2.6　煤的潔凈技術(shù)

如何在煤炭的開發(fā)、利用過程中減少對環(huán)境的危害，同時能從煤炭這一傳統(tǒng)的“不清潔”能源獲得“清潔”的氣體與液體燃料，成為全世界能源科技工作者追求的目標。“潔凈煤技術(shù)”這一概念也就由此產(chǎn)生了。通過30年的努力，已經(jīng)形成了許多成熟的潔凈煤技術(shù)。

潔凈煤技術(shù)是指在煤炭從開發(fā)到利用的全過程中，旨在減少污染物的排放與提高利用效率的煤炭加工、燃燒、轉(zhuǎn)化及污染物控制等新技術(shù)。主要包括潔凈生產(chǎn)技術(shù)、潔凈加工技術(shù)、高效潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)、高效潔凈燃燒與發(fā)電技術(shù)和燃煤污染排放治理技術(shù)等。研究與開發(fā)潔凈煤技術(shù)的主要目的是攻克煤氣化、煤炭液化、潔凈煤發(fā)電技術(shù)和綜合利用新技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，大幅度提高煤炭轉(zhuǎn)換過程中的效率和控制污染，提供優(yōu)質(zhì)替代燃料，優(yōu)化終端能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。

本節(jié)主要介紹煤炭洗選、加工（型煤和水煤漿等）、轉(zhuǎn)化（煤炭氣化和煤炭液化等）、先進燃燒技術(shù)（常壓循環(huán)流化床、增壓流化床、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)和高效低污染燃燒器等）、煙氣凈化（除塵和脫氮等）等方面的內(nèi)容。煤的轉(zhuǎn)化技術(shù)屬于更復(fù)雜的化學(xué)過程，下一節(jié)再作介紹。

2.6.1　煤炭的洗選和加工技術(shù)

開發(fā)潔凈煤技術(shù)，人們首先想到的是在煤被開采出來后將其中對環(huán)境有害的物質(zhì)通過某種方法分離出去，如將煤中的灰分分離出去，就可以降低煤在燃燒或轉(zhuǎn)化過程中排出大量的灰分，從而減少顆粒物的排放污染；將煤中的含硫化合物分離出去，就可以降低燃燒過程中硫分的排放，從而減少二氧化硫污染；將煤中的含氮化合物分離出去，就可以降低燃燒過程中氮的排放，從而減少氮氧化物的污染。

（1）煤炭洗選技術(shù)

煤炭洗選技術(shù)又稱選煤，是利用煤和雜質(zhì)（矸石）的物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，通過物理、化學(xué)或微生物分選的方法使煤與雜質(zhì)有效分離，并加工成質(zhì)量均勻、用途不同的煤炭產(chǎn)品。選煤方法主要有物理選煤技術(shù)、化學(xué)選煤技術(shù)和微生物選煤技術(shù)。目前我國原煤洗選超過50%，而發(fā)達國家原煤已全部洗選，洗選效率在95%以上。

物理選煤法主要是根據(jù)煤炭和雜質(zhì)的物理性質(zhì)（如粒度、密度、硬度、磁性及電性等）的差異進行分選。主要的物理分選方法有重力選煤、重介質(zhì)選煤、斜槽選煤、風力選煤等。浮選法屬于物理凈化的另一類方法，它是依據(jù)礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異進行分選，主要包括機械攪拌式浮選和無攪拌浮選。

一般選煤工藝包括三個過程：即煤的預(yù)處理、煤炭的分選、產(chǎn)品的脫水。原煤預(yù)處理包括接收、儲存、破碎和篩分。第二步進行分選。分選后產(chǎn)品要進行脫水，最后還要對煤泥水進行處理。

煤炭洗選后，可脫除煤中50%～80%的灰分、30%～40%的全硫或60%～80%的無機硫，燃用洗選煤可有效減少煙塵、SO₂和NO₂的排放。同時由于煤炭的質(zhì)量提高，可以提高煤炭的利用率。

