从煤炭开采谈起的高效清洁利用

从煤炭开采谈起

——煤炭的清洁高效利用马春元山东大学能源环境研究所燃煤污染物国家工程实验室主要内容：1、煤层气开采利用2、煤炭提质、分质利用煤炭气化煤炭液化煤把头超临界萃取褐煤干燥3、高效绿色发电高参数发电富氧燃烧二氧化碳减排技术的发展启发我们华电重工技术战略、市场战略的思考主要内容：1、煤层气开采利用2、煤炭提质、分质利用煤炭气化煤炭液化煤把头超临界萃取褐煤干燥3、高效绿色发电

高参数发电富氧燃烧二氧化碳减排矿井瓦斯爆炸及危害矿井瓦斯爆炸一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施、中断生产。可能引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌和顶板冒落等二次灾害，使生产难以在短期内恢复。世界上最大一次瓦斯爆炸：

1942年，辽宁本溪，死亡：1549人，伤:146人。采煤采气一体化的问题《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》（国家发展改革委

2005年6月22日发布

发改能源[2005]1137）

采空区几年后煤炭开采区煤矿规划区煤矿生产区煤层气地面开发废弃矿井抽采煤矿井下抽采水平井或直井地面预抽采煤采气一体化三维模型一孔多用模型主要内容：1、煤层气开采利用2、煤炭提质、分质利用煤炭气化煤炭液化煤把头超临界萃取褐煤干燥3、高效绿色发电

高参数发电富氧燃烧二氧化碳减排煤炭提质、分质利用煤炭仍将在很长时间内作为主要能源，但是要面临由燃煤造成日益严重的污染；同时，液体燃料短缺成为制约我国经济持续快速发展乃至国家安全的重要因素。因此，如何实现煤的高效清洁利用的同时生产油品、化工原料已成为我国能源领域的重大课题之一。

煤炭转化、提质利用技术煤炭气化煤炭液化煤拔头超临界萃取褐煤干燥煤炭气化煤炭气化是指在一定温度、压力下，利用气化剂对煤炭进行热化学加工，将煤中有机质转变为煤气的过程。其涵义就是以煤、半焦或焦炭为原料，以空气、富氧、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过部分氧化和还原反应，将其所含碳、氢等物质转化成为一氧化碳、氢、甲烷等可燃组分为主的气体产物的多相反应过程。气化炉结构复杂、造价高，以煤气化为龙头的IGCC技术短时间内难以适应中国的国情。煤炭液化煤的直接液化煤直接液化是通过加氢使煤中复杂的有机化学成分直接转化为液体燃料，转化过程是在含煤粉和溶剂的浆液系统中进行加氢，需要较高的压力和温度；直接液化的优点是热效率高、液体产品收率高，主要缺点是煤浆加氢工艺过程中各步骤的操作条件相对苛刻，使产品的成本大幅度提高，同时对煤种适应性差。超临界萃取类似煤炭液化煤的间接液化煤间接液化是先将煤气化制成合成气(CO+H2)，再经过催化合成为液体燃料；其优点是煤种适应性较宽，操作条件比直接液化相对温和，煤灰等三废问题主要在气化过程中解决；作为多种化合物混合体的煤进行间接液化在工业技术上已属可行，但缺乏自主知识产权，还存在污染物治理量大、工艺条件苛刻、相对投资高的缺点。煤拔头煤拔头是指在常压、中低温、无催化剂和氢气的条件下，用温和热解的方式提取煤中的气体、液体燃料和精细化学品，并借此工艺脱硫脱硝，从而实现“油、煤气、热、电”多联产。褐煤干燥提质、分质利用的途径煤的分质利用新思路纯氧/富氧燃烧分离器超临界溶剂（二氧化碳）萃取煤油类物质萃取剩余产物资源化利用气体产物尾气排放CO2灰渣粉煤灰发电或供热煤炭煤在纯氧燃烧、多次烟气循环后CO2的浓度最高可达90%，可分离回收。回收的CO2在升温、升压至超临界状态后，可单独或混合其他超临界溶剂对煤进行萃取，萃取产物可作为高品质燃料或化工原料利用，剩余的产物进入锅炉中进行纯氧燃烧，燃烧后的气体产物分离出的CO2后再进入超临界萃取装置，固体产物灰渣和粉煤灰可用于建筑材料、工业原料、提取硅、铝、铁碳原料等。煤的分质利用新思路富氧\纯氧燃烧技术空气经过空气分离装置提高氧气含量，通入锅炉助燃，增加炉内整体或局部氧气含量，减少炉内空气过剩系数，有效降低由于空气过剩系数大时的热量损失。燃烧完全，在节约燃料的同时也大大降低了烟气黑度、NOx的生成和促进SO2的脱除。在采用富氧燃烧的基础上加入烟气再循环技术，不但可充分利用排烟所含热量，经过多次烟气再循环，CO2的浓度可达到90%以上，利于回收利用。超临界(CO2)萃取煤技术

