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中国洁净煤技术发展现状与展望

时间:2020-03-02 来源:网络 浏览:

随着中国工业化、城镇化进程日益加快,能源需求总量高速增长。中国煤炭的基础储量占化石能源的96%以上。2012年,中国一次能源消费总量36.2亿吨标准煤,其中煤炭约占70%,成为世界一次能源最大消费国,更是最大的煤炭消费国。未来几十年,煤炭在中国能源生产和消费结构中的主体地位不会发生根本性改变。煤炭在为中国国民经济作出巨大贡献的同时,也排放出大量的SO2、NOX和烟尘等大气污染物,造成酸雨、悬浮颗粒物、温室气体等环境危害。因此,中国一直大力发展洁净煤相关技术,最大限度降低煤炭使用对生态环境的影响。本文对中国洁净煤技术的发展和应用情况进行了全面综述,并对其发展趋势和前景进行了展望。

一 原煤预处理技术

为了提高煤炭的质量,必须从原煤抓起,按不同煤种的性质和不同使用目的,对原煤进行洗选、加工、提质等预处理,提高煤炭的综合利用效率,减少污染物排放。

(一)煤炭洗选技术

煤炭洗选是指根据原煤、矿物杂质和煤矸石的物理化学性质差别,采用人工拣矸、机械筛分、物理选煤、化学选煤等方法,清除原煤中的有害杂质,排除矸石,降低灰分、硫分、水分,减少使用过程中的污染物排放。

目前,中国煤炭洗选加工在技术上已经较为成熟,原煤入洗比例约为50.9%,但距离发达国家的先进水平还有较大差距,未来应以推进煤炭的全面洗选和提高洗选标准为发展重点,力争将原煤入洗比例提高至90%以上,将原煤中的杂质和污染物降至最低限度。

(二)型煤技术

型煤是指将一种或数种煤,或者掺混低热值燃料或废弃物等,与一定比例的黏结剂、添加剂等加工成一定形状尺寸、有一定理化性能的块状燃料或原料。

中国民用型煤技术处于国际领先水平,民用型煤普及率为70%左右。在工业型煤方面推广较慢。发展工业型煤技术,一方面应向规模化、实现清洁高效燃烧方向发展;另一方面,应继续开发新的黏结剂及大型高压成型设备,供气化、炼焦等行业使用。

(三)动力配煤技术

通过配煤可将两种以上不同种类、不同性质的煤,按一定比例掺配加工成混煤,改变其化学组成、岩相构成、物理性能和燃烧性能,达到优化产品结构、煤质互补、适应设备对煤质需求、提高燃烧效率、减少污染物排放、降低煤炭运输成本等目的。

中国自20世纪80年代起,在坑口、港口和部分大城市及电厂率先采用动力配煤技术,取得了一定效果,但与国外相比还存在一定差距,有待通过政策、资金、科研等支持,逐渐扩大规模,实现“因地制宜”“因煤制宜”。

(四)褐煤提质技术

褐煤提质是指通过加工改变褐煤的成分和结构,降低水分、提高发热量,生成具有类似烟煤性质的提质煤,减小自燃倾向,便于运输和储存,提高能量转换效率,扩大使用范围。

国内外褐煤提质技术分脱水提质、成型提质、热解提质三类。目前,中国褐煤提质技术的应用刚刚起步,商业规模的褐煤提质项目有十余个,但大都处于探索示范阶段。

二 洁净煤发电技术

作为中国煤炭消费的第一大户,发电行业用煤占煤炭消费总量的50%左右。2012年年底,中国发电装机已达11.44亿千瓦,燃煤发电占比仍保持在70%左右。因此,洁净煤发电技术的发展对中国至关重要。