化學(xué)法凈化技術(shù)是借助化學(xué)反應(yīng)使煤中有用成分富集，除去雜質(zhì)和有害成分的工藝過程。根據(jù)常用的化學(xué)藥劑種類和反應(yīng)原理的不同，目前在實驗室常用的化學(xué)脫硫方法，分為堿處理、氧化法和溶劑萃取法等。化學(xué)法可以脫除煤中大部分的黃鐵礦硫，其能源熱值回收率也很高（大于95%）。此外，化學(xué)法還可以脫除煤中的有機硫，這是物理方法無法做到的。

微生物凈化法在國內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注，是因為它可以同時脫除其中的硫化物和氮化物，與物理法和化學(xué)法相比，該法還具有投資少，運轉(zhuǎn)成本低，能耗少，可專一性地除去極細微分布于煤中的硫化物和氮化物，減少環(huán)境污染等優(yōu)點。這一方法是由生物濕法冶金技術(shù)發(fā)展而來的。它是在常溫常壓下，利用微生物代謝過程的氧化還原反應(yīng)達到脫硫的目的。微生物用于煤的脫氮，目前研究得很少。

（2）動力配煤技術(shù)

煤炭的消費中，絕大部分用于各種類型的鍋爐和窯爐，在現(xiàn)有條件下，提高鍋爐熱效率，保證鍋爐正常高效運行，是節(jié)省能源，減少污染的一個重要措施。動力配煤技術(shù)就是以煤化學(xué)、煤的燃燒動力學(xué)和煤質(zhì)測試等學(xué)科和技術(shù)為基礎(chǔ)，將不同類別、不同質(zhì)量的單種煤通過篩選、破碎，按不同比例混合和配入添加劑等過程，提供可滿足不同燃煤設(shè)備要求的煤炭產(chǎn)品的一種成本較低、易工業(yè)化實施的技術(shù)。通過動力配煤，可充分發(fā)揮單種煤的煤質(zhì)優(yōu)點，克服單種煤的煤質(zhì)缺點，生產(chǎn)出與單種動力用煤的化學(xué)組成、物理性質(zhì)和燃燒特性完全不同的“新煤種”，達到提高效率、節(jié)約煤炭和減少污染物排放的目的。

采用動力配煤技術(shù)可以最大限度地利用低值煤或當?shù)噩F(xiàn)有煤炭資源；使燃煤特性與鍋爐的設(shè)計參數(shù)相匹配，提高設(shè)備熱效率，節(jié)省煤炭；將不同品質(zhì)的煤相互配合，可以調(diào)節(jié)煤炭中的硫分、氮及其他礦物質(zhì)組分的含量，減少有害元素的排放，滿足環(huán)境保護的要求。

（3）型煤技術(shù)

型煤是用一種或數(shù)種煤粉與一定比例的黏結(jié)劑或固硫劑在一定壓力下加工形成的，具有一定形狀和一定物理化學(xué)性能的煤炭產(chǎn)品。高硫煤成型時可加入適量固硫劑，大大減少二氧化硫的排放。工業(yè)層燃鍋爐和工業(yè)窯爐燃用型煤和燃用原煤相比，能顯著提高熱效率，減少燃煤污染物排放。我國民用燃煤一般都用型煤。我國民用型煤比燒散煤熱效率提高1倍，一般可節(jié)煤20%～30%，煙塵和二氧化硫減少40%～60%，一氧化碳減少80%。在工業(yè)窯爐中使用可節(jié)煤15%，煙塵減少50%～60%，二氧化硫減少40%～50%，氮氧化物減少20%～30%。所以型煤是適合中國國情的，應(yīng)該鼓勵推廣使用的潔凈煤技術(shù)之一。

（4）水煤漿技術(shù)

水煤漿技術(shù)是一種以煤代油的煤炭利用新方式。國際上稱為CWM（coal water mixture）或CWF（coal water fuel）。將65%～70%的煤粉、30%～35%的水及0.5%～1.0%的分散劑和0.02%～0.1%的穩(wěn)定劑加入磨機中，經(jīng)磨碎后成為一種類似石油的可以流動的煤基流體燃料。水煤漿具有較好的流動性和穩(wěn)定性，可以像石油產(chǎn)品一樣儲存、運輸，并且具有不易燃、不污染的優(yōu)良特性，是目前比較經(jīng)濟和實際的清潔煤代油燃料。