超临界溶剂（水、甲苯、CO2等）对煤中的有机质有显著的溶解能力，同时超临界气体扩散系数大，粘度小，因此对煤的萃取效果好。溶剂和煤粉混合，由往复泵压缩加压并送入压力系统，经预热达到所需温度后进入抽提器进行一定时间的抽提，抽余残渣由旋风分离器和过滤器除去,气体系统经减压后进入蒸馏设备实现萃取物和溶剂的分离,溶剂继续循环使用，萃取产物主要为油类、沥青烯和前沥青烯，收集后进一步加工利用。萃取过程中不需要氢气，温度条件较缓和。萃取产物和残煤及灰分在抽提器内直接分离，抽出油可以直接利用,减少了复杂的分离。由于超临界溶剂的性质，改变温度和压力可以显著改变溶剂的溶解度，提高了产品的选择性。超临界溶剂萃取煤超临界溶剂萃取煤流程图超临界CO2萃取装置煤超临界萃取溶剂低品煤提质

低品煤一般指高灰、高硫、高水。

我国以煤为主要能源，且煤质多变，固有提质问题。

国内主要提质研究——

国内低质煤提质研究技术路线国内低质煤提质研究关联图褐煤干燥——褐煤特性

褐煤属于煤化程度较低的煤种,全国有褐煤预测资源量1903亿t,占全国煤炭预测资源量的41.18%，主要分布在我国内蒙古、云南、东北、四川等地。褐煤的特点是水分高、孔隙度大、挥发分高、热值低,含有不同数量的腐植酸。褐煤的氧含量高达15%～30%,化学反应性强,热稳定性差,块煤加热时破碎严重,存放在空气中容易风化变质,碎裂成小块甚至粉末状,使热值更加降低。试验表明,用褐煤(11.93MJ/kg热值,42.52%水分)经2.026MPa的蒸汽处理后,水分降至14.43%,热值增加到18.084MJ/kg,增加51.6%。印尼拥有丰富的褐煤资源,原煤灰分很低,但水分高达20%～60%褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺低温烟气干燥技术低温烟气干燥工艺技术有很多种,包括固定床、流化床、回转窑和夹带系统等,其优点是干燥过程大部分是在相对较低的温度下进行,干燥介质为热烟道气。高温烟气干燥技术工艺国内高温烟气干燥工艺有工业应用的是滚筒干燥工艺。其原理为：原煤仓中的原煤（常温）通过给料机进入干燥机的滚筒，在干燥滚筒入口与热风炉提供的烟气混合（约650℃）。

褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺回转管式干燥技术这是一种以饱和蒸汽(压力为0.15～0.55MPa)为加热介质的间接加热干燥器。其基本原理为热法干燥。

褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺蒸汽流化床干燥技术

在流化床干燥器内,过热蒸汽将褐煤流从干燥机的底部吹向沸腾床上部产生流化现象。流化床中的蒸汽吸收褐煤原煤中蒸发出的水分,原煤从干燥机的上部输入经过旋风分离器,蒸汽再被部分导回干燥机。干燥机所需能量由汽轮机出来的蒸汽提供。

褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺热脱水工艺/法

该工艺过程与前述方法不同之处在于其水的移除状态不同,为热法脱水过程。热源为过热蒸气,工艺过程温度为大约235℃。机械脱水法

该法在大约100℃、小于16MPa热压下对褐煤脱水。在此压力条件操作,对设备加工制作等要求较高,但该过程能耗最低。褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺床混式干燥工艺(BMD)

流化床作为热源,用来干燥高水分的燃料。干燥机是在蒸汽环境下工作,这就有可能回收蒸汽的潜热,将之送回干燥工序中使用。褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺热压脱水工艺(MTE)

该过程综合了热法脱水和机械力脱水的优点,将褐煤加热到不大于220℃的条件下,通过机械挤压将水挤出。褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺微波干燥技术该技术采用高效微波技术设计，去除次烟煤或褐煤所含水分，减少污染排放，以达到煤炭提质之目的。褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺干燥蒸馏工艺

