煤炭高效洁净化利用的研究

煤炭高效洁净化利用的研究陈吟颖，王淑娟，陈昌和，徐旭常(清华大学热能系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京10084)[摘要]通过分析我国 目前煤炭利用的主要方式和存在的问题，分析对比国内外煤炭高效洁净化利用技术，研究高效洁净化利用技术对环境的影响程度,建立了煤炭高效洁净化利用指标体系,给出了评价煤炭高效洁净化利用程度的洁净化度、生态优化度、低碳度的概念并作出了相应的定量判据,最后提出了我国2030年、2050年煤炭高效洁净化利用的有效途径和发展战略。[关键词]洁净煤发电 ;洁净化度;能源可持续发展综合指标;生态优化度;低碳度[中图分类号] X38 [文献标识码] A [文章编号] 1009 - 1742(2011)06 -0051 -06.中的主导地位不会改变)。2009年,能源消费总量约1前言为31亿tce ,煤炭生产总量为29.65亿t,发电与热电联随着我国经济的持续快速发展,环境保护和资源产用煤总量约为15.47亿t。的压力日益增大,且已成为我国经济发展的两大瓶颈。煤炭利用的主要方式有:工业锅炉、发电和煤化燃煤发电厂逐年增加,截至2010年年底,全国发电装机工。其中,发电用煤占煤炭总产量的50 %以上。煤容量达9.62亿kW ,其中有7. 1亿kW为火电机组,火炭利用存在的问题有两方面:- -是效率太低,二是污电装机的增长带动煤炭需求不断增长。随着时间的推染严重。下面将根据煤炭利用的不同方式分别论移,超超临界机组、整体煤气化联合循环( integrated述。gasification combined cycle ,IGCC)等先进的发电技术机2.1我国燃煤电站锅炉目 前存在的主要问题组会逐渐实现商业化和规模化。这些高参数、大容量、目前我国火电厂煤粉锅炉燃烧主要存在锅炉燃高自动化机组的使用,会不断提高煤炭的利用率,同时烧不稳定 、炉膛结渣、发电效率低和环境污染等问也会不断增加煤炭的利用量,随之产生的CO2等温室题。 特别是燃煤火力发电装置排放的污染物对人类效应气体以及SO2和NO,等污染物排放也会相应增生存环境及全球环境构成了直接的危害。如现在广加[2]。因此,深人研究我国煤炭高效洁净化利用,开泛装备的静电除尘设备均难以除去燃煤排烟中超发高效、洁净的燃煤发电技术,是实现电力工业持续健细、超轻并易分散的粉尘(5 μm以下)。这种粉尘康快速发展的必然途径。随风飘荡,可以长期滞留在大气中,对人身体存在的2目前煤炭利用的主要方 式及存在的问题潜在危害极大。近年来,还发现微小粉尘携带的痕量重金属等有害化合物(譬如汞、砷、氟等)对环境我国煤炭资源总量约为5.6万亿t,其中已探明储的影响也很大。我国CO2排放量日渐增加,与燃煤量为1万亿t,占世界总储量的11 %。2008 年煤炭在有 关的区域性环境污染和全球性的气候变化问题已我国- -次能源生产和消费结构中的比例分别为76 %成为我国电力工业发展的一个主要制约因素。和69 %。今后30 ~50年内,煤炭在我国一次能源构成随着电力工业的不断发展,燃煤发电装机容量[收稿日期] 2011-04-01中国煤化工[基金项目]中国工程院重点咨询项目支持[作者简介]陈吟颖(1972-) ,女,内蒙古乌兰察布市人,高级工程师,主要研究方,MYCH.CNMHG发与利用:E - mail:cyy01016@ 126. com2011年第13卷第6期51增长迅速,大容量高参数、高自动化机组增加,对能业锅炉转换效率不高,能量梯级利用程度不高。源的需求增加迅速,环境污染严重。据国家发展和目前我国动力用煤筛分、洗选率很低,加工回收改革委员会能源局2008年统计资料显示,我国优质率低,人选率不足30 % ,远远落后于欧美先进国家，资源8渐减少和短缺,煤炭剩余储量的保证程度不造成大量无效运输(原煤中含矸量平均为20 %左足100年;石油剩余储量的保证程度不足15年;天右) ,浪费运力。