(一)超(超)临界发电技术

近年来,超(超)临界燃煤发电技术在中国得到了长足发展,中国已经成为世界上投运超(超)临界发电机组最多的国家,大大节约了电煤消耗总量,减少了污染物排放。截至2012年7月,中国五大发电集团已拥有超临界发电机组155台、超超临界发电机组65台,总装机容量1.42亿千瓦,占各自火电装机的30%以上。

超(超)临界发电技术还在向着进一步提高蒸汽参数、降低能耗和减少污染物排放的方向发展。中国将在“十二五”期间重点围绕700℃先进超超临界机组进行关键技术攻关和系统集成示范。

(二)燃煤机组高效污染物脱除技术

目前,在常规燃煤发电机组中普遍采用的污染物控制技术包括湿法脱硫(FGD)、选择性催化还原脱硝(SCR)、静电和布袋除尘技术,可以脱除烟气中95%的SO2、90%的NOX和99%的烟尘。此外,还可以通过吸附、沉淀、氧化等方法,实现烟气脱汞。[!--empirenews.page--]

随着国家政策和法规引导,常规火电厂污染物控制技术在中国得到了广泛应用。目前,国内全部30万千瓦及以上等级燃煤发电机组均安装了效率较高的除尘装置,单位发电量烟尘排放量从2005年的1.33克

/千瓦·时下降至0.5克/千瓦·时以下。国内已投运烟气脱硫机组装机容量占燃煤发电总装机容量的90%左右。在发电量相比2005年增长近70%的情况下,全国发电SO2排放量占总排放量的比例从51%下降至约40%,单位发电量SO2排放量从6.4克/千瓦·时下降至2.5克/千瓦·时左右。中国在新发布的《火电厂大气污染物排放标准》(2011年版)中大幅降低了NOX排放限值,国内已投运烟气脱硝机组装机容量超过1亿千瓦,在建、规划装机容量超过1亿千瓦。

中国燃煤电厂烟气除尘以静电除尘技术为主,布袋除尘、电袋复合除尘等技术也有所应用。静电除尘技术已非常成熟,布袋除尘、电袋复合除尘技术也已实现国产化。在脱硫方面,广泛采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺,部分采用干法和半干法。现已实现烟气脱硫的工艺优化、技术集成和关键设备国产化,主要技术经济指标达到世界先进水平。国内烟气脱硝90%以上采用选择性催化还原(SCR)工艺,少量采用选择性非催化还原(SNCR)工艺或SNCR+SCR工艺。SCR工艺在发达国家是成熟技术,中国也在开发SCR技术和催化剂。同时,通过应用空气分级等低氮燃烧技术,可以减少NOX生成量,有效降低脱硝成本。

随着《火电厂大气污染物排放标准》(2011年版)的颁布实施,提出中国自2015年开始实行燃煤汞排放限制,而且国家也将逐步实施对PM2.5等级超细颗粒物的排放标准,开发应用重金属脱除技术、更高效可靠的除尘技术已迫在眉睫。中国也已启动SO2、NOX、汞等多种污染物协同控制关键技术的研发,并计划在60万千瓦燃煤发电机组进行示范。

(三)循环流化床锅炉发电技术

循环流化床(CFB)锅炉具有NOX排放低、燃料适应性广、脱硫成本低、负荷调节范围大且速度快等优点,不过也存在厂用电率高、部分部件易磨损等问题。

中国已经成为世界上CFB锅炉装机台数和容量最大的国家,以10万~30万千瓦容量为主。目前,四川白马电厂正在建设世界首个60万千瓦超临界CFB锅炉燃煤发电示范工程,即将进入调试阶段。总体上,中国大型CFB锅炉的整体技术研发、工程设计、工程建设已达世界先进水平,“十二五”期间,将朝着燃用劣质燃料、低排放、超临界等方向发展。

