第1章　緒論

?1.1　煤炭清潔利用技術(shù)簡介

中國對(duì)煤炭的利用始于公元1080年，但是受制于運(yùn)輸，煤炭并沒有成為中國社會(huì)的主要能源；經(jīng)過約500年的發(fā)展，荷蘭的碳泥成為其國家經(jīng)濟(jì)能源動(dòng)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(shí)間里，德國、美國及俄國的煤炭能源都為其經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力；1900年，美國煤炭生產(chǎn)量位居世界第一，奠定了國家工業(yè)化的基礎(chǔ)。美國因此成為經(jīng)濟(jì)帝國霸主。如今，我國的能源構(gòu)成仍以煤炭為主，并成為世界產(chǎn)煤第一大國。然而，日益嚴(yán)重的空氣污染問題，使控制燃煤污染物成為我國當(dāng)前亟待解決的重大環(huán)境問題，也是重要的社會(huì)問題，直接影響我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。煤炭的清潔燃燒成為當(dāng)務(wù)之急。

十幾年來，我國煤炭行業(yè)的發(fā)展一直呈上升趨勢(shì)，但是，煤炭的開采、運(yùn)輸、利用和轉(zhuǎn)化等方面存在的問題并沒有得到根本解決，導(dǎo)致了一系列環(huán)境污染問題，霧霾、酸雨和溫室氣體等都與煤炭的燃燒有關(guān)，落后的利用技術(shù)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(fèi)中約占66%，煤炭消費(fèi)總量約為37億噸，占全球煤炭消費(fèi)總量的50%左右，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。因此，對(duì)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(shù)，及時(shí)淘汰高能耗、高污染的煤炭生產(chǎn)工藝，更新先進(jìn)的技術(shù)裝備，從而建立起清潔、高效、節(jié)約的煤炭工業(yè)體系，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1.1.1　煤炭清潔利用技術(shù)的內(nèi)涵

煤炭作為一種能源，具有非常高的利用價(jià)值。然而，在對(duì)煤炭進(jìn)行利用的過程中，會(huì)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成一定程度的污染和破壞，這與可持續(xù)發(fā)展的理念相違背。因此，研究煤炭清潔利用對(duì)于促進(jìn)煤技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

煤炭清潔利用技術(shù)又稱為清潔煤技術(shù)，簡稱CCT。最初該技術(shù)的提出主要是為了從技術(shù)層面對(duì)煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題進(jìn)行解決，尤其是酸雨問題，并從經(jīng)濟(jì)層面對(duì)煤炭能源進(jìn)行最大限度的利用。作為一種能源，煤炭的可利用性已經(jīng)得到了世界各國的認(rèn)可。CCT被提出后，在極短的時(shí)間內(nèi)得到了各國的關(guān)注。近年來，隨著國際社會(huì)對(duì)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(huán)境保護(hù)的研究范疇。其內(nèi)涵拓展到生產(chǎn)、加工、轉(zhuǎn)化、燃燒、環(huán)保等多個(gè)方面，不再僅限于最初提出的高效利用和減少污染。

目前，業(yè)界一致認(rèn)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(duì)自然生態(tài)環(huán)境的污染為宗旨，對(duì)煤炭進(jìn)行生產(chǎn)、加工、燃燒、轉(zhuǎn)化，并對(duì)有害的排放物進(jìn)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(gè)方面的內(nèi)容：①煤炭利用前的洗選、加工、轉(zhuǎn)化等煤炭加工技術(shù)，如型煤技術(shù)、水煤漿技術(shù)、煤炭液化與氣化技術(shù)等；②煤炭利用過程中的燃燒技術(shù)，如清潔發(fā)電技術(shù)，具體包括超臨界機(jī)組、循環(huán)流化床等；③煤炭燃燒之后的煙氣凈化技術(shù)，如脫硫、脫硝、顆粒物控制等。

1.1.2　煤炭清潔利用技術(shù)分類

1.先進(jìn)脫硫技術(shù)

煤炭脫硫技術(shù)主要有3個(gè)方向：物理脫硫、化學(xué)脫硫和微生物脫硫。綜合考慮成本和操作難度，常采用化學(xué)脫硫工藝，因?yàn)槠浼饶鼙ＷC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(shè)備并檢查設(shè)備內(nèi)壁的腐蝕情況。其他兩種脫硫工藝也在不斷推廣和應(yīng)用，但是都有嚴(yán)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(fèi)；微生物脫硫工藝雖然脫硫效率較高，但是成本較高，不易進(jìn)行大規(guī)模推廣。各種煤炭脫硫工藝都會(huì)涉及很多不同的學(xué)科，因此，有必要開展結(jié)合各學(xué)科和相關(guān)工藝的研究，并把研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。在選擇煤炭脫硫工藝時(shí)，應(yīng)該先考慮成本和效率，再?zèng)Q定采用哪種工藝，當(dāng)然，還要不斷研究新的脫硫工藝，以滿足新的技術(shù)需求。

總之，投資和運(yùn)行費(fèi)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(shù)必將成為今后發(fā)展的主要趨勢(shì)。

2.低NOx燃燒技術(shù)

低NOx燃燒技術(shù)是在充分了解NOx生成機(jī)理的基礎(chǔ)上，控制煤炭的燃燒條件和方式，達(dá)到降低NOx排放量的目的。現(xiàn)在比較常用的技術(shù)包括循環(huán)燃燒和分層控制燃燒。循環(huán)燃燒是把燃燒過的煤炭再次進(jìn)行燃燒，以達(dá)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(duì)煤炭進(jìn)行分階段燃燒，達(dá)到有效控制NOx排放量的目的。目前，利用這兩種技術(shù)控制NOx排放量的效果非常顯著，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，燃燒控制技術(shù)涉及眾多學(xué)科和技術(shù)的結(jié)合，如果能夠認(rèn)真探索和研究，有望繼續(xù)提升控制NOx排放量的效果。

3.先進(jìn)脫硝技術(shù)

低NOx燃燒技術(shù)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(jìn)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(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)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(yīng)的催化劑進(jìn)行還原。未來脫硝技術(shù)的發(fā)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(yīng)速度，提高單位時(shí)間的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)然，這兩個(gè)方向要結(jié)合研究。

4.除塵技術(shù)

現(xiàn)在，多數(shù)火力發(fā)電企業(yè)都安裝了除塵設(shè)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(shè)備的企業(yè)中應(yīng)用多。除塵主要是對(duì)煤炭燃燒后的煙氣進(jìn)行過濾，濾除其中的煙塵，可以進(jìn)行循環(huán)除塵操作，即讓煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣反復(fù)通過靜電除塵裝置。在經(jīng)過二次除塵后，一般除塵效率都可以達(dá)到95%以上，并且排放量會(huì)嚴(yán)格控制在國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。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(huán)節(jié)的銜接。

5.COx回收技術(shù)

對(duì)于COx的回收，較為成熟的方法是煤氣化技術(shù)。煤氣化技術(shù)主要是通過煤炭燃燒前的分層控制燃燒來減少COx的產(chǎn)生，也可以考慮對(duì)COx進(jìn)行轉(zhuǎn)化，例如，通過加工制成干冰，或者轉(zhuǎn)化為低碳烴類，以便進(jìn)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(shù)應(yīng)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(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）技術(shù)

IGCC技術(shù)將煤氣化技術(shù)、煤氣凈化技術(shù)與高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，在獲得高循環(huán)發(fā)電效率的同時(shí)，解決了燃煤污染排放控制的問題，是極具潛力的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。目前，全國已有不少地區(qū)提出IGCC項(xiàng)目，并正在進(jìn)行前期工作。雖然IGCC項(xiàng)目的建廠投資費(fèi)用比較高，且發(fā)電效率不如超超臨界機(jī)組，但I(xiàn)GCC技術(shù)在發(fā)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(yōu)勢(shì)，其在潔凈煤發(fā)電技術(shù)中的地位仍然相當(dāng)高。

此外，還有很多煤炭清潔利用技術(shù)尚在研究之中，先進(jìn)的脫硫脫硝同步技術(shù)、先進(jìn)的煤基近零排放多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)等一批先進(jìn)技術(shù)也將逐步廣泛地應(yīng)用到潔凈煤技術(shù)中，它們都將為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。

1.1.3　我國“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃

依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，以及國務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》《中國制造2025》《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》等，科技部會(huì)同有關(guān)部門組織開展了《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)專項(xiàng)實(shí)施方案》編制工作，在此基礎(chǔ)上啟動(dòng)煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)專項(xiàng)2016年度項(xiàng)目。

專項(xiàng)總體目標(biāo)如下：以控制煤炭消費(fèi)總量、實(shí)施煤炭消費(fèi)減量替代、降低煤炭消費(fèi)比重、全面實(shí)施節(jié)能戰(zhàn)略為目標(biāo)，進(jìn)一步解決和突破制約我國煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，全面提升煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能領(lǐng)域的工藝、系統(tǒng)、裝備、材料、平臺(tái)的自主研發(fā)能力，取得基礎(chǔ)理論研究的重大原創(chuàng)性成果，突破重大關(guān)鍵共性技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用示范。

專項(xiàng)重點(diǎn)圍繞煤炭高效發(fā)電、煤炭清潔轉(zhuǎn)化、燃煤污染控制、二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）、工業(yè)余能回收利用、工業(yè)流程及裝備節(jié)能、數(shù)據(jù)中心及公共機(jī)構(gòu)7個(gè)節(jié)能創(chuàng)新鏈（技術(shù)方向），部署了23個(gè)重點(diǎn)研究任務(wù)。