我国燃煤工业锅炉热效率低下、污然气剩余储量的保证程度不足30年。若按照2020染严重的原因主要不是由于工业锅炉不先进,而是年我国的能源需求预测量估算,煤炭、石油和天然气不应该烧高灰原煤[41。燃用筛分、洗选煤可明显减的资源保证程度则分别下降为30年、5年和10年。少大气中的可吸人颗粒物、SO2和汞等有毒物。硫、这样的需求总量,将使中国的能源安全和能源资源汞等大部分存在矸石中,洗煤能去除1/3~1/4,并供应面临严峻的挑战,发展洁净高效的燃煤发电技有利于减少城市煤灰垃圾处理量。燃用筛分、洗选术、节约能源、降低能耗已迫在眉睫。煤是燃煤工业锅炉减少SO2和汞排放的费用低且最2.2我国燃煤工 业锅炉目前存在的主要问题有效的办法。用筛分、洗选后的优质煤(煤的硫分目前,全国在用工业锅炉有50多万台,总容量<0.8 % )替代原煤燃烧的经济性最佳,除了可以节约180万蒸吨/h(1蒸吨介质相当于含有0. 725 MW约工业锅炉用煤15 %之外,其减少SO2排放的成本的热量)。其中,燃煤锅炉约48万台,占工业锅炉也最低,低于400元/t SO2。2030年以前必须建立总容量的85 %左右,平均容量为3.4蒸吨/h。这部对商品动力煤进行筛分、洗选、监督和销售的体系，分工业炉和民用每年消耗原煤约4亿t,年耗煤炭占这是燃煤工业锅炉节能减排的最经济有效的途径,煤炭总产量的1/3左右。也对提高燃煤发电的经济性、可靠性、洁净度有很大虽然我国工业锅炉的设计制造水平已逐步接近好处。国际先进水平,但是由于工业锅炉用煤的生产、管煤化工中各单项技术与多联产技术相比,整体理、供应体系问题,以及锅炉工的操作水平落后,我效率不高、建设投资较高生产成本较高、环境污染国燃煤工业锅炉的平均热效率至今仅为60 % ~未能综合治理。65 %(国外约80 %)。主要是因为我国工业锅炉多2.3煤炭利用产生的 CO,排放量研究用不筛分的高灰原煤(或称碎末散煤)。原煤平均煤炭CO2 的排放因子高于液体燃料近含灰>30 %, <3 mm的末煤达45 % ~65 % ,粒度4.6 tC/TJ,高于气体燃料9 tC/TJ以上“1。据在德> 10 mm的仅占15 % ~30 %。由于小锅炉的单位国波恩召开的联合国气候变化会议发布的信息,中锅炉蒸发量的烟气脱硫费用远大于大锅炉,燃煤工国2007年CO2排放增长8 %,高于当年全球CO2业锅炉难以实施烟气脱硫。排放增长的平均水平3.1 %。预计到2050年,煤炭目前,燃煤工业锅炉排放SO2约600万Va,约消费将占我国能源消费总量的50%~60%。届占全国SO2排放的1/3。燃煤工业锅炉平均烟尘排时,燃煤产生的CO2将占我国CO2排放总量的放300~400 mg/Nm2(1 Nm'是指在20 C 1个标准70%~75%,燃煤电厂排放的CO2将占CO2排放大气压下的气体体积) ,排放烟尘380万Va,CO2排总量的60%以上。解决因CO2排放增多而导致的放6.7亿tVa,地面灰渣8700万Va。我国燃煤工气候变暖是当前最为重要、最为紧迫的大事。到业锅炉容量小数量大、布点分散,难以集中治理。2050年煤炭消费有碳捕集和封存(carboncapture前些年,一些城市 曾大力推进燃气燃油锅炉替代燃and sequestration, CCS)以及没有CCS的CO2排放预煤锅炉,但由于天然气供应量有限燃油锅炉成本高测趋势见表1[6]。等原因难以大规模实施。