水煤漿一般燃燒率可達96%～98%，綜合燃燒效率相當于或略低于燃煤粉鍋爐的效率。但其單位熱強度和燃燒負荷范圍（50%～120%）都優(yōu)于燃煤粉鍋爐，啟動點火溫度比燃煤粉鍋爐低100℃。由于水煤漿是采用洗精煤制備的，其灰分、硫分較低，在燃燒過程中，水分的存在可降低燃燒火焰中心溫度，抑制氮氧化物的產(chǎn)生量。另外，水煤漿自煤炭進入磨機后即可以采用管道、罐車輸送，不會造成煤炭運輸和儲存污染，具有較好的環(huán)保效果。

2.6.2　高效的燃燒技術(shù)

（1）燃煤鍋爐的低NO_x燃燒技術(shù)

煤燃燒產(chǎn)生排放的NO_x主要有兩個來源：由燃燒空氣中游離的氮和氧在高溫下反應(yīng)形成的燃燒型NO_x，煤炭中揮發(fā)分帶來的有機氮化物在燃燒中形成揮發(fā)性NO_x。

低NO_x燃燒技術(shù)就是根據(jù)NO_x的生成機理，在煤的燃燒過程中通過改變?nèi)紵龡l件或合理組織燃燒方式等方法來抑制NO_x生成的燃燒技術(shù)。

低過量空氣燃燒是其中最簡單的方法。使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行，隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制NO_x的生成，一般可以降低NO_x排放15%～20%。還有空氣分級燃燒、再燃技術(shù)、煙氣再循環(huán)、低NO_x燃燒器等技術(shù)都可以抑制NO_x的生成。

（2）循環(huán)流化床燃燒技術(shù)（CFBC）

循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)系指小顆粒的煤與空氣在爐膛內(nèi)處于沸騰狀態(tài)下，即高速氣流與所攜帶的稠密懸浮煤顆粒充分接觸燃燒的技術(shù)。具有氮氧化物排放低、可實現(xiàn)在燃燒過程中直接脫硫、燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高和負荷調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)勢，已成為當前煤炭潔凈燃燒的首選爐型。CFBC鍋爐爐膛溫度遠低于煤粉爐，固體濃度和傳熱系數(shù)在爐膛底部最大，溫度隨爐膛高度分布均勻。

CFBC燃燒系統(tǒng)一般由給料系統(tǒng)、燃燒室、分離裝置、循環(huán)物料回送裝置等組成。燃料和脫硫劑一起進入鍋爐，固體顆粒在爐膛內(nèi)，在由底部吹來具有一定風速的氣流的鼓動下，以一種特殊的氣固流動方式運動，高速氣流與所攜帶的稠密懸浮煤顆粒充分接觸，進行流化燃燒。燃煤煙氣中的SO₂與氧化鈣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被脫除，大部分已燃盡或未燃盡的燃料升至爐膛頂部出口，經(jīng)過旋風分離器將大顆粒燃料再返回床內(nèi)燃燒，通過旋風分離器的煙氣及微粒則經(jīng)煙道排至煙囪，如圖2-8所示。

超臨界CFBC是下一代CFBC技術(shù)，超臨界鍋爐的高壓蒸汽壓力最低為23MPa，最高為35MPa。由于運行時的壓力和溫度超過了水/汽的臨界點，并沒有由液態(tài)水到飽和蒸汽，然后到過熱蒸汽的變化過程，在臨界點以上，水以超臨界流體形式存在，液態(tài)水和飽和蒸汽沒有什么區(qū)別。當水在23MPa的壓力下加熱時，液態(tài)水的焓值從1977kJ/kg增加到2442kJ/kg，它的物理性質(zhì)從液態(tài)連續(xù)變化到氣態(tài)。超臨界CFBC鍋爐一般用于大型火力發(fā)電鍋爐，其生產(chǎn)規(guī)模達200MW以上，在鍋爐蒸汽溫度達到600℃，壓力在25MPa以上的超臨界操作條件下運行，機組的凈效率可以達到40%～41%，是一種具有明顯優(yōu)勢的適于在中國大量推廣的高效潔凈煤發(fā)電技術(shù)。

2.6.3　燃煤煙氣凈化技術(shù)

