煤炭利用与清洁煤技术.ppt

1、1,煤炭利用与洁净煤技术,2011年3月31日,2,第1章 煤炭利用与环境问题,1.1 世界煤炭资源及其地位 1.2 中国煤炭资源及其地位 1.3 煤炭燃烧排放引起的环境问题 1.4 洁净煤技术,3,1.1世界煤炭资源及其地位,2004年（引自IPCC报告）,4,1.2 中国煤炭资源及其地位,1.2.1 中国能源的基本消费状况 1.2.2 中国煤炭的资源状况 1.2.3 中国煤炭目前消费状况 1.2.4 中国煤炭需求与生产预测,5,1.2.1 中国能源的基本消费状况,6,2008年中国能流图,7,1.2.2 中国煤炭的资源状况,中国煤炭资源储量多，分布广，煤质较好，品种较全。 根据第三次全国煤

2、田预测资料，除台湾省外，我国垂深2000米以浅的煤炭资源总量为55697.49亿吨，其中探明保有资源量10176.45亿吨，预测资源量45521.04亿吨。在探明保有资源量中，生产、在建井占用资源量1916.04亿吨，尚未利用资源量8260.41亿吨。 在探明储量中，炼焦用煤占36%，化工用无烟煤17%，动力煤占5%，石煤占2%。,8,中国煤炭资源分布特征和供求关系，具有明显的分带性和分区性； 客观地质条件形成的这种不均衡分布格局，决定了中国北煤南运、西煤东调的长期发展态势。,9,煤炭分类 中国煤分类和各主要工业国的煤炭分类均属于实用分类，即是按煤的工艺性质和用途分类 根据煤的煤化度，将我国所

3、有的煤分为褐煤、烟煤和无烟煤三大煤类，然后又根据煤化度和工业利用的特点，进一步分类,10,煤化作用： 泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤、超无烟煤，或腐泥转变为腐泥褐煤、腐泥烟煤、腐泥无烟煤和腐泥超无烟煤的过程。 煤化度，即煤化作用的程度,11,炼焦用煤： 需用洗选的精煤，其煤种既可用结焦性较好的煤种 如气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等 化工用无烟煤： 煤化程度最深的煤，含碳量最多，灰分不多，水分较少，发热量很高，可达2500032500kJ/kg，挥发分释出温度较高，其焦炭没有黏着性，着火和燃尽均比较困难 动力煤： 适用于锅炉燃烧，产生热力的煤 主要有褐煤、长焰煤、不粘结煤、贫煤、气煤以及少量的无烟煤 石

4、煤： 一种含碳少、发热值低的劣质无烟煤，又是一种低品位多金属共生矿。,12,1.2.3 中国煤炭目前消费状况,13,1.2.4 中国煤炭需求与生产预测,EIA的预测结果如左图所示；根据世界能源展望2007年三种情景，即参考情景、替代政策情景和高增长情景预测，2015年和2030年中国的能源需求如右图所示 2010年，中国煤炭工业发展研究中心主任贺佑国表示，未来几年，煤炭绝对增长量将大幅度增加，到2015 年煤炭需求将达38 亿吨。,14,1.3 煤炭利用引起的生态环境问题,15,煤的组成和结构的复杂性,煤的组成：水分、灰分、挥发分、固定碳； 碳、氢、氧、氮、硫等元素。 煤的结构： 物理结构：煤

5、的显微组分、孔结构及煤中有机物分 子间和分子内的非共价键作用力。 化学结构：有机物各组分的分子结构及其相互间的共价键结构。,16,煤炭使用造成严重的大气污染问题,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。,17,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

6、的排放大户。,18,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。,19,落后的利用技术使煤成为主要污染源,20,落后的利用技术使煤成为主要污染源,21,落后的利用技术使煤成为主要污染源,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

7、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,22,小结,一方面是能源的主要提供者，一方面是大气污染的主要污染源，煤炭对中国而言，无疑是两难选择 能源资源禀赋特点和中国现状决定，洁净煤利用是两难选择中的必然,23,提高煤利用效率可显著减少碳排放,中国煤产业链效率提高5%对CO2减排的贡献可达40.3%（ NICE，2011 ）,24,政策导向,加快发展高碳能源低碳化利用和低碳产业 全国人民代表大会常务委员会关于积极应对气候变化的决议，2009.8.27 大力发展低碳技术；努力建设以低碳排放为特征的产业体系和消费模式 温家宝

