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煤炭清洁利用技术在中国的发展现状
南京大学医学院 091230006 陈意喆
摘 要：能源是社会发展和人类进步的基础在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。由于我国的一次能源将在相当长的一段时间内仍保持以煤炭为主，所以本文着重介绍了我国煤炭清洁利用技术的发展现状，着重介绍了煤的洗选技术、循环流化床燃烧技术(CFBC)、整体煤气化联合循环技术( IGCC)以及二氧化碳的捕集和封存技术(CCS)等煤的清洁利用技术。 关键词：煤炭的清洁利用技术（CCT）、整体煤气化联合循环技术(IGCC)、循环流化床燃烧技术(CFBC)、二氧化碳的捕集和封存技术(CCS)
由于我国的国情决定了今后的30至50年内，煤炭在我国一次能源构成的主导地位不会改变。 除少量用于煤化工等领域外,煤的主要利用方式是直接燃烧,火力发电、工业锅炉和城乡居民生活用煤占煤炭总产量的80 %以上,其中发电与热电联产用煤总量占煤炭总产量的50%以上;预计2010 年我国煤炭生产和发电用煤分别达到26 亿吨和16 亿吨煤炭利用存在的问题是:效率低和污染严重。 对于工业锅炉和城乡居民生活用煤来说,由于量大面广,利用效率极低并且污染特别严重,解决的方法是采用电和天然气等洁净燃料进行替代,因此其煤炭消费比例在不断减小。 而随着我国经济继续稳定增长,对电力的需求的增大导致发电用煤的比例不断增大。[1]
燃煤电厂的污染主要有:大气污染、水污染、固体废弃物污染等。其中大气污染物主要是由煤燃烧后产生的二氧化碳(CO2) 、二氧化硫(SO2) 、氮氧化物(NOx)、烟尘和含有汞的重金属等,其中SO2 和NOx 会导致形成酸雨,同时氮氧化物又能与碳氢化合物结合形成光化学烟雾，同时，二氧化碳排放量的增加,使温室效应日益加重。所以加快发展高效环保的清洁煤发电技术也成为我国煤炭产业和电力工业发展的必然选择和根本出路。清洁煤技术（CCT）就是指以煤炭洗选为源头、以煤炭高效洁净燃烧为先导、以煤炭气化为核心、以煤炭转化和污染控制为重要内容的技术体系，主要包括煤炭加工、煤炭高效洁净燃烧、煤炭转化等技术手段。目前,煤的清洁利用的主要技术有:煤炭洗选技术、煤的高效燃烧及其燃烧后的烟气处理、净化, 即脱硫、脱硝、CO2 的捕获与封存(CCS) ,循环流
化床燃烧(CFBC) 技术,整体煤气化联合循环(IGCC) 技术等。 1．煤炭洗选技术
煤炭洗选技术是通过物理、化学以及微生物的方法将原煤中的可燃物和非可燃物(灰分)进行分离，使洗选产品中的灰分、硫分、水分尽可能降低，以满足煤炭燃烧对大气地面环境的污染控制要求。
1．1物理方法 分为洗选和分选，是利用煤中各物质物理性质的差异来分离。主要的物理分选方法有①重力选煤，包括跳汰选煤、重介质选煤、斜槽选煤、摇床选煤、风力选煤等。②电磁选，利用煤和杂质的电磁性能差异进行分选。物理法脱硫工艺简单，不仅使脱硫成本远低于燃煤设施的烟气脱硫费用，而且节能效益和社会效益增加，但脱硫效率一般在40%以下，且只能脱除表面的无机硫。 1．2化学方法 化学方法是采用选择性去除矿物质或有机硫组分的化学反应进行分选。目前在实验室常用化学的方法脱硫。根据常用的化学药剂种类和反应原理的不同，可分为碱处理、氧化法和溶剂萃取等。
1．3 微生物方法 由于常用的物理方法只能脱除无机硫，对于有机硫和微细浸染状的黄铁矿硫则无能为力，而化学方法对后两种硫的脱除虽有效，但因它需要特定的温压条件及化学试剂，会影响煤的发热量和结焦性等特点，故一般不予采用。而利用微生物法脱硫则克服了上述缺点，一方面可以在常态下进行，另一方面它可以同时脱除无机硫和有机硫，且不影响煤质。无机硫的脱除，在水和氧的作用下，黄铁矿缓慢地氧化，释放出亚铁离子和硫酸。当有嗜酸性的铁硫氧化细菌存在时，亚铁离子被细菌迅速的氧化成铁离子。在酸性条件下，铁离子是强氧化剂，它可直接氧化黄铁矿和其它的金属硫化物，成为元素硫。元素硫再被细菌或铁离子氧化，最终形成硫酸。对于有机硫的脱除，除了少数的菌种既能脱除模式化合物上的硫，又能有效的脱除煤中的硫以外，其它的菌种，在应用到煤炭脱硫上时，效果都不理想。
煤的洗选技术有如下优点：(1)提高煤炭质量，减少燃煤污染物排放(2)提高煤炭利用效率，节约能源(3)优化产品结构，提高产品竞争能力 2．循环流化床燃烧技术(CFBC)
流化床燃烧技术是高效、清洁的新一代燃煤技术,它经历了从鼓泡流化床到循环流化床的发展过程。循环流化床燃烧技术以快速流化状态下的气固流化床为技术为基础,易于大型化。 CFBC利用粗煤气的余热将气化剂加热后送入煤气炉中
与固体煤反应生成煤气，相较于传统的燃煤气化技术，其燃烧效率更高，且基本无有害排放,其关键性的技术在于空气预热器及煤气炉的结构。给煤系统将原料煤处理成颗粒小于8mm，含水率小于1％且具有一定温度的煤粉，然后通过给煤机将煤粉送入煤气发生炉。煤气发生炉中反应生成的粗煤气经过高、低温分离器和高、低温换热器、废热锅炉进行煤粉分离和热交换，分离出来的煤粉通过返料机返回煤气发生炉中再利用，通过热交换器和废热锅炉加热的气化剂也输入煤气发生炉中与煤粉反应，煤气炉中反应生成的煤渣通过出渣机排出。进行分离过后的粗煤气再经过净化除尘系统除去粉尘及有害物质后送入气柜，最后通过煤气鼓风机将清洁煤气送至用户。目前基于循环流化床燃烧技术的循环流化床燃煤锅炉已能投入商业化燃煤发电运营,由于其煤种适应性广,燃烧效率高,以及炉内脱硫脱硝等特点,近二十年来,大容量的循环流化床燃煤锅炉取得了迅速的发展。目前,世界上单机最大容量循环流化床锅炉发电机组已达600MW。法国已投入单机容量250MW蒸发量700t/ h 的CFBC 锅炉运行,锅炉效率90.5 % ,脱硫率93 % ,NOx排放低于250mg/ Nm3。[2]
我国建设的第一个国产化300MW 大型循环流化床机组———开远电厂工程,它的脱硫效率可达95%，NOx最高排放质量浓度仅为标准限值的1/2，除尘效率达99.6%以上，各种废水经多级处理后可实现“零排放”。[ 3 ]
CFBC具有如下优点：(1)流化床低温燃烧技术实现了燃烧过程高效脱硫、脱硝。(2)燃料的适应范围广泛，甚至可以燃烧一切具有发热量的可破碎固体燃料。(3)排出的灰渣活性较好，有利于灰渣的综合利用方便与颗粒直接接触的受热面，具有很高的传热系数，受热面布置灵活流化床的负荷调节范围很大，非常适应于电网调峰(4)小型的CFB可以实现较长时间的压火热备用(5)整台锅炉机组的锅炉岛系统布局简单,不需要十分庞杂的燃料制备系统(6)在充分注意环保指标的前提下，设备综合性一次投资较少(7)运行操作简便，辅助机械故障率较低(8)热效率和燃烧效率较高。
不过CFBC技术存在的以下一些缺点：（1）锅炉受热面磨损严重（2）锅炉系统的烟风阻力较大,风机电耗高、噪音大（3）烟气中携带的飞灰可燃物含量普遍较高 且N2O 生成物大大高于常规的煤粉燃烧系统。
3. 整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）
IGCC（整体煤气化联合循环发电技术，Integrated Gasification Combined Cycle）是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%～45%，今后可望达到更高。而污染物的排放量仅为常规燃煤电站的1/10，脱硫效率可达99%，二氧化硫排放在25mg/Nm3左右。（目前国家二氧化硫为1200mg/Nm3），氮氧化物排放只有常规电站的15%--20%，耗水只有常规电站的1/2-1/3，利于环境保护。
整体煤气化联合循环由两大部分组成，第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC的工艺过程如下：煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气轮机做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。
在整个IGCC的设备和系统中，燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉等设备和系统均以十分成熟，因此IGCC发电系统能够最终商业化的关键是煤的气化炉及煤气的净化系统。所以对IGCC气化炉及煤气的净化系统有如下要求：（1)气化炉的产气率、煤气的热值和压力及温度等参数能满足设计的要求（2)气化炉有良好的负荷调节性能，能满足发电厂对负荷调节的要求（3)煤气的成分、净化程度等要能满足燃气轮机对负荷调节的要求（4)具有良好的煤种适应性（5)系统简单，设备可靠，易于操作，维修方便，具有电厂长期、安全可靠运行所要求的可用率（6)设备和系统的投资、运行成本低。
IGCC发电技术把煤炭气化、煤气净化技术与联合循环发电技术结合在一起,具有以下有优点：（1）发电效率高，目前可达45%，且仍有继续提高的潜力（2）与传统的燃煤方式不同，它能实现98%以上的污染物脱除效率，并可回收高纯度的硫、粉尘和其他污染物在此过程中一并被脱除（3）用水量小，约为同等容量常规火电机组的三分之一至二分之一（4）通过采用低成本的燃烧前碳捕捉技术