第1章　緒論

?1.1　煤炭清潔利用技術簡介

中國對煤炭的利用始于公元1080年，但是受制于運輸，煤炭并沒有成為中國社會的主要能源；經過約500年的發展，荷蘭的碳泥成為其國家經濟能源動力支柱，并建立了繁榮的帝國；又過了約300年，英國的煤炭利用使大英帝國取代荷蘭成為世界霸主；在之后的50～70年的時間里，德國、美國及俄國的煤炭能源都為其經濟發展提供了強大動力；1900年，美國煤炭生產量位居世界第一，奠定了國家工業化的基礎。美國因此成為經濟帝國霸主。如今，我國的能源構成仍以煤炭為主，并成為世界產煤第一大國。然而，日益嚴重的空氣污染問題，使控制燃煤污染物成為我國當前亟待解決的重大環境問題，也是重要的社會問題，直接影響我國經濟的可持續發展。煤炭的清潔燃燒成為當務之急。

十幾年來，我國煤炭行業的發展一直呈上升趨勢，但是，煤炭的開采、運輸、利用和轉化等方面存在的問題并沒有得到根本解決，導致了一系列環境污染問題，霧霾、酸雨和溫室氣體等都與煤炭的燃燒有關，落后的利用技術使煤炭成為主要的污染源。目前，全國70%的煙粉塵排放、85%的二氧化硫排放、67%的氮氧化物排放都源于以煤炭為主的化石能源的燃燒。另外，煤炭在我國一次能源消費中約占66%，煤炭消費總量約為37億噸，占全球煤炭消費總量的50%左右，以煤為主的能源結構在未來一段時間內不會改變。因此，對我國而言，煤炭一方面是主要污染源，另一方面又是主要的能源提供者，在這種局面下，必須大力推廣煤炭清潔利用技術，及時淘汰高能耗、高污染的煤炭生產工藝，更新先進的技術裝備，從而建立起清潔、高效、節約的煤炭工業體系，保障經濟社會的可持續發展。

1.1.1　煤炭清潔利用技術的內涵

煤炭作為一種能源，具有非常高的利用價值。然而，在對煤炭進行利用的過程中，會對自然生態環境造成一定程度的污染和破壞，這與可持續發展的理念相違背。因此，研究煤炭清潔利用對于促進煤技術的發展具有重要的現實意義。

煤炭清潔利用技術又稱為清潔煤技術，簡稱CCT。最初該技術的提出主要是為了從技術層面對煤炭燃燒過程中產生的環境污染問題進行解決，尤其是酸雨問題，并從經濟層面對煤炭能源進行最大限度的利用。作為一種能源，煤炭的可利用性已經得到了世界各國的認可。CCT被提出后，在極短的時間內得到了各國的關注。近年來，隨著國際社會對能源安全研究的不斷深入，能源安全這一概念的覆蓋面越來越廣，CCT也逐步被納入能源安全和環境保護的研究范疇。其內涵拓展到生產、加工、轉化、燃燒、環保等多個方面，不再僅限于最初提出的高效利用和減少污染。

目前，業界一致認可且普遍接受的煤炭清潔利用的定義如下：以提高煤炭資源的利用效率和減少對自然生態環境的污染為宗旨，對煤炭進行生產、加工、燃燒、轉化，并對有害的排放物進行控制。從該定義可以看出，煤炭清潔利用至少包括煤炭利用前、利用中和利用后3個方面的內容：①煤炭利用前的洗選、加工、轉化等煤炭加工技術，如型煤技術、水煤漿技術、煤炭液化與氣化技術等；②煤炭利用過程中的燃燒技術，如清潔發電技術，具體包括超臨界機組、循環流化床等；③煤炭燃燒之后的煙氣凈化技術，如脫硫、脫硝、顆粒物控制等。

1.1.2　煤炭清潔利用技術分類

1.先進脫硫技術

煤炭脫硫技術主要有3個方向：物理脫硫、化學脫硫和微生物脫硫。綜合考慮成本和操作難度，常采用化學脫硫工藝，因為其既能保證脫硫效率，又能很好地控制成本，不足之處是需要定期清洗設備并檢查設備內壁的腐蝕情況。其他兩種脫硫工藝也在不斷推廣和應用，但是都有嚴重的不足。物理脫硫雖然成本較低，但是脫硫效率不高，容易造成煤炭資源的浪費；微生物脫硫工藝雖然脫硫效率較高，但是成本較高，不易進行大規模推廣。各種煤炭脫硫工藝都會涉及很多不同的學科，因此，有必要開展結合各學科和相關工藝的研究，并把研究成果應用到生產實踐中。在選擇煤炭脫硫工藝時，應該先考慮成本和效率，再決定采用哪種工藝，當然，還要不斷研究新的脫硫工藝，以滿足新的技術需求。

