煤炭利用与清洁煤技术

煤炭利用与清洁煤技术中国以煤为基础的能源结构引发了严重的环境污染问题。2007年中国二氧化硫排放量为2468.1万吨，氮氧化物排放约2000万吨，二氧化碳排放居世界第2位，燃煤贡献分别为80%、70%和80%左右。电力行业的煤炭消费占煤炭总消费量的52.6%。电力行业是二氧化硫、氮氧化物和工业烟尘排放的最大行业。2007年，二氧化硫和氮氧化物排放量分别占工业二氧化硫和氮氧化物排放量的58.2%和64.3%，占据主导地位，是二氧化硫、氮氧化物的排放大户。酸雨仍以煤烟型污染为主，电力行业对酸雨污染影响较大。中国目前硫酸根与硝酸根（SO42-/NO3-）的比值仍处在5-3之间，表明煤烟来源的SO42-仍占有绝对优势。说明中国的酸雨还是以煤烟型污染为主。形成的主要原因是燃煤产生的二氧化硫排放。2010年，在监测的330个城市中，有273个城市空气质量达到二级以上（含二级）标准，占监测城市数的82.7%；有53个城市为三级，占16.1%；有4个城市为劣三级，占1.2%。国外专家的研究结果表明，大气污染造成的经济损失占GPD的3%~7%；如不能得到有效控制，到2020年，仅燃煤污染导致的疾病需付出的经济代价将达3900亿美元中国煤产业链效率提高5%对CO2减排的贡献可达40.3%（NICE，2011）洁净煤（CleanCoal）是20世纪80年代初，美国和加拿大关于解决两国边境酸雨问题谈判的特使德鲁.刘易斯和威廉姆.戴维斯提出的。洁净煤技术是指煤炭开发和利用过程中，旨在减少污染和提高效率的煤炭开采、加工、燃烧、转化和污染控制等一系列新技术的总称，是使煤炭作为一种能源应达到最大潜能的利用而释放的污染物控制在最低水平，实现煤的高效、洁净利用的目的技术。中国煤炭利用可以分为煤炭发电、工业锅炉和窑炉燃煤、煤化工三种类型。2007年，煤炭利用的比例是：发电50.5%，工业锅（窑）炉燃烧30%，煤化工18%，其它不足2%。煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体，液体，固体燃料以及其他化学品的工业过程。煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。煤化工分传统和新型两种传统的涉及煤焦化、煤电石、煤合成氨（化肥）等领域新型煤化工通常指即以煤热解、气化为基础，以一碳化学为主线，以单元过程优化集成为途径，生产各种替代燃料和化工产品，如合成油、天然气、甲醇、二甲醚、烯烃、精细化学品等。煤基炭材料：以煤为原料生产炭材料的技术路线：活性炭、炭块、电极炭等传统炭材料；富勒烯、碳纳米管、碳分子筛等新型炭材料；以及用于催化剂的分子筛和航天工业需求的碳纤维、碳合金等多种新型炭材料煤炭液化技术：煤的直接液化是指将煤（尤其是烟煤）磨碎成细粉后，和溶剂油制成煤浆，然后在高温、高压和催化剂存在的条件下，通过加氢裂化使煤中复杂的有机化学结构分子，直接转化为清洁的液体燃料和其他化工产品，又称为加氢液化。煤和石油在结构、组成和性质上有很大差异：①石油的H/C比高于煤，原油为1.76而煤只有0.3～0.7，而煤氧含量显著高于石油，煤含氧2％～21％，而石油含氧极少；②石油的主体是低分子化合物，而煤的主体是高分子聚合物；③煤中有较多的矿物质。因此要把煤转化为油，需加氢，裂解和脱灰。关键步骤：热解+加氢+分离煤直接液化典型的工艺过程主要包括煤的破碎与干燥、煤浆制备、催化剂制备、氢制取、加氢液化、固液分离、液体产品分馏和精制，液化大规模制备氢气通常采用煤气化或者天然气转化。煤炭气化工艺：煤气化泛指各种煤（焦）与载氧的气化剂（O2、H2O、CO2）之间的一种不完全反应，最终生成由CO、H2、CO2、CH4、N2、H2S、COS等组成的煤气。