煙氣凈化是指從燃煤煙氣混合物中除去顆粒物、氣態(tài)污染物、有機污染物、痕量重金屬這四類主要污染物，將其轉(zhuǎn)化為無污染或是易回收的產(chǎn)物的過程。屬于燃燒后的凈化措施，包括煙氣脫硫、煙氣除塵和煙氣脫硝三大類技術(shù)。

（1）煙氣脫硫

煙氣脫硫一般分為干法和濕法兩類。

①石灰石-石膏濕法　采用廉價的石灰石或石灰漿為脫硫吸收劑，在吸收器內(nèi)，煙氣與石灰漿液接觸混合，煙氣中的SO₂與漿液中的CaCO₃反應(yīng)被脫除，脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器除去液滴后排入大氣。吸收漿液在多次循環(huán)利用后，經(jīng)脫水后回收或掩埋。這種脫硫方法效率可達到95%以上，適用于任何含硫煤質(zhì)的煙氣脫硫。

②噴霧干燥法　用石灰加水制成消石灰乳作吸收劑，在吸收塔內(nèi)，吸收劑霧狀噴灑，與煙氣混合接觸，將煙氣中SO₂轉(zhuǎn)化成CaSO₃。噴霧干燥法脫硫工藝技術(shù)成熟，系統(tǒng)的可靠性高，脫硫效率可達85%以上。

③電子束法　煙氣經(jīng)過除塵器粗濾并冷卻到70℃后進入反應(yīng)器，在反應(yīng)器入口處噴入氨水、壓縮空氣混合物，經(jīng)過電子束照射后，SO_x和NO_x在自由基作用下生成硫酸（H₂SO₄）和硝酸（HNO₃），再與共存的氨發(fā)生中和反應(yīng)，最終生成粉狀的硫酸銨［（NH₄）₂SO₄］和硝酸銨（NH₄NO₃）的混合粉體，從反應(yīng)器底部排出。凈化后的煙氣排向大氣。

④活性炭吸附法　含SO₂的煙氣通過內(nèi)置活性炭吸附劑的吸收塔，SO₂被活性炭吸附而達到脫除的目的，脫硫效率可達98%以上。吸附了硫的活性炭通過水蒸氣再生可以反復(fù)使用。

（2）煙氣除塵

①旋風分離　旋風分離器是利用旋轉(zhuǎn)的氣流對其中的粉塵產(chǎn)生的離心力，將粉塵從氣流中分離出來的除塵裝置。一般可用來捕集5～15μm以上的顆粒物，除塵效率可達80%以上。其優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投資少，操作維修費用低，能應(yīng)用于高溫、高壓以及有腐蝕性氣體的場合。但對5μm以下的細小顆粒的捕集效果不高。

②布袋除塵　利用織物制作的袋狀過濾元件來捕集含塵氣體中的固體顆粒物，被捕集了顆粒的煙氣排入空中。這種方法除塵效率高，可以達到99%，處理能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價低，操作維護費用低。缺點是設(shè)備體積大，壓力損失大，濾袋破損率高，使用壽命短。

③電除塵　在電除塵設(shè)備中，使浮游在氣體中的粉塵顆粒，在電場力的驅(qū)動下，作定向運動，從氣體中分離出來。其優(yōu)點是可以捕集一切細微的粉塵顆粒及霧狀液滴，適用范圍廣，壓降小，能耗低。但其缺點是設(shè)備體積大，對制造、安裝和運行的要求高，對粉塵的特性較為敏感。

（3）煙氣脫硝

①選擇性催化還原法（SCR）　煙氣在有鎳、釩等金屬元素的催化劑的作用下，在300～400℃的條件下，NO_x與加入的NH₃產(chǎn)生還原反應(yīng)，生成N₂。當氨/NO_x控制在0.9時，脫除效率可達85%以上。

②選擇性氨催化還原法（SNCR）　該方法與上面的SCR法類似，但不使用催化劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，將NO_x還原，其平均脫除效率為30%～65%。

③活性炭法　活性炭可以同時脫硫脫硝。吸附反應(yīng)在90～110℃條件下進行，吸附后的活性炭可以在解析器中解析再生，這種方法脫硝效率可達85%左右。