8、,政府工作报告，2010.3.5 加强煤的清洁高效综合利用、煤转天然气、煤制重要化学品技术研发 胡锦涛，在两院院士大会上的讲话，2010.6.7 推进传统能源清洁高效利用 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议，2010.10.28 积极推进煤炭清洁利用(节能环保产业) 国务院关于加快培育和发展战略性新型产业的决定，国发【2010】32号,25,1.4 洁净煤技术,洁净煤（Clean Coal）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。,26,1.4 洁净煤技术,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

9、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。,27,中国洁净煤技术基本框架,煤 炭 加 工 技 术,煤 炭 转 化 技 术,煤 高 效 清 洁 燃 烧 技 术,污 染 控 制 与 废 弃 物 处 理,28,煤炭加工技术,在煤炭利用之前，对可能排放的所有污染物进行有效控制,29,污染控制与废弃物处理,污 控 制 与 废 弃 物 处 理,烟气净化技术（FGD）,煤层气（CBM）开发利用技术,粉煤灰综合利用技术,煤矸石及煤泥水利用与处理技术,在煤炭利用后，对副产物及污染物进行

10、有效处理和净化,30,中国洁净煤技术基本框架,煤 炭 加 工 技 术,煤 炭 转 化 技 术,煤 高 效 清 洁 燃 烧 技 术,污 染 控 制 与 废 弃 物 处 理,31,中国洁净煤技术基本框架,煤 炭 加 工 技 术,煤 炭 转 化 技 术,煤 高 效 清 洁 燃 烧 技 术,污 染 控 制 与 废 弃 物 处 理,煤化工,煤发电,32,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%。,33,思考题,中国煤炭的分布特点？ 煤炭利用过程中的污染物有哪些？ 洁净煤技术的含义

11、？ 中国发展洁净煤技术的意义？ 中国煤炭的主要利用类型？,34,第二章 煤化工,35,煤化工,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。,36,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。,37,传统 煤化工,新型

12、煤化工,洁净煤技术,38,洁净煤领域的煤炭转化技术,煤 炭 转 化 技 术,煤 炭 液 化 技 术,煤 炭 气 化 技 术,其他传统煤化工技术改进,煤 基 炭 材 料,39,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 参考书目： 中国洁净煤技术丛书-煤基炭材料,40,洁净煤领域的煤炭转化技术,煤 炭 转 化 技 术,煤 炭 液 化 技 术,煤 炭 气 化 技 术,其他传统煤化工技术改进,煤 基 炭 材 料,41,煤炭液化技术,煤的直接液化是指将煤

13、（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。,42,煤炭液化原理,煤和石油在结构、组成和性质上有很大差异： 石油的H/C比高于煤，原油为1.76而煤只有0.30.7，而煤氧含量显著高于石油，煤含氧221，而石油含氧极少； 石油的主体是低分子化合物，而煤的主体是高分子聚合物； 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,43,煤直接液化工艺过程,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、

14、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。,44,煤直接液化工艺过程,45,煤直接液化分类,46,煤直接液化技术进展,47,神华煤制油示范工程,48,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。,49,煤气化分类,煤炭气化过程可通过各种不同的气化炉实现,50,煤气化典型工艺,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（

15、GSP） 鲁奇（Lurgi）固定床加压气化,51,煤气化原理,主要的化学反应过程涉及到碳、二氧化碳、一氧化碳、氢气、水（蒸汽）以及甲烷 总反应： 煤的H/C比只有0.30.7,合成气中的氢含量 不能满足后续反应需求,52,提问,如何得到氢气？ 哪些物质含有氢？,水（H2O),53,电解水,借助直流电的作用，将水分解产生氢气和氧气 该方法虽然产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气，但是能耗高，生产成本较高,54,核能制氢,一种有前景的大规模制氢方法 利用其产生的高温工艺热通过核热辅助的蒸汽重整、热化学循环、高温蒸汽电解等技术制氢 福岛第1核能发电站号机组和3号机组发生的爆炸都是氢气爆炸,

