中國清潔煤技術(shù)發(fā)展中的若干問題

一、煤炭在我國能源工業(yè)和環(huán)境保護中的地位

能源和環(huán)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(xù)發(fā)展有著重要的意義。

中國是****上****的煤炭生產(chǎn)國和消費國，圖1給出了我國建國后一次能源消耗的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的比例可看到，中國是****上少數(shù)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(fā)利用和發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)會有些改變。但預(yù)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(zhuǎn)化和利用的各環(huán)節(jié)中都會對生態(tài)環(huán)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(jīng)濟的迅速發(fā)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(jié)構(gòu)

煤是由遠古死亡植物殘骸沒入水中經(jīng)過生物化學(xué)作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過地質(zhì)化學(xué)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(zhì)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(xiàn)的，包括羥基、羧基、羰基、甲氧基等。煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模式可由圖3的示意圖來表示。

 

由圖可知環(huán)烴和鏈烴為煤的主要組成部分。煤在熱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化過程中提取部分液體環(huán)烴，則煤轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)品的品位就會大大的提高。

三、現(xiàn)有煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)及其問題

目前煤炭的轉(zhuǎn)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(shè)備，其問題之一為熱效率低，如工業(yè)爐窯的熱效率中有40%左右，而工業(yè)及供暖鍋爐的熱效率也僅為60%左右。問題之二為對環(huán)境的污染極其嚴重。由于小型燃煤設(shè)備上沒有污染物排放控制手段，其排放量要比大型燃燒設(shè)備高得多。大型燃煤設(shè)備如電站鍋爐的轉(zhuǎn)換效率比小型設(shè)備高。目前發(fā)達****煤發(fā)電的效率可達45%以上，而我國的煤發(fā)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(zhuǎn)換的首要問題。從理論上看，將煤炭直接燃燒產(chǎn)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(xiàn)狀即在近期內(nèi)以燃燒為主的局面不可能有大的變化，因此，現(xiàn)有燃燒設(shè)備的改進是提****率、降低污染的一個方向。同時，對于新設(shè)備應(yīng)采用新的轉(zhuǎn)化技術(shù)，逐漸改變煤炭利用的現(xiàn)有格局。

2.氣化

煤炭氣化是利用固體煤來產(chǎn)生氣體燃料或產(chǎn)品的過程，與煤的直接燃燒相比，氣化具有較大的優(yōu)越性。首先，在轉(zhuǎn)化過程中燃料的品位不僅沒有降低，而且略有升高。所產(chǎn)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(jié)果是氣化爐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高。

 

為解決這些問題，目前各國正在對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)進行深入的研究(如5所示)。該技術(shù)的商業(yè)化可望提高煤炭的轉(zhuǎn)化效率。但目前煤氣的高溫凈化這一關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)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(xiàn)：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(zhuǎn)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(zhuǎn)化率高的優(yōu)點，但由于其產(chǎn)率依賴于煤的結(jié)構(gòu)，煤種適應(yīng)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(chǎn)品的成本提高。目前還無法與相似石油化工產(chǎn)品相競爭。

煤炭間接液化是將煤氣化后，再經(jīng)過催化合成為液體產(chǎn)品。煤炭的間接液化的優(yōu)點在于其煤種適應(yīng)性較寬，操作條件較溫合，同時，硫、氮和灰等污染先驅(qū)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(chǎn)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(zhuǎn)化方法處理具有如下問題：

●轉(zhuǎn)化效率低

●轉(zhuǎn)化后產(chǎn)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(yīng)根據(jù)煤炭的結(jié)構(gòu)來開發(fā)煤的潔凈****轉(zhuǎn)化新技術(shù)。

四、我國潔凈煤技術(shù)發(fā)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(jié)構(gòu)簡圖及其在熱解過程中結(jié)構(gòu)變化，我們可看到，固體煤在加熱后可同時產(chǎn)生氣、液及固體產(chǎn)品。因此，采用單一的轉(zhuǎn)化方式不符合煤的熱轉(zhuǎn)換特性。所以，潔凈煤技術(shù)發(fā)展的趨勢將是綜合利用。通過綜合利用達到提高轉(zhuǎn)化效率、減少污染物的生成，提高產(chǎn)品的品位，對產(chǎn)品進行分級利用，提高經(jīng)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(nèi)不可能有較大的變化。因此，潔凈煤技術(shù)的發(fā)展應(yīng)包括二個方面，即新技術(shù)的開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)的改進。在此，作者將從過程分析的角度出發(fā)，重點討論新技術(shù)的開發(fā)同時也對現(xiàn)有技術(shù)的改造進行簡略的討論。

技術(shù)進步依賴于基礎(chǔ)理論研究成果。根據(jù)潔凈煤轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展方向，以下方面的基礎(chǔ)理論研究應(yīng)得到加強：

