中國(guó)清潔煤技術(shù)發(fā)展中的若干問(wèn)題

一、煤炭在我國(guó)能源工業(yè)和環(huán)境保護(hù)中的地位

能源和環(huán)境是目前人類面臨的重要問(wèn)題，處理好這些問(wèn)題，對(duì)于人類生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

中國(guó)是****上****的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，圖1給出了我國(guó)建國(guó)后一次能源消耗的結(jié)構(gòu)變化。目前煤炭占我國(guó)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(guó)是****上少數(shù)以煤為主要能源的****之一。隨著我國(guó)對(duì)核能、水、電和新能源的開(kāi)發(fā)利用和發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)會(huì)有些改變。但預(yù)計(jì)到本世紀(jì)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(kāi)采、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和利用的各環(huán)節(jié)中都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的危害，是我國(guó)目前****的污染源之一。我國(guó)在煤燃燒過(guò)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(gè)燃料燃燒的96%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)的二氧化硫排放總量已達(dá)到2090萬(wàn)噸，取代美國(guó)(1600萬(wàn)噸))而成為****二氧化硫排放****的****。

二、煤的結(jié)構(gòu)

煤是由遠(yuǎn)古死亡植物殘骸沒(méi)入水中經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用，然后被地層覆蓋并經(jīng)過(guò)地質(zhì)化學(xué)作用形成的有機(jī)生物巖，是有機(jī)與無(wú)機(jī)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(jī)成份是以官能團(tuán)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(lái)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(guò)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(guò)程中提取部分液體環(huán)烴，則煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)品的品位就會(huì)大大的提高。

三、現(xiàn)有煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)及其問(wèn)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(guò)程簡(jiǎn)圖如圖4所示。

 

1.煤炭燃燒

我國(guó)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(wèn)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(wèn)題之二為對(duì)環(huán)境的污染極其嚴(yán)重。由于小型燃煤設(shè)備上沒(méi)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(dá)****煤發(fā)電的效率可達(dá)45%以上，而我國(guó)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(jiàn)，解決煤炭直接燃燒的問(wèn)題是煤潔凈****轉(zhuǎn)換的首要問(wèn)題。從理論上看，將煤炭直接燃燒產(chǎn)生熱能來(lái)利用的****缺陷在于該過(guò)程將高品位能降至極低品位的熱能來(lái)利用。如同用高溫高壓蒸汽來(lái)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(jìn)是提****率、降低污染的一個(gè)方向。同時(shí)，對(duì)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(lái)產(chǎn)生氣體燃料或產(chǎn)品的過(guò)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(guò)程中燃料的品位不僅沒(méi)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(guò)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(guò)程需要較苛刻的條件，即較高的溫度，同時(shí)半焦的完全氣化需要較長(zhǎng)的時(shí)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(jià)高。

 

為解決這些問(wèn)題，目前各國(guó)正在對(duì)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)進(jìn)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(wèn)題還沒(méi)有得到完全解決。同時(shí)，我國(guó)目前的燃?xì)廨啓C(jī)還需要依賴進(jìn)口。因此，該項(xiàng)技術(shù)不能完全符合我國(guó)的基本國(guó)情。

3.液化

煤炭液化是通過(guò)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(guò)程。煤炭液化可以通過(guò)二種方法來(lái)實(shí)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(guò)加氫使煤中的有機(jī)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(diǎn)，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(shí)，其過(guò)程在高壓、高溫條件下加氫進(jìn)行，苛刻的總體操作條件使產(chǎn)品的成本提高。目前還無(wú)法與相似石油化工產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)。

煤炭間接液化是將煤氣化后，再經(jīng)過(guò)催化合成為液體產(chǎn)品。煤炭的間接液化的優(yōu)點(diǎn)在于其煤種適應(yīng)性較寬，操作條件較溫合，同時(shí)，硫、氮和灰等污染先驅(qū)物可在氣化過(guò)程中脫除。但該過(guò)程包括氣化和合成二個(gè)過(guò)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(duì)于作為混合體的煤進(jìn)行單一轉(zhuǎn)化方法處理具有如下問(wèn)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(duì)投資高

因此，應(yīng)根據(jù)煤炭的結(jié)構(gòu)來(lái)開(kāi)發(fā)煤的潔凈****轉(zhuǎn)化新技術(shù)。

四、我國(guó)潔凈煤技術(shù)發(fā)展方向

煤是有機(jī)物與無(wú)機(jī)物的混合體。由圖3中所示的煤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其在熱解過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化，我們可看到，固體煤在加熱后可同時(shí)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(shì)將是綜合利用。通過(guò)綜合利用達(dá)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)利用，提高經(jīng)濟(jì)效益的綜合目的。如前所述，我國(guó)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(gè)方面，即新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。在此，作者將從過(guò)程分析的角度出發(fā)，重點(diǎn)討論新技術(shù)的開(kāi)發(fā)同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改造進(jìn)行簡(jiǎn)略的討論。

技術(shù)進(jìn)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(qiáng)：

●煤熱解、氣化和燃燒的機(jī)理

●煤的催化轉(zhuǎn)化機(jī)理

●煤轉(zhuǎn)化過(guò)程中污染物的生成機(jī)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(guò)程中，產(chǎn)生不同的產(chǎn)品，根據(jù)其品位進(jìn)行分級(jí)利用，提高整體轉(zhuǎn)換效率。**簡(jiǎn)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?xì)廨啓C(jī)和蒸汽機(jī)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(guó)的多聯(lián)供系統(tǒng)首先要從我國(guó)一次能源的現(xiàn)狀入手。我國(guó)是一個(gè)富煤、少油、貧氣的****，同時(shí)也是一個(gè)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(wèn)題。目前中央和地方政府已開(kāi)始在城市實(shí)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電更適于中國(guó)國(guó)情。而煤在熱解時(shí)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(guó)石油供需矛盾問(wèn)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(guó)的國(guó)情。中國(guó)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(guò)快速熱解產(chǎn)生的油氣經(jīng)過(guò)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(shí)降低重焦油量。

 

如前所述，傳統(tǒng)的煤轉(zhuǎn)化過(guò)程，如氣化，將煤中的碳?xì)浠�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(jí)。而拔頭工藝的創(chuàng)新點(diǎn)在于它創(chuàng)造了一個(gè)能直接提取高品位碳?xì)浠�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(shí)現(xiàn)。這樣可以達(dá)到煤的四聯(lián)供集成。由于該工藝可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)條件溫和，較容易實(shí)現(xiàn)在不同階段對(duì)S、N等污染物的先驅(qū)物進(jìn)行處理，節(jié)省一次投資和運(yùn)行費(fèi)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(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(fèi)能源、污染環(huán)境，同時(shí)所產(chǎn)生的煙塵還影響正常的交通運(yùn)輸(機(jī)場(chǎng)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(zhǎng)過(guò)程吸收的二氧化碳與其燃燒過(guò)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(huì)引起一系列的運(yùn)行問(wèn)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(wèn)題。

與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)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(guó)的城市垃圾產(chǎn)量與日俱增。由此引起的環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，城市垃圾的處理已成為直接影響城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)，人民生活質(zhì)量的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1995年城市生活垃圾清運(yùn)總量已達(dá)1.08億噸，工業(yè)固體廢物生產(chǎn)量為6.45億噸。而高消費(fèi)產(chǎn)生的生活垃圾越來(lái)越多，成分日益復(fù)雜而難于處理。為實(shí)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(shì)在必行。

垃圾具有成份復(fù)雜、灰分大、燃燒難等問(wèn)題。此外，由于其中的高氯含量和重金屬含量，在焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫氯腐蝕的二噁英排放高的問(wèn)題。分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)是解決這些問(wèn)題的途徑[2]，同時(shí)采用與煤混燒的方法可望徹底解決垃圾焚燒中的這些問(wèn)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(shí)所具有的問(wèn)題，生物質(zhì)和垃圾不能與煤直接混合來(lái)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)還可以還原燃煤過(guò)程利用生長(zhǎng)中產(chǎn)生的氮氧化合物，而剩余的對(duì)生物質(zhì)半焦可經(jīng)處理制做活性炭，對(duì)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(dá)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(gè)方面：

1.適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的脫硫脫硝技術(shù)

●無(wú)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(guò)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(shí)加強(qiáng)新型設(shè)備的研究，進(jìn)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(diǎn)，遵循綜合利用、分級(jí)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(shí)，應(yīng)開(kāi)展相應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究。

3.新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的改進(jìn)相結(jié)合。