總之，投資和運行費用少、脫硫效率高、脫硫劑利用率高、污染少、無二次污染的脫硫技術必將成為今后發展的主要趨勢。

2.低NOx燃燒技術

低NOx燃燒技術是在充分了解NOx生成機理的基礎上，控制煤炭的燃燒條件和方式，達到降低NOx排放量的目的。現在比較常用的技術包括循環燃燒和分層控制燃燒。循環燃燒是把燃燒過的煤炭再次進行燃燒，以達到充分燃燒的目的，充分燃燒煤炭能夠有效降低NOx的排放量。分層控制燃燒是通過對煤炭進行分階段燃燒，達到有效控制NOx排放量的目的。目前，利用這兩種技術控制NOx排放量的效果非常顯著，但是在實際生產中，燃燒控制技術涉及眾多學科和技術的結合，如果能夠認真探索和研究，有望繼續提升控制NOx排放量的效果。

3.先進脫硝技術

低NOx燃燒技術雖然能夠在一定程度上有效脫硝，但其效率不高，因此，有必要進一步研究脫硝工藝。常用的高效脫硝工藝是煙氣脫硝法，煙氣脫硝法有干法和濕法兩大類，由于NOx化學性質較為穩定，水溶性較差，所以，煙氣脫硝一般采用干法，干法要使用相應的催化劑進行還原。未來脫硝技術的發展不外乎兩大方向：一是減少NOx的排放量，從源頭上控制，減少污染；二是提高催化劑的活性，加快反應速度，提高單位時間的轉化率。當然，這兩個方向要結合研究。

4.除塵技術

現在，多數火力發電企業都安裝了除塵設備，除塵方法主要有靜電除塵、濕法除塵等。靜電除塵由于有較高的除塵效率和較低的成本，在安裝除塵設備的企業中應用多。除塵主要是對煤炭燃燒后的煙氣進行過濾，濾除其中的煙塵，可以進行循環除塵操作，即讓煤炭燃燒產生的煙氣反復通過靜電除塵裝置。在經過二次除塵后，一般除塵效率都可以達到95%以上，并且排放量會嚴格控制在國家標準內。今后主要研究的方向是如何更好地完成煤炭成型和除塵環節的銜接。

5.COx回收技術

對于COx的回收，較為成熟的方法是煤氣化技術。煤氣化技術主要是通過煤炭燃燒前的分層控制燃燒來減少COx的產生，也可以考慮對COx進行轉化，例如，通過加工制成干冰，或者轉化為低碳烴類，以便進一步制造高碳烴類（如汽油和噴氣燃料）。但是相較于前者而言，后者的技術應用尚不成熟，還有許多問題需要解決，成本也較高。

6.整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）技術

IGCC技術將煤氣化技術、煤氣凈化技術與高效的聯合循環發電技術相結合，在獲得高循環發電效率的同時，解決了燃煤污染排放控制的問題，是極具潛力的潔凈煤發電技術。目前，全國已有不少地區提出IGCC項目，并正在進行前期工作。雖然IGCC項目的建廠投資費用比較高，且發電效率不如超超臨界機組，但IGCC技術在發電效率上仍有很大的提高空間，并且因其無法比擬的清潔性和資源綜合利用優勢，其在潔凈煤發電技術中的地位仍然相當高。

此外，還有很多煤炭清潔利用技術尚在研究之中，先進的脫硫脫硝同步技術、先進的煤基近零排放多聯產系統技術等一批先進技術也將逐步廣泛地應用到潔凈煤技術中，它們都將為區域經濟發展和環境保護做出巨大貢獻。

1.1.3　我國“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點研發計劃

依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》，以及國務院《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》《中國制造2025》《關于加快推進生態文明建設的意見》等，科技部會同有關部門組織開展了《國家重點研發計劃煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項實施方案》編制工作，在此基礎上啟動煤炭清潔高效利用和新型節能技術專項2016年度項目。

專項總體目標如下：以控制煤炭消費總量、實施煤炭消費減量替代、降低煤炭消費比重、全面實施節能戰略為目標，進一步解決和突破制約我國煤炭清潔高效利用和新型節能技術發展的瓶頸問題，全面提升煤炭清潔高效利用和新型節能領域的工藝、系統、裝備、材料、平臺的自主研發能力，取得基礎理論研究的重大原創性成果，突破重大關鍵共性技術，并實現工業應用示范。

專項重點圍繞煤炭高效發電、煤炭清潔轉化、燃煤污染控制、二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）、工業余能回收利用、工業流程及裝備節能、數據中心及公共機構7個節能創新鏈（技術方向），部署了23個重點研究任務。