(四)整体煤气化联合循环发电技术

整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)是把煤气化和联合循环发电集成的一种发电技术,被公认为最具发展前景的洁净煤发电技术之一。IGCC机组环保性能好,污染物排放量约为燃煤机组的10%,整体排放水平与天然气发电机组相当。IGCC同CCS(CO2的捕集和封存)相结合,能够以较低成本实现CO2的近零排放,还可通过多联产实现煤炭的综合利用,具有很大发展潜力。IGCC的主要问题在于系统复杂、造价较高。

中国开展IGCC相关技术的研究开发已有近三十年。2004年,华能集团公司率先提出“绿色煤电”计划,旨在研究开发、示范推广基于IGCC技术的能够大幅度提高发电效率、达到污染物和CO2近零排放的煤基能源系统。2012年12月,“绿色煤电”计划第一阶段的华能天津IGCC示范工程成功投产,装机容量26.5万千瓦,采用华能自主开发的2000吨/天两段式干煤粉加压气化炉、西门子E级燃气轮机。该项目的成功投运,填补了中国洁净煤发电技术领域空白,标志着中国掌握了自主开发、设计、制造、建设、运营IGCC电站的能力,为中国深入开展IGCC、绿色煤电相关技术的开发和验证以及进一步放大和示范奠定了基础。

“十二五”期间,中国将在不断完善现有IGCC示范电站的基础上,适时开展40万~50万千瓦级IGCC—多联产工业示范,提高整体技术经济指标。同时,还将开展CCS等相关技术的研发,为建设近零排放IGCC示范电站进行技术储备。

三 现代煤化工技术

中国石油对外依存度已超过55%,发展煤基化学品生产技术,替代部分石油化工产品,对保障中国的能源安全具有重要的战略意义,也是煤炭清洁利用的重要方面。目前,中国煤化工行业用煤占煤炭总消费量的20%左右,有序发展高效洁净的煤炭转化技术,可以逐步实现落后产能替代和产业结构调整,大大减少污染物排放。[!--empirenews.page--]

(一)煤制油技术

煤制油(Coal-to-liquids,CTL)是以煤炭为原料,通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术,包含煤直接液化和煤间接液化两种技术路线。此外,以煤制甲醇为原料,也可合成汽油产品(Methanol-to-gasoline,MTG)。

中国已于2008年建成世界首套大型煤直接液化工业化装置——神华鄂尔多斯108万吨/年煤制油示范工程,采用神华开发的煤直接液化工艺和催化剂。目前,中国已建成3套煤间接液化装置,合计产能50万吨/年,均采用中国科学院山西煤炭化学研究所开发的中科合成油技术和铁系催化剂。此外,中国建成及在建的MTG装置有3套,合计产能40万吨/年。

总体上,中国在煤制油关键工艺、催化剂、装备和系统技术、工程技术等方面达到了世界先进水平。“十二五”期间,将以进一步扩大工程规模、实现商业化运营为目标。

(二)煤制烯烃技术

煤制烯烃是指将煤基甲醇通过催化剂合成烯烃产品。根据产品构成的不同,分为甲醇制烯烃(包括乙烯和丙烯)(Methanol-to-olefin,MTO)和甲醇制丙烯(Methanol-to-propylene,MTP)。

中国于2010年建成了世界首套大型煤制烯烃装置——神华包头煤制烯烃示范工程,并于2011年投入商业化运营,产能60万吨/年,核心技术采用中国科学院大连化学物理研究所的DMTO工艺。同时,还采用鲁奇技术相继建成了神华宁煤52万吨/年MTP装置、大唐多伦46万吨/年MTP装置。

通过不同工艺路线示范工程的建设,中国在煤制烯烃关键技术和工程化方面走在世界前列,接下来将继续验证煤制烯烃关键技术可行性及运行的稳定性、经济性,继续建设更多示范装置。

(三)煤制天然气技术

煤制天然气是指将合成气通过甲烷化反应合成替代天然气(SNG)的过程。中国首个大唐克旗40亿标方/年煤制气项目于2009年开工建设,目前已完成大负荷试验等试车工作。中国在建的煤制气项目还包括大唐阜新40亿标方/年、内蒙古汇能16亿标方/年、新疆庆华55亿标方/年等项目。