煤炭气化过程可通过各种不同的气化炉实现现已工业化的先进技术包括壳牌（Shell）的煤气化过程（SCGP）德士古（Texaco）的煤气化过程（TCGP）德国未来能源公司的粉煤气化（GSP）鲁奇（Lurgi）固定床加压气化煤基液体燃料（Coaltoliquid，CTL）一类是以煤为原料生产燃料油，包括煤直接液化制油和间接液化制油；一般情况下，在国内这种技术路线也被称为煤制油；另一类是以煤为原料生产石油替代燃料，现阶段的主要形式是煤制甲醇和二甲醚发展煤基燃料是补充石油基燃料缺口的最好途径煤制天然气：煤间接甲烷化技术在国内外已成功应用，但以煤为原料一步法生产甲烷的技术虽在国外已有报道，但在国内仍处于起步阶段。目前较为成熟的技术包括美国巨点能源公司开发的一步法煤制天然气技术，又称“蓝气技术”；丹麦托普索公司推出的TREMP技术；中国科学院大连化学物理研究所开发的M3482A型常压耐高温煤气直接甲烷化工艺等美国大平原厂是目前世界上唯一的规模化煤制甲烷工厂2008年11月,新奥集团煤基甲烷项目投料的试车成功表明煤基甲烷化的可行性2.多联产技术定义1：以煤气化技术为“龙头”的多种煤炭转化技术，通过优化组合集成在一起，以获得多种高附加值的化工产品和多种洁净的二次能源（气体燃料、液体燃料、电等）定义2：是指从单一设备中产生的合成气来联产多种化工产品、液体燃料（甲醇、FT燃料、二甲醚和城市煤气等）、氢气以及用于工艺过程的热和电。定义3：从单一煤气化装置中产生的合成气来进行跨行业、跨部门的联合生产，以得到多种具有高附加值的化工产品（如甲醇、二甲醚等）、液体和气体燃料（如FT燃料、城市煤气、人工天然气等）、其他工业气体（如CO2、H2、CO等），以及充分利用工艺过程的热并进行发电的能源系统2.多联产技术的特点通过技术路线组合优化，不仅可以实现系统的规模经济效益，而且能够通过公共设施等合并降低工程建设的比投资，实现经济效益的尽可能优化有利于污染物的集中、综合治理，降低环保费用系统通过技术路线组合，可以有效提高系统整体的能源利用效率循环流化床燃烧（CFBC）技术：CFBC(CirculatingFluidizedBedCombustion）是指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于流态化的沸腾状态下，即高速富氧气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术。流化床燃烧方式的特点是:清洁燃烧，脱硫率可达80%～95%，NOx排放可减少50%；燃料适应性强，特别适合中、低硫煤；燃烧效率高，可达95%～99%；负荷适应性好，负荷调节范围30%～100%。增压流化床（PFBC）燃烧技术：PFBC是增压流化床燃烧技术(PressurizedFluidizedBedCombustion)的英文缩写其重要特点是燃烧与脱硫效率高在压力为10～16个大气压的燃烧室中，空气和加入的煤进行激烈的燃烧反应，床温控制在850～900℃范围内。燃烧生成的SO2与加入流化床内的石灰石(或白云石)反应生成CaSO4，达到脱硫效果。该反应过程能除去烟气中90%以上的SO2。由于床内燃烧温度较低，只有燃料中的氮转化成NOx，空气中的氮很少转化生成NOx。因此,NOx的排放无需再增加特殊设备，PFBC-CC电站的污染排放物即可大幅度减少。在流化床中，由于煤的浓度很低，每一个颗粒燃料都能被炽热的惰性物料所包围，并且和助燃剂（空气）接触条件良好。因此，在常规炉中不易稳定燃料的劣质煤，在流化床中亦能稳定燃烧。煤气化联合循环（IGCC）技术：IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）整体煤气化联合循环发电系统是将煤气化技术和高效的燃气-蒸汽联合循环相发电相结合的先进动力系统。超临界与超超临界发电技术：超临界发电技术(Supercriticalpowergeneration，SPG)超超临界发电技术(Ultrasupercriticalpowergeneration，USPG)锅炉内的工质都是水，燃煤发电是通过产生高温高压的水蒸气来推动汽