美国褐煤轻度热解干燥提质（LFC）工艺：经过破碎和筛分后的原煤（启水量约33.87%wt）送入干燥炉中，用来自干燥热风炉的热气流加热脱水，出干燥炉的原煤含水量降到约4%（wt）。

褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺风扇磨煤机磨制褐煤进行制粉同时干燥采用风扇磨煤机磨制褐煤进行制粉，并采用热烟气作为干燥剂对褐煤进行干燥脱水，干燥后的褐煤粉通过布袋除尘器收集。干燥后的煤粉通过罐列直接输送到电厂，电厂设置煤粉储藏罐，由煤粉气力输送到然煤锅炉前，省区去电厂制粉过程。工艺的显著优势：技术成熟、规模大、简化电厂煤粉制备、封闭运输清洁经济。整个系统包括三大部分：喷燃机热风炉系统、褐煤干燥制粉系统、分离与布袋除尘系统、输运储藏系统。褐煤干燥——坑口干燥技术与工艺风扇磨煤机磨制褐煤进行制粉同时干燥褐煤干燥——技术成熟度分析从干燥原理看，流化床干燥工艺存在大型化及流态控制问题。回转窑干燥工艺是目前国内外干燥技术开发企业重点推广的技术之一，但由于其供入风量以及窑体直径的限制，很难进行大型化应用。从干燥介质看，由于褐煤是一种极易析出挥发份的煤种，在采用含氧气体干燥时，如果出现局部氧化放热所导致的过热问题，容易引起挥发份燃烧，从而造成干燥系统的燃烧问题，影响系统的正常稳定运行。现有褐煤干燥提质工艺多处于规模示范阶段，稳定运行问题是困扰这些工艺规模应用的主要原因之一。我国应用的褐煤干燥工艺比较工艺名称实施项目处理量万吨/年总投资万元吨煤投资万元/吨/小时运行成本元/吨振动混流干燥技术工艺白音华褐煤提质试验项目3003600084华兴工贸褐煤干燥项目150932043.5滚筒干燥工艺东苏旗褐煤干燥项目4504500070春成集团褐煤干燥项目5003000042大唐国际锡林浩特褐煤干燥项目5004600064.4SJ—Ⅳ低温干馏炉工艺北方电力褐煤提质项目40060000105美国褐煤轻度热解干燥提质大唐华银东乌褐煤干燥示范装置项目3303440073北京柯林斯达技术工艺蒙元煤炭褐煤改性提质加工项目3002300053.7鲁奇三段炉工艺锡林河褐煤提质项目90980076.2国能富通干燥炉工艺大唐国能褐煤干燥项目200015000052.5微波干燥工艺山西北威新能源煤化工有限公司引进60吨/小时7000116.777某电厂烟气干燥工艺不另设加热设备100

吨/小时164816.514.4风扇磨褐煤干燥工艺需另设加热及除尘设备60吨/小时117019.522.2主要内容：1、煤层气开采利用2、煤炭提质、分质利用煤炭气化煤炭液化煤把头超临界萃取褐煤干燥3、高效发电、二氧化碳减排

高参数发电富氧燃烧二氧化碳减排高效发电技术2007年中国CO2排放量为59.6亿吨，美国为58.2亿吨，已位居世界第一；过去八年里，中国碳排放占世界碳排放增长总量的2/3；高效发电技术中国低碳能源利用技术发展规划：节约是最大减排(第一阶段);提高能源利用效率，降低发电煤耗(第一阶段)；积极开发先进的近零排放低碳燃煤发电技术(第二阶段)；大力发展可再生能源(一直努力)。高效低碳发电技术高效低碳发电技术绿色放发电流程高效低碳发电技术——技术路线图高效发电技术——超超临界燃煤发电更高参数、更大容量先进燃煤发电技术：高效发电技术——超超临界燃煤发电已有1000MW等级超超临界燃煤电站锅炉产品1000MW负荷锅炉效率试验两个工况实测值分别为94.25％和94.13％，修正后的锅炉效率为94.36％和94.20％，高于设计值93.72％；1000MW负荷空气预热器漏风试验两个工况漏风率平均值A、B两侧均为4％，低于设计值6％；锅炉无油助燃最低稳定运行负荷试验在投运单台磨煤机情况下进行，机组电负荷达到110.5MW，过热蒸汽流量达到346.3t/h，远低于保证值25%BMCR；NOx排放浓度较低为225mg/Nm3，低于设计保证值250mg/Nm3。高效发电技术——超超临界燃煤发电超超临界燃煤发电技术T=25℃冷水塔冷却燃煤发电煤耗下降1gce/kWh,可以年节约300万吨标准煤，减排二氧化碳750万吨;亚临界一次再热超临界一次再热超超临界一次再热600℃超超临界两次再热720℃高效发电技术——超超临界燃煤发电高效发电技术——超超临界燃煤发电通过提高效率实现二氧化碳减排高效发电技术——超超临界燃煤发电超超临界燃煤发电技术发展路线第一阶段：材料基础不变，优化参数，优化系统，挖掘潜力，提高综合利用效率第二阶段：材料基础提升，优化参数，优化系统，提高综合利用效率。高效发电技术——超超临界燃煤发电效率和材料发展高效发电技术——700℃蒸汽电厂汽轮机参数影响部分高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分材料制约现有技术高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分发达的先进超超临界技术决定着材料需求经济优势:–超超临界下的燃料消耗量比超临界下的燃料消耗量低25%-35%–燃料及设备的节约额抵消先进合金的使用成本材料单（600MW机组）:–锅炉管碳钢及合金钢=6,850,000lbs不锈钢=1,600,000lbs镍基合金=1,950,000lbs–汽锅联管箱及锅炉管道

