煤炭的潔凈燃燒與高效利用技術

未來幾十年內，煤炭在我國一次能源結構中的主導地位是不可動搖的，這已是無需爭辯的事實。因此，在未來幾十年內，煤炭能源仍將是我國國民經濟高速、健康、持續發展的重要支柱。然而總體上說，我國目前的煤炭加工環節還相當薄弱，煤炭利用仍以傳統、落后的技術為主，環保設施亦不配套、不健全。因而，不僅煤炭利用效率較低，煤炭資源浪費嚴重，而且排放大量污染物，使得生態環境的惡化加劇。
    人類社會的可持續發展首先要求經濟、能源、環境必須協調發展。根據我國國情，并總結一些工業發達國家的經驗和教訓，得出的結論是：大力發展潔凈煤技術是我們切實可行的戰略選擇。煤炭潔凈加工與高效利用是我國潔凈煤技術的重要組成部分，對提高煤炭利用效率、減少污染物排放具有十分重要的現實意義。因此，應對其研究開發和技術推廣給予足夠的重視。
    2、國內外技術現狀
    2.1 國外情況
    國外一些國家，特別是工業發達國家消費的煤炭，絕大部分或大部分要經過洗選，因而商品煤質量較好。目前，商品煤入洗率日本為100％，德國和加拿大為95％，英國和澳大利亞為75％，前蘇聯和南非為60％，美國為55％。
    近年來，隨著潔凈煤技術在全球范圍內的迅速發展，國外不斷推出更加先進的煤炭潔凈加工與高效利用新技術，這些技術不僅大幅度提高了煤炭利用效率，而且具有卓越的環保特性。但目前普遍存在的問題是技術與設備造價昂貴，而且工程建設投資和運行費用也太高，因此，較難大量推廣應用。
    2.2 國內情況
    我國是世界上少數幾個一次能源以煤為主的國家之一。過去、現在和未來幾十年內，煤炭在我國一次能源消費結構中一直占主要地位，見表1。
    表1 煤炭在我國一次能源消費結構中所占比例
    年份 1952 1960 1970 1980 1990 1997 2010 2050
    比例，％ 95.00 93.90 80.89 72.15 76.20 73.50 64 47.7
    我國的煤炭消費結構與國外也有較大差別。國外一些國家消費的煤炭主要用于發電，如美國目前的發電用煤占煤炭消費總量的比例為87％。而我國目前的發電用煤只占煤消費總量的1/3左右。
    我國的煤炭利用以燃燒為主，在每年消費的煤炭中，有80％以上是直接燃燒。目前，全國有發電鍋爐約4 600臺，總蒸發量為43.1萬t/h，年耗煤量達4億t以上，平均供電煤耗為405 g/kWh，比工業發達國家高60 g/kWh左右；有中小型鍋爐49.9萬臺，其中工業用鍋爐為23.4萬臺，總蒸發量為68.4萬t/h，平均單機容量為2.92 t/h，生活用鍋爐為26.5萬臺，總蒸發量為51.4萬t/h，平均單機容量為1.93 t/h；有各類工業窯爐約16萬臺，絕大部分技術落后、設備簡陋，不僅煤炭利用效率低，造成煤炭的大量浪費，而且排放大量污染物，嚴重污染了環境。
    我國目前使用的其他煤炭利用技術也多以傳統的技術為主，如煤氣化技術、煉焦技術、煤制活性炭技術等主要還是本世紀上半葉的工藝和設備。因而，不僅使得煤化工產品的質量難以改善，檔次難以提高，嚴重制約著煤化工企業經濟效益的提高，而且造成煤炭利用效率低下，環境污染嚴重。
    總體上說，我國的煤炭加工、利用技術與世界先進水平相比，差距是很大的，且煤炭的終端消結構也很不合理。因此，作為世界上第一產煤和用煤大國，我國的煤炭潔凈加工與高效利用雖然前途光明，然而卻任重道遠。
    3 、技術內容
    3.1煤炭的潔凈燃燒技術主要有以下三種：
    3.1.1 燃燒前的凈化加工技術，主要是洗選、型煤加工和水煤漿技術。原煤洗選采用篩分、物理選煤、化學選煤和細菌脫硫方法，可以除去或減少灰分、矸古、硫等雜質；型煤加工是把散煤加工成型煤，由于成型時加入石灰固硫劑，可減少二氧化硫排放，減少煙塵，還可節煤；水煤漿是先用優質低灰原煤制成，可以代替石油。
    3.1.2 燃燒中的凈化燃燒技術，主要是流化床燃燒技術和先進燃燒器技術。流化床又叫沸騰床，有泡床和循環床兩種，由于燃燒溫度低可減少氮氧化物排放量，煤中添加石灰可減少二氧化硫排放量，爐渣可以綜合利用，能燒劣質煤，這些都是它的優點；先進燃燒器技術是指改進鍋爐、窯爐結構與燃燒技術，減少二氧化硫和氮氧化物的排放技術。
    3.1.3 燃燒后的凈化處理技術，主要是消煙除塵和脫硫脫氮技術。消煙除塵技術很多，靜電除塵器效率最高，可達99％以上，電廠一般都采用。脫硫有干法和濕法兩種，干法是用漿狀石灰噴霧與煙氣中二氧化硫反應，生成干燥顆粒硫酸鈣，用集塵器收集；濕法是用石灰水淋洗煙塵，生成漿狀亞硫酸排放。它們脫硫效率可達90％。
    3.2 煤炭高效利用
    煤炭的高效利用是根據終端需要，將經過潔凈加工的煤炭作為燃料或原料使用，從而實現煤炭的寶貴價值。煤炭高效利用包括高效燃燒和高效轉化。高效燃燒是將煤炭作為燃料使用，分為將煤炭的化學能轉化為熱能直接加以利用和將煤炭的化學能先轉化為熱能再轉化為電能加以利用；潔凈轉化是將煤炭作為原料使用，分為將煤炭轉化為氣態、液態及固態燃料或化學產品以及具有特殊用途的炭材料。煤炭的高效利用技術主要有以下四種：
    3.2.1 煤的氣化技術，有常壓氣化和加壓氣化兩種，它是在常壓或加壓條件下，保持一定溫度，通過氣化劑（空氣、氧氣和蒸汽）與煤炭反應生成煤氣，煤氣中主要成分是一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃氣體。用空氣和蒸汽做氣化劑，煤氣熱值低；用氧氣做氣化劑，煤氣熱值高。煤在氣化中可脫硫除氮，排去灰渣，因此，煤氣就是潔凈燃料了。
    3.2.2 煤的液化技術，有間接液化和直接液化兩種。間接液化是先將煤氣化，然后再把煤氣液化，如煤制甲醇，可替代汽油，我國已有應用。直接液化是把煤直接轉化成液體燃料，比如直接加氫將煤轉化成液體燃料，或煤炭與渣油混合成油煤漿反應生成液體燃料，我國已開展研究。
    3.2.3 煤氣化聯合循環發電技術，先把煤制成煤氣，再用燃氣輪機發電，排出高溫廢氣燒鍋爐，再用蒸汽輪機發電，整個發電效率可達45％。我國正在開發研究中。
    3.2.4 燃煤磁流體發電技術，當燃煤得到的高溫等離子氣體高速切割強磁場，就直接產生直流電，然后把直流電轉換成交流電。發電效率可過50％～60％。我國正在開發研究這種技術。