同时,天然气用于燃煤工2000年和2050年有/无CCS下煤炭消费和污染物排放情况Table 1 Coal consumption and CO2 emissions with and without CCS in 2000 and 2050煤炭消费和CO2排放情况基准方案中国煤化工-不限制核电20000年2050年有ccs无CCS全球煤炭利用/ EJ00448YHCNMHG- 12178美国煤炭利用/ EJ2458213中国煤炭利用/ EJ7891752万中国干程科学续表煤炭消费和CO2排放情况基准方案限制核电不限制核电2000 年2050年有CCS无ccs有Ccs无CCS全球CO2排放量(G.7)24622832源于煤的CO2 排放量/(G.-1)32__3由表1可知,到2050年,全球CO2排放量是2000年的2.6倍,由燃煤引起的CO2排放量占总量序号技术擂述简称的51.6 %。如果到2050年,大力发展核电并采用超超临界煤粉锅炉USCPCCCS技术,CO2排放量明显减少,比2050年不采用整体式煤气化联合循环ICCC任何洁净煤技术排放量减少约60 %。7燃烧后带 CCS的亚临界煤粉锅炉SBPC+CCS燃绕后带CCS的亚临界亚临界CFB+CCS ;3煤炭高效洁净化利用技术循环流化床锅炉9燃铙后帶 ccs的超临界煤粉锅炉SCPC+CCS在过去的30年,我国洁净煤发电技术在能源转换效率、减排常规污染物方面取得了显著的成就。1燃饶后带CaS的采用畜氧SCPC高氧燃烧+CCs燃烧技术的超临界煤粉锅炉但是,适合当前能源资源与环境约束条件的洁净煤发电技术在未来的资源与环境制约下未必就是最优11燃烧前带CcS的整体式IGCC+CCS .煤气化联合循环的选择。矿物燃料燃烧而排放的大量CO,已经并燃烧后帶Ccs的超超临将持续对全球的气候环境造成前所未有的影响,使12USCPC+CCS界煤粉锅炉.人类社会面临着巨大的生存环境恶化的威胁。麻省13燃烧前帶CCs的多联产技术多联产+CCs理工学院( Massachusetts Insitute of Technology,MIT)预测到2050年，全球煤炭消费量将达到4煤炭的高效洁净化利用评 价指标研究450 EJ,如果没有环境制约政策且CCS技术使用得较少,那么会导致每年CO2排放量增加到62 Gt,环根据世界主要工业国家经验,煤炭利用应以发境污染治理费用进-步增加。电为主(发达国家煤炭80 %以上用于发电)。随着因此,在洁净煤发电技术的发展中,既要提高能我国国民经济的迅速发展与人民生活水平的提高,源的转换效率、减排常规污染物,也必须整合CO2以及不断采用先进的能源利用技术,增大发电用煤的减排，需要考虑减排常规污染物、汞等重金属与的比例是必然的趋势,预计在2030年发电用煤将达CO2的经济性协调配合,有望形成以控制CO2排放到60% ~70 %,到2050年增加到80%。煤炭高为基本出发点的未来洁净煤发电技术。以此为特征效洁净发电技术的评价指标详见文献[7~9],下面的新一代洁净煤发电技术意味着将来拥有巨大的技主要给出生态优化度和低碳度的概念和定量判据。术与商业市场，新建或已建传统的燃烧煤粉电厂的4.1生态优化度改进与改造也均面临巨大的挑战。综合洁净化指标采用加权平均的方法,对so,、煤炭高效洁净化利用的技术主要有:煤炭高效NO,、PM。(可吸人颗粒物)及固体废弃物等对环境燃烧及先进发电、火电厂脱硫、脱硝、除尘和重金属有影响的污染物进行了综合考电虑!7，,但没有包括脱除、CO2捕获和埋存煤炭洁净转化、CCC等,如CO2对环境的影响程度,而CO2是影响温室效应的表2所示。主要气体,已成为共同关注和重视的主要问题。为表2洁净煤高效利用的可能途径了进一步研究CO2、SO2、NO,、PM,及固体废弃物等Table 2 Pssible ways of high eflcdent and对环境的综合影响程度,定义了生态优化度。生态dlean utlization of coal优化度就是采用加权的方法,将CO2SO2、NO,、号技术描述，PM。及固体废弃物等单一指标的洁净化度进行综亚临界煤粉锅炉SBPC合。中国煤化工化指标的计算方亚临界循环巍化床锅炉亚临界CFB法,可CN M H G其简称见表2)的超临界循环巍化床锅炉超临界CFB超临界煤粉锅炉SCPO生态优化度(见图1) ,不同技术的生态优化度的计算以SBPC为基准。生态优化度值越大,对环境的2011年第13卷第6期5友好程度越好,煤炭利用的洁净化程度越高。图1和图2中不同发电技术的生态优化度和综.5-合洁净化度的变化趋势非常一致, 这说明提倡高碳能源低碳利用和发展绿色能源的思路和方向是- -致0.5 t的。4.2煤炭利用的 总生态优化度的确定方法州.-1.5-2 L确定煤炭利用的总生态化度的方法与确定总洁不同发电技术净化度的方法和情景假设是相同的,详见文献图1不同发 电技术的生态优化度[7,8]。两者的区别在于总洁净化度是由煤燃烧排Fig.1 Eco-friendly degree of different power放的SO2、NO,、PM1o和固体废弃物等的年排放总量generation technologies的加权,而总生态化度除SO2 .NO,和PMg等污染物由图1可知:a.采用CCS技术后，各发电技术外还包括由煤燃烧排放的CO2总量。有文献[8]的的生态优化度较大,其中最大的是多联产为0. 39,情景假设和计算方法,可得到2007年、2020年、其次是USCPC + CCS,再次为IGCC +CCS;b.不采2030年和2050年煤炭洁净化度和生态优化度，计用CCS技术的USCPC的生态优化度高于SBPC+算结果见表3。CCS;c.亚临界CFB机组生态优化度最小。表32007 年、2020年、2030年和2050年由于CFB燃用了我国劣质煤和洗选后的煤矸煤炭洁净化度和生态优化度石,使我国的劣质能源得到了有效的利用,但是相对Table 3 Eco-friendly degree and clean degree of于燃用优质煤且采用了先进的脱硫、脱硝、除尘等设coal in 2007 , 2020, 2030 and 2050备的其他机组来说,CO2、SO2、NO,、PM1o及固体废弃指标2007年2020年2030年2050年物等排放物明显较高,其综合洁净化指标和生态优洁净化度0.180.590.610.71化度均远远低于其他技术。所以CFB的环保性能生态优化度0.150.630.670.83和对生态的优化程度较差。但如果提高CFB的参分析结果表明:在以2000年煤炭利用技术为基数和容量,如发展超临界CFB或超超临界CFB,则准的情景下,2007年尽管采取了一些洁净煤技术，可降低SsO2、NO,、PM1o及固体废弃物等污染物的排但是煤炭利用的总洁净化度和生态优化度较低,煤放,CFB的环保性能和对生态的优化程度会相应提炭利用的洁净化程度不高。随着煤炭高效洁净化技高(见图2)。如果CFB与布袋除尘相结合,则可以术路线的实施和大规模利用,洁净化度和生态优化有效降低PM,o。目前CFB与布袋除尘相结合可能度提高速度很快,在能源利用过程中污染物排放明会导致投资成本增加很多,将来成本可能会下降。显降低,对环境和生态的友好程度不断提高。特别同时,CFB的环保性能提高,随着CFB发电效率的是2050年,煤炭总量与2030年大体相当的情况下，提高,CO2的排放会减少,CFB对生态的优化程度相洁净化度和生态优化度分别从2030年的0. 61和应提高。0.67提高到了0.71和0. 83。2030年和2050年煤0.几口口炭利用采用了高效洁净化技术路线,生态优化度不o.s卜善断提高。4.3 低碳度TT低碳度是以2000年煤炭利用技术为基准,采用-1.新技术和不同煤炭利用结构后实际排放的CO2量相对于200年基准技术下CO2排放的减少程度,即为某一年或某--阶段的净减排量与基准值的比图2不同发电技术的综合洁净化指标Fig.2 Clean degree of different power值。低碳度越大,该年度CO2排放量越少。表4为我国中国煤化工度的预估情况。TYHCNMHG54方忠景