16、55,水煤气变换,水煤气变换反应（Water gas shift，WGS）是一个有机反应 水和一氧化碳在催化剂作用下转化为氢气和二氧化碳。 水煤气变换反应在工业中的应用价值在于提高产品中氢气的含量。在生产合成氨、甲醇、二甲醚、油等产品时，都需要应用这个反应来调节合成气的碳氢比使之符合生产需求。,56,煤气化工艺流程,57,煤气化后续工艺及产品,甲醇 ：缩写MeOH，分子式CH4O 二甲醚：缩写DME，分子式(CH3)2O FT合成油：汽油、煤油、柴油 天然气：分子式CH4 ,58,甲醇合成,英国ICI公司和德国Lurgi公司占据了国外市场70%的占有率，并且标志着当前国外甲醇合成工艺的技术水平

17、,59,甲醇的用途,一种重要的有机化工原料。其下游产品是制造各种染料、药品、香料等的原料； 一种重要的有机溶剂； 一种优良的替代燃料，在汽油中可直接添加3-5%的甲醇。“高比例甲醇汽油”对发动机没有新增要求，且空气污染大大降低； ,60,二甲醚合成,一步法生产工艺 两步法生产工艺 一步法工艺是目前研究的主流方向,61,二甲醚合成,一步法工艺主要有两种反应器： 气相固定床 浆态床 由于浆态床反应器设备结构简单等原因，其得到较多的关注。 目前主流反应器包括美国空气化学品公司、日本钢管公司（NKK）、清华大学、山西煤化所等工艺技术路线。,62,二甲醚的用途,二甲醚是一种新兴的基本化工原料 替代液化石

18、油气 2007年8月，建设部颁布了城镇燃气用二甲醚行业标准，确定了二甲醚替代LPG的合法身份，意味着二甲醚可以正式进入城镇作为民用燃气使用 替代柴油 使用二甲醚替代柴油作车用燃料，尾气无需处理，氮氧化物及黑烟微粒排放能满足超低排放尾气的要求。另外，使用二甲醚燃料还可以降低发动机噪音。,63,FT 合成,第一个FT（Fischer-Tropsch ）合成技术在德国诞生。在铁或者钴催化剂作用下，一氧化碳和氢气的混和气反应生成一系列不同链长的碳氢化合物 已工业化的技术主要是Shell的SMDS工艺和Sasol的SSPD工艺,64,FT 合成,FT合成产品涵盖了C1到C100的所有碳氢化合物 粗产品混

19、有大量石腊（长碳链）需要加氢裂解才能得到汽油、煤油、柴油（短碳链） 加氢裂解：加氢裂解（裂化）实质上是加氢和催化裂化过程的有机结合，能够使重质油品通过催化裂化反应生成汽油、煤油和柴油等轻质油品,65,煤基液体燃料,煤基液体燃料（Coal to liquid，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,66,国家石油战略安全,近年来中国石油的进出口量,石油对外依存度 逐年增高,67,天然气供需现状,中国是个

20、富煤缺油少气的国家，天然气资源人均占有率不到世界平均水平的10%。 中国虽然还不是一个天然气消费大国，但随着城市化进程的加快，天然气消费也进入了一个快速增长期，天然气消费近5 年的平均增速达到了17.6%。 海关总署预测，2010年中国的天然气缺口可达到300 亿立方米。 据国家发改委能源研究所预测，到2020 年中国天然气的消费量将达到2500 亿立方米。即使中国的天然气产能高速增长，2020 年的产量预计达到1700 亿立方米，但国内的产能缺口仍将在400 亿立方米到800 亿立方米之间。,68,小结,一方面，是对天然气资源需求的自已增加；一方面是天然气资源的匮乏； 煤制天然气技术路线成为

21、解决解决我国天然气供求矛盾的有效途径之一,69,煤制天然气,是煤基气态能源产业的重要组成部分 也称之为煤制甲烷 煤制甲烷工艺分为两种： 间接甲烷化：煤气化+合成气甲烷化 直接甲烷化：煤直接制产品富甲烷气的工艺,70,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 200

22、8 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,71,煤气化领域的其他新进展,共气化技术,72,煤气化领域的其他新进展,共气化技术示例：,73,煤气化领域的新进展,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（

