的途徑[2]，同時采用與煤混燒的方法可望徹底解決垃圾焚燒中的這些問題。

圖7給出了煤與生物質和垃圾混燒的方案示意圖。由于上述的生物質和垃圾燃燒時所具有的問題，生物質和垃圾不能與煤直接混合來燃燒。首先將生物質或垃圾加入熱解室，熱解后的氣體經過脫氯凈化處理加入燃煤鍋爐的上方作為再燃燃料。這樣解決了生物質或垃圾在燃燒過程中產生的腐蝕問題，同時還可以還原燃煤過程利用生長中產生的氮氧化合物，而剩余的對生物質半焦可經處理制做活性炭，對剩余的垃圾焦、灰混合物可經處理制做保溫材料，這樣就可以達到綜合利用的目的。

 

六、現有設備的改造

現有設備的改造包括以下幾個方面：

1.適應中國國情的脫硫脫硝技術

●無水污染的濕法脫硫技術

●再燃法降低氮氧化合物

●流化床技術燃用高硫煤及其他高硫燃料

●低成本可再生脫硫劑

2.燃煤及混燒過程中微量重金屬的治理

3.現有煤粉鍋爐中飛灰的綜合利用：用于建筑材料

4.現有工業窯爐的改造：主要致力于提****率、降低污染。

5.小型燃煤設備的改造：致力于提****率降低污染，同時加強新型設備的研究，進行更新換低。

七、結論

1.清潔煤轉化應根據煤的結構特點，遵循綜合利用、分級轉化、污染治理、品位提高的原則。

2.在發展潔凈煤新技術的同時，應開展相應的基礎理論研究。

3.新技術開發應與現有技術設備的改進相結合。