碳钢=400,000lbsP91/92=1,000,000lbs镍基合金=475,000lbs–电厂配套设施镍基合金~400,000lbs高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分材料选择比较——500MW一次再热循环高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分膜式水冷壁材料高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分HP集箱和管道材料高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分过热器/再热器管材料高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分材料制约现有技术高效发电技术

——700℃蒸汽电厂高温影响部分700℃发电厂用不锈钢镍基锅炉管 -容易生产10米的镍锅炉管难以生产1000米的镍锅炉管-生产质量可靠的100米镍锅炉管是一个挑战高效发电技术

——700℃蒸汽电厂技术要求镍基合金管生产经验——应用于700℃超超临界火电站变形抗力-比传统铁素体钢管高4倍热处理条件-固溶处理（1160℃-1180℃），比9-12%Cr钢要高出100多度机加工（车-镗）--非常耗时（原因：高的延展性）无损检测（超声波探伤）测试技术及设备必须进步高效发电技术

——700℃蒸汽电厂技术要求镍基合金管生产经验——应用于700℃超超临界火电站高效发电技术

——700℃蒸汽电厂技术要求镍基合金管生产经验——应用于700℃超超临界火电站高效发电技术

——700℃蒸汽电厂技术要求镍基合金管生产经验——应用于700℃超超临界火电站经验表明：可以实现生产700℃火电技术所需的Ni基合金无缝管；Ni基合金管生产工艺与传统的铁素体-马氏体钢管的生产工艺不可同日而语；在实体电站项目的前期，明晰的设计配合尤其是尺寸设计（直接/壁厚）非常重要。为了促进Ni基合金管的工业化生产，尚需进行进一步的试验；试验应结合不同的700℃火电技术研究项目进行。应该建立一个明确的规范的技术要求（尽可能详细和广泛），确定材料所炼钢厂、钢管厂、锅炉厂及发电企业之间必须进行紧密联系，以确定新一代电站建设的下一步目标。高效发电技术——O2/CO2富氧燃烧发电技术CCS之CO2捕捉高效发电技术——O2/CO2富氧燃烧发电技术CCS之CO2捕捉富氧燃烧技术•在锅炉中使用氧气而不是空气——“富氧燃烧”对于电厂而言是一种可行的技术•在过去十年中的重要研发投入下，该技术已成为CCS发电中的领先技术之一3个关键开发领域•燃烧室及燃烧器开发•空气分离单元——“氧气制造的成本及产能”•二氧化碳处理技术——“杂质去除技术”高效发电技术——O2/CO2富氧燃烧发电技术CCS之CO2捕捉高效发电技术——O2/CO2富氧燃烧发电技术富氧燃烧由于采用O2+部分循环烟气替代传统空气进行燃烧，烟气中CO2浓度可达85~90%，且由于炉内处于弱还原性气氛，采用简单措施就可将SOx、NOx降低至空气燃烧时的90%和50%，且运行费用与安装脱硫、脱硝费用相当，被认为是目前最可靠、最简单、最可行的新型燃煤发电综合污染物控制技术，在CO2减排上具有独特优势(特别适合现有常规锅炉改造及新建火力发电机组锅炉)。高效发电技术——O2/CO2富氧燃烧发电技术富氧燃烧由于采用O2+部分循环烟气替代传统空气进行燃烧，烟气中CO