23、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,74,煤气化领域的新进展,2.多联产技术路线,75,煤气化领域的新进展,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,76,煤气化领域的新进展,2.多联产工业案例 潞安煤基合成油多联产,77,思考题,新型煤化工主要包含哪些典型技术？

24、煤基石油替代燃料及其技术有哪些？ 煤基天然气替代技术主要有哪些？ 共气化的含义是什么？ 多联产的含义是什么？,78,第三章 煤高效清洁燃烧技术,79,发展煤高效清洁燃烧技术的重要性,中国70-80% 的发电能力由燃煤机组提供 即使到2020 年，通过调整结构，我国煤电的比重仍会在60% 以上 中国电力生产过度依赖煤电的趋势将长期存在 中国排放二氧化硫的90、氮氧化物的70来自燃煤，而其中的50左右来自火电,80,煤高效清洁燃烧技术,81,循环流化床燃烧（CFBC）技术,CFBC (Circulating Fluidized Bed Combustion）是指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于流态化的

25、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%。,82,增压流化床（PFBC）燃烧技术,PFBC 是增压流化床燃烧技术( Pressurized Fluidized Bed Combustion)的英文缩写 其重要特点是燃烧与脱硫效率高 在压力为1016 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850900范围内。燃烧生成的SO2 与加入流化床内的石

26、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。,83,煤气化联合循环（IGCC）技术,IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）整体煤气化联合循环发电系统 是将

27、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。,84,IGCC系统示意图,85,目前，在以工业化的IGCC电厂中，其中最受关注的是 美国的Wabash River(1995) 美国的Free town(1995) 美国的Tampa(1996) 美国的Pinon Pine电站(1996) 荷兰的Buggenum电站(1994) 西班牙的Puertollano电站(1998)等,86,超临界与超超临界发电技术,超临界发电技术(Supercritical power generation，SPG) 超超临界发电技术(Ultra supercritical power generat

28、ion，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轮机发电的 在347.15摄氏度、22.115兆帕压力下，水蒸气的密度会增大到与液态水一样，这个条件叫做水的临界参数，比这还高的参数叫做超临界参数； 温度和气压升高到600摄氏度、2531兆帕这样的区间，就进入了超超临界的“境界”。 超超临界发电技术从热力学的角度上讲其本质还是超临界技术，只是将蒸汽压力在26MPa以上的机组均划分为超超临界机组 。,87,思考题,煤高效清洁燃烧技术主要有哪些？ IGCC指什么？ IGCC的主要组成部分有哪些？,88,第四章 相关法规政策,89,国家中长期大气污染物控制目标,煤炭加

29、工和利用过程是中国大气污染物排放的最主要来源，减少煤炭消费量是控制大气污染的根本途径，也是以较低成本实现多种污染物综合控制的最有效途径。 从中远期来看，当二氧化硫和氮氧化物等污染物治理技术发展到一定水平，酸雨和城市空气污染问题基本解决以后，温室气体排放控制将成为煤炭消费的主要制约因素。,90,（1）二氧化硫控制目标。 中国2007年的二氧化硫排放总量为2468万吨，根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要对二氧化硫排放总量削减10%的要求，2010年全国的二氧化硫总量控制目标为2295万吨。 2015、2020和2030年的二氧化硫排放总量控制目标分别为1900万吨、1700万吨和1400万

30、吨。 此时尚未满足基于城市环境质量的二氧化硫容量总量要求，将在2030年以后通过继续加强污染控制来实现。 （2）氮氧化物控制目标。 预计2010年氮氧化物排放量将达到2300万吨。 2015、2020和2030年的氮氧化物排放总量控制目标分别为2100万吨、1900万吨和1500万吨。 （3）二氧化碳控制目标： 到2020年，全国单位GDP二氧化碳排放比2005年降低40-45%。,91,中国洁净煤技术发展相关法规政策,没有直接针对洁净煤的法律法规 关键词： 煤炭工业 煤制油 燃煤发电 煤层气利用 二氧化硫控制 ,92,法律法规,煤炭法： 明确国家发展和推广洁净煤技术、 国家鼓励煤矿企业发展煤炭洗选加工，综合