根据《天然气发展“十二五”规划》,中国到2015年计划实现煤制气产能150亿~180亿标方/年,占国内天然气供应能力的8.5%~10%。除在建项目,还将规划建设煤制气升级示范项目或以煤制气为主的煤炭清洁高效综合利用示范项目,提高资源利用效率和污染物治理水平。

目前,中国的煤制气项目大都布局在富煤缺水地区,国家颁布的最严格水资源管理制度将严重制约此类项目的发展,而中国天然气的负荷中心在相对富水的东部地区。因此,作为一种新思路和新途径,可以考虑在东南沿海等发达地区建设清洁高效的煤制气项目,利用价位合适的进口煤炭实现对国内天然气供应的有益补充。

四 工业用煤技术

除用于发电和煤化工外,中国还有大量的工业锅炉、窑炉等以煤炭为燃料,它们使用的煤炭超过煤炭消费总量的20%。多年来,中国通过研究应用高温空气燃烧、纯氧或富氧燃烧、余热余能利用、过程优化节能等技术,有效改善了工业用煤的消耗水平,但同国际先进水平还有一定差距。“十二五”期间,中国将重点围绕高效率、大容量工业锅炉岛成套技术及示范,工业窑炉余热余能高效回收利用新技术,冶金过程重点节能技术研发示范等领域开展工业用煤节能技术研发。

五 CCS和CCUS技术

近年来,全球气候变化引起了国际社会的普遍关注,有效控制以CO2为主的温室气体排放,给发展洁净煤技术赋予了新的目标和要求。研发储备CO2捕集与封存(CCS)以及CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术对中国未来应对气候变化、大幅降低碳排放强度具有重要意义。

CO2捕集是指将燃煤发电、煤化工等排放的CO2分离,形成高浓度的CO2中间产品,便于资源化利用或封存至地下。CO2捕集的主要问题在于CO2分离提纯或制氧的装置投资和能耗较高,影响了整体经济性和能量转化效率。2009年,华能上海石洞口二厂建成了世界最大的12万吨/年燃煤电厂燃烧后CO2捕集装置。2010年年底,神华鄂尔多斯煤制油项目10万吨/年燃烧前碳捕集装置建成投运。

CO2封存就是把捕集的CO2注入事先考察好的地点封存,使其与大气长期隔绝,难点在于安全性和可靠性,需通过长期的示范监测和环境评估进行验证。2011年,神华在鄂尔多斯建成了亚洲首套10万吨/年咸水层CO[!--empirenews.page--]2封存示范装置。下一步,中国将开展CO2封存地质潜力的评价工作,并结合示范工程验证CO2封存的安全性和可靠性。

六 展望

综上所述,中国在洁净煤各项技术上已取得长足进步,在多个领域达到世界先进水平,在利用煤炭为中国经济社会发展提供了充足动力的同时,有效抑制了环境污染问题。面对中国以煤为主的能源结构,资源、环境的压力依然巨大,洁净煤技术将朝着“全面开花、重点突破”的方向发展。所有用煤行业要继续推广原煤预处理技术和高效工业节能技术的应用规模;发电行业要大力提高洁净煤发电技术,重点提高煤炭发电过程污染物控制水平,更广泛地应用超(超)临界发电技术、循环流化床锅炉发电技术,进一步研发适用的整体煤气化联合循环发电技术;煤化工行业要加大现代煤化工、煤制油、煤制烯烃、煤制天然气等技术示范力度;各相关行业要积极探索面向未来的CCS、CCUS等前沿技术。全社会要共同努力,让洁净煤技术成为实现中国能源、经济、社会、环境协调可持续发展的必然选择。为此,必须进一步加大研发和应用力度,让洁净煤技术为全面建成小康社会、建设美丽中国作出更多贡献。

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