●煤熱解、氣化和燃燒的機理

●煤的催化轉(zhuǎn)化機理

●煤轉(zhuǎn)化過程中污染物的生成機理

●煤轉(zhuǎn)化系統(tǒng)集成

●放大技術(shù)

五、潔凈煤轉(zhuǎn)化新技術(shù)

1.多聯(lián)供

多聯(lián)供是在燃料過程中，產(chǎn)生不同的產(chǎn)品，根據(jù)其品位進行分級利用，提高整體轉(zhuǎn)換效率。**簡單的多聯(lián)供為熱電聯(lián)供，與單純發(fā)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(lián)合循環(huán)的方法提高整體發(fā)電效率。

選擇適合于我國的多聯(lián)供系統(tǒng)首先要從我國一次能源的現(xiàn)狀入手。我國是一個富煤、少油、貧氣的****，同時也是一個發(fā)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(huán)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(jié)構(gòu)的調(diào)整，這一結(jié)構(gòu)調(diào)整需要充足的城市煤氣。從這一角度考慮，用煤轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的煤氣作為民用燃料比用于燃氣輪機發(fā)電更適于中國國情。而煤在熱解時將產(chǎn)生部分液體產(chǎn)品，如果能利用這些產(chǎn)品，可以部分緩解我國石油供需矛盾問題。因此，發(fā)展煤轉(zhuǎn)化的氣、油、熱、電四聯(lián)供技術(shù)將更符合于中國的國情。中國科學(xué)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(zhuǎn)化的四聯(lián)供提供了一條可行的途徑[1]。其工藝思路由圖6所示。煤經(jīng)過快速熱解產(chǎn)生的油氣經(jīng)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(chǎn)品的二次裂解和二次聚合反應(yīng)，提高了油產(chǎn)率，同時降低重焦油量。

 

如前所述，傳統(tǒng)的煤轉(zhuǎn)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(huán)烴如苯、甲苯、酚等降級。而拔頭工藝的創(chuàng)新點在于它創(chuàng)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(fā)電、供熱。

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

2.混燒技術(shù)

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

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富，農(nóng)作物秸桿年產(chǎn)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(huán)境，同時所產(chǎn)生的煙塵還影響正常的交通運輸(機場停飛、高速公路關(guān)閉)。而生物質(zhì)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(zhì)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(jié)渣、粘灰等。生物質(zhì)與煤的混燒技術(shù)可望解決這些問題。

與此同時，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)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(chǎn)量與日俱增。由此引起的環(huán)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(jīng)濟建設(shè)，人民生活質(zhì)量的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，1995年城市生活垃圾清運總量已達1.08億噸，工業(yè)固體廢物生產(chǎn)量為6.45億噸。而高消費產(chǎn)生的生活垃圾越來越多，成分日益復(fù)雜而難于處理。為實現(xiàn)城市垃圾的資源化、能源化利用，發(fā)展垃圾焚燒技術(shù)勢在必行。

垃圾具有成份復(fù)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(chǎn)生高溫氯腐蝕的二噁英排放高的問題。分級轉(zhuǎn)化技術(shù)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(zhì)和垃圾混燒的方案示意圖。由于上述的生物質(zhì)和垃圾燃燒時所具有的問題，生物質(zhì)和垃圾不能與煤直接混合來燃燒。首先將生物質(zhì)或垃圾加入熱解室，熱解后的氣體經(jīng)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(zhì)或垃圾在燃燒過程中產(chǎn)生的腐蝕問題，同時還可以還原燃煤過程利用生長中產(chǎn)生的氮氧化合物，而剩余的對生物質(zhì)半焦可經(jīng)處理制做活性炭，對剩余的垃圾焦、灰混合物可經(jīng)處理制做保溫材料，這樣就可以達到綜合利用的目的。

 

六、現(xiàn)有設(shè)備的改造

現(xiàn)有設(shè)備的改造包括以下幾個方面：

1.適應(yīng)中國國情的脫硫脫硝技術(shù)

●無水污染的濕法脫硫技術(shù)

●再燃法降低氮氧化合物

●流化床技術(shù)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(xiàn)有煤粉鍋爐中飛灰的綜合利用：用于建筑材料

4.現(xiàn)有工業(yè)窯爐的改造：主要致力于提****率、降低污染。

5.小型燃煤設(shè)備的改造：致力于提****率降低污染，同時加強新型設(shè)備的研究，進行更新?lián)Q低。

七、結(jié)論

1.清潔煤轉(zhuǎn)化應(yīng)根據(jù)煤的結(jié)構(gòu)特點，遵循綜合利用、分級轉(zhuǎn)化、污染治理、品位提高的原則。

2.在發(fā)展?jié)崈裘盒录夹g(shù)的同時，應(yīng)開展相應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究。

3.新技術(shù)開發(fā)應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的改進相結(jié)合。