第1章　绪论

 1.1　煤炭清洁利用技术简介

中国对煤炭的利用始于公元1080年，但是受制于运输，煤炭并没有成为中国社会的主要能源；经过约500年的发展，荷兰的碳泥成为其国家经济能源动力支柱，并建立了繁荣的帝国；又过了约300年，英国的煤炭利用使大英帝国取代荷兰成为世界霸主；在之后的50～70年的时间里，德国、美国及俄国的煤炭能源都为其经济发展提供了强大动力；1900年，美国煤炭生产量位居世界第一，奠定了国家工业化的基础。美国因此成为经济帝国霸主。如今，我国的能源构成仍以煤炭为主，并成为世界产煤第一大国。然而，日益严重的空气污染问题，使控制燃煤污染物成为我国当前亟待解决的重大环境问题，也是重要的社会问题，直接影响我国经济的可持续发展。煤炭的清洁燃烧成为当务之急。

十几年来，我国煤炭行业的发展一直呈上升趋势，但是，煤炭的开采、运输、利用和转化等方面存在的问题并没有得到根本解决，导致了一系列环境污染问题，雾霾、酸雨和温室气体等都与煤炭的燃烧有关，落后的利用技术使煤炭成为主要的污染源。目前，全国70%的烟粉尘排放、85%的二氧化硫排放、67%的氮氧化物排放都源于以煤炭为主的化石能源的燃烧。另外，煤炭在我国一次能源消费中约占66%，煤炭消费总量约为37亿吨，占全球煤炭消费总量的50%左右，以煤为主的能源结构在未来一段时间内不会改变。因此，对我国而言，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，在这种局面下，必须大力推广煤炭清洁利用技术，及时淘汰高能耗、高污染的煤炭生产工艺，更新先进的技术装备，从而建立起清洁、高效、节约的煤炭工业体系，保障经济社会的可持续发展。

1.1.1　煤炭清洁利用技术的内涵

煤炭作为一种能源，具有非常高的利用价值。然而，在对煤炭进行利用的过程中，会对自然生态环境造成一定程度的污染和破坏，这与可持续发展的理念相违背。因此，研究煤炭清洁利用对于促进煤技术的发展具有重要的现实意义。

煤炭清洁利用技术又称为清洁煤技术，简称CCT。最初该技术的提出主要是为了从技术层面对煤炭燃烧过程中产生的环境污染问题进行解决，尤其是酸雨问题，并从经济层面对煤炭能源进行最大限度的利用。作为一种能源，煤炭的可利用性已经得到了世界各国的认可。CCT被提出后，在极短的时间内得到了各国的关注。近年来，随着国际社会对能源安全研究的不断深入，能源安全这一概念的覆盖面越来越广，CCT也逐步被纳入能源安全和环境保护的研究范畴。其内涵拓展到生产、加工、转化、燃烧、环保等多个方面，不再仅限于最初提出的高效利用和减少污染。

目前，业界一致认可且普遍接受的煤炭清洁利用的定义如下：以提高煤炭资源的利用效率和减少对自然生态环境的污染为宗旨，对煤炭进行生产、加工、燃烧、转化，并对有害的排放物进行控制。从该定义可以看出，煤炭清洁利用至少包括煤炭利用前、利用中和利用后3个方面的内容：①煤炭利用前的洗选、加工、转化等煤炭加工技术，如型煤技术、水煤浆技术、煤炭液化与气化技术等；②煤炭利用过程中的燃烧技术，如清洁发电技术，具体包括超临界机组、循环流化床等；③煤炭燃烧之后的烟气净化技术，如脱硫、脱硝、颗粒物控制等。

1.1.2　煤炭清洁利用技术分类

1.先进脱硫技术

煤炭脱硫技术主要有3个方向：物理脱硫、化学脱硫和微生物脱硫。综合考虑成本和操作难度，常采用化学脱硫工艺，因为其既能保证脱硫效率，又能很好地控制成本，不足之处是需要定期清洗设备并检查设备内壁的腐蚀情况。其他两种脱硫工艺也在不断推广和应用，但是都有严重的不足。物理脱硫虽然成本较低，但是脱硫效率不高，容易造成煤炭资源的浪费；微生物脱硫工艺虽然脱硫效率较高，但是成本较高，不易进行大规模推广。各种煤炭脱硫工艺都会涉及很多不同的学科，因此，有必要开展结合各学科和相关工艺的研究，并把研究成果应用到生产实践中。在选择煤炭脱硫工艺时，应该先考虑成本和效率，再决定采用哪种工艺，当然，还要不断研究新的脱硫工艺，以满足新的技术需求。

总之，投资和运行费用少、脱硫效率高、脱硫剂利用率高、污染少、无二次污染的脱硫技术必将成为今后发展的主要趋势。

2.低NOx燃烧技术

低NOx燃烧技术是在充分了解NOx生成机理的基础上，控制煤炭的燃烧条件和方式，达到降低NOx排放量的目的。现在比较常用的技术包括循环燃烧和分层控制燃烧。循环燃烧是把燃烧过的煤炭再次进行燃烧，以达到充分燃烧的目的，充分燃烧煤炭能够有效降低NOx的排放量。分层控制燃烧是通过对煤炭进行分阶段燃烧，达到有效控制NOx排放量的目的。目前，利用这两种技术控制NOx排放量的效果非常显著，但是在实际生产中，燃烧控制技术涉及众多学科和技术的结合，如果能够认真探索和研究，有望继续提升控制NOx排放量的效果。

3.先进脱硝技术

低NOx燃烧技术虽然能够在一定程度上有效脱硝，但其效率不高，因此，有必要进一步研究脱硝工艺。常用的高效脱硝工艺是烟气脱硝法，烟气脱硝法有干法和湿法两大类，由于NOx化学性质较为稳定，水溶性较差，所以，烟气脱硝一般采用干法，干法要使用相应的催化剂进行还原。未来脱硝技术的发展不外乎两大方向：一是减少NOx的排放量，从源头上控制，减少污染；二是提高催化剂的活性，加快反应速度，提高单位时间的转化率。当然，这两个方向要结合研究。

4.除尘技术

现在，多数火力发电企业都安装了除尘设备，除尘方法主要有静电除尘、湿法除尘等。静电除尘由于有较高的除尘效率和较低的成本，在安装除尘设备的企业中应用多。除尘主要是对煤炭燃烧后的烟气进行过滤，滤除其中的烟尘，可以进行循环除尘操作，即让煤炭燃烧产生的烟气反复通过静电除尘装置。在经过二次除尘后，一般除尘效率都可以达到95%以上，并且排放量会严格控制在国家标准内。今后主要研究的方向是如何更好地完成煤炭成型和除尘环节的衔接。

5.COx回收技术

对于COx的回收，较为成熟的方法是煤气化技术。煤气化技术主要是通过煤炭燃烧前的分层控制燃烧来减少COx的产生，也可以考虑对COx进行转化，例如，通过加工制成干冰，或者转化为低碳烃类，以便进一步制造高碳烃类（如汽油和喷气燃料）。但是相较于前者而言，后者的技术应用尚不成熟，还有许多问题需要解决，成本也较高。

6.整体煤气化联合循环发电（IGCC）技术

IGCC技术将煤气化技术、煤气净化技术与高效的联合循环发电技术相结合，在获得高循环发电效率的同时，解决了燃煤污染排放控制的问题，是极具潜力的洁净煤发电技术。目前，全国已有不少地区提出IGCC项目，并正在进行前期工作。虽然IGCC项目的建厂投资费用比较高，且发电效率不如超超临界机组，但IGCC技术在发电效率上仍有很大的提高空间，并且因其无法比拟的清洁性和资源综合利用优势，其在洁净煤发电技术中的地位仍然相当高。

此外，还有很多煤炭清洁利用技术尚在研究之中，先进的脱硫脱硝同步技术、先进的煤基近零排放多联产系统技术等一批先进技术也将逐步广泛地应用到洁净煤技术中，它们都将为区域经济发展和环境保护做出巨大贡献。

1.1.3　我国“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点研发计划

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，以及国务院《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》《中国制造2025》《关于加快推进生态文明建设的意见》等，科技部会同有关部门组织开展了《国家重点研发计划煤炭清洁高效利用和新型节能技术专项实施方案》编制工作，在此基础上启动煤炭清洁高效利用和新型节能技术专项2016年度项目。

专项总体目标如下：以控制煤炭消费总量、实施煤炭消费减量替代、降低煤炭消费比重、全面实施节能战略为目标，进一步解决和突破制约我国煤炭清洁高效利用和新型节能技术发展的瓶颈问题，全面提升煤炭清洁高效利用和新型节能领域的工艺、系统、装备、材料、平台的自主研发能力，取得基础理论研究的重大原创性成果，突破重大关键共性技术，并实现工业应用示范。

专项重点围绕煤炭高效发电、煤炭清洁转化、燃煤污染控制、二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）、工业余能回收利用、工业流程及装备节能、数据中心及公共机构7个节能创新链（技术方向），部署了23个重点研究任务。