洁净煤技术是世界各国解决煤炭利用过程中环境问题的主导技术之一,也是国际竞争的重要高新技术之一。20世纪80年代初期,由美国与加拿大解决两国边境酸雨问题谈判的D.刘易斯[注]和W.戴维斯[注]提出。美国在1986年开始推行“洁净煤技术示范计划”,设计先进的燃煤发电系统、环境控制设备、煤炭加工和清洁燃料装置、工业应用技术示范项目等,推进煤炭的高效洁净综合利用。日本在1980年成立了“新能源工业技术综合开发机构”,主要从事洁净煤技术和新能源的研究开发。开发的项目包括提高煤炭利用效率的技术,脱硫、脱氮技术,先进的煤炭洗选、燃烧技术,先进的焦炭生产技术,煤炭转化技术,粉煤灰的有效利用技术等。
20世纪90年代,欧盟推出“未来能源计划”。研究开发的项目有煤气化联合循环发电、煤和生物质及废弃物联合气化(或燃烧)、循环流化床燃烧、固体燃料气化与燃料电池联合循环技术等。
中国1994年由国家计委和经贸委成立了国家洁净煤领导小组,编制了“中国洁净煤发展规划”,建立了“中国洁净煤工程技术研究中心”。1997年国务院批准了《中国洁净煤技术九五计划和2010年发展纲要》。“十五”期间,洁净煤技术被列入国家863计划。“十一五”计划期间,国家科技部等相关部委资助形成了一大批具有自主知识产权的节能环保与新能源技术项目。“十二五”计划把洁净煤技术作为新兴战略性支柱产业的发展方向之一。中国已将发展洁净煤技术列入《中国21世纪议程》,提出了洁净煤技术框架体系,共涉及煤炭洗选与加工、燃煤发电、煤炭转化、污染物处理与资源再利用等四个领域内的14项技术。其中,煤炭洗选与加工技术包括选煤、型煤、水煤浆等;燃煤发电技术包括循环流化床燃烧(CFBC)、增压流化床燃烧(PFBC)、整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)等;煤炭转化技术包括煤炭气化、煤炭液化和燃料电池等;污染物处理与资源再利用技术包括烟气净化、电厂粉煤灰综合利用、煤层气的开发利用、煤矸石和煤泥水的综合利用等。
洁净煤技术涉及多行业、多领域、多学科,是一项庞大的系统工程,中国发展洁净煤技术的目标:一是减少环境污染;二是提高煤炭利用效率,减少煤炭消费;三是通过加大转化,改善终端能源结构,降低对石油的依赖。根据洁净煤技术发展现状,煤焦化、煤炭气化、煤炭液化等技术发展较快,特别是煤气化技术作为实现煤炭洁净利用的关键共性技术,成为发展煤基化学品、煤基液体燃料、煤气化联合循环发电、多联产等过程工业的龙头和基础。
为提高煤的质量或利用价值,以获得适合不同需要的商品煤或煤制品,应用各种方法对原煤进行的处理工作。主要有选煤、型煤和水煤浆。
将采出的煤经人工和机械处理去除有害物质,并按需要分成不同质量、规格产品的过程。通过选煤可去除煤中大部分灰分和硫分。中国2006年经洗选原煤超过7亿吨,通过选煤可大幅度减少大气中SO2和水蒸气合成硫酸形成的毒雾或酸雨。世界人为排放大气中的硫70%来自燃煤。选煤是洁净煤技术的基础。提高入选原煤比例是当务之急。
将6毫米以下的煤粉、黏结剂和添加剂按比例混合而成的物料(型煤配合料)加压成具有一定形状、质量、大小和特定理化性能的燃料或原料。又称煤砖,如煤球、蜂窝煤。因黏结剂中含石灰(CaO)等成分,能与SO2、CO结合成硫酸钙、碳酸钙等。既节煤又少排烟尘,SO2、CO约减少50%。型煤技术简便、易推广、需求量大、市场广阔。
用一定粒度的煤与水等液体混合成稳定的高浓度可泵送、雾化的浆状燃料。如与重油混合称油煤浆。水煤浆是20世纪70年代发展起来的一种以煤代油的新型燃料,应用于燃油的各种燃烧炉中。它是以低灰、高挥发分的烟煤研磨成平均粒度为50~80微米的煤粉与不高于30%的水及微量分散剂和稳定剂等加工而成。2003年,中国水煤浆的年产能力达426万吨。
煤炭燃烧是煤中可燃成分(碳、氢、硫等)与空气中氧进行剧烈的化学反应,放出大量的热并生成烟气(CO、CO2、SO2、NOx等)、粉尘、灰渣的过程。燃烧前后和燃烧过程中的净化如下。
主要指选煤。对中、高灰分和中、高硫分的动力用煤进行分选。
采用流化床锅炉,通过高速气流使煤粉像流体一样在炉中沸腾燃烧,同时喷吹石灰粉末除去燃煤产生的SO2,通常能脱除90%的硫。因燃烧温度为760~870℃,远低于形成氮氧化污染物(NO、NO2)的临界温度1600℃,故可大量减少NOx排放量。此技术可应用于劣质煤。2003年中国已有各种类型(35~420吨/时)循环流化床锅炉1230余台。
主要通过静电除尘器除尘,效率可达99%;催化剂除氮;吸收剂(石灰石)吸收SO2。2003年,中国已安装燃煤电站烟气脱硫装置1000万千瓦、在建1500万千瓦。
煤通过热加工或化学加工获得热能或化学制品的技术。煤转化包括:煤炭燃烧、煤炭气化、煤炭液化、煤炭低温干馏、煤炭焦化等。煤炭气化和煤炭液化是将煤转化成清洁、高效的气体或液体燃料,以避开传统的燃煤过程。煤气化联合发电是将煤气化产生的煤气经除尘、脱硫、吸氮等净化后燃烧,通过燃气涡轮机发电,并利用排放的高温(500℃左右)废气产生水蒸气来推动传统的汽轮机发电的一种新型燃煤发电技术。它可使用劣质煤气化,达到提高其热效率(一般可达45%)的目的。因煤气已被净化,基本无公害,有望成为燃煤发电的主导技术。荷兰建成的谢尔电厂装机容量达28.3万千瓦。
煤炭开发既破坏又污染环境。它占用大量土地并造成土地资源破坏。露天开采形成大坑、地下开采引起地表沉陷。开采排放的大量剥离物或矸石压占土地,因风化自燃产生有毒烟气和淋滤污水;矿区开发破坏水资源环境,排出的矿井水又污染水体。中国产煤区往往远离需煤区,长距离运输过程年排放煤尘达数百万吨。中国已制定并积极执行有关煤矿环境保护、治理的技术政策。如在煤矿附近建电厂和建材加工厂,使煤当地发电输出,产生的煤灰制作建筑材料,形成“煤-电-建材”产业链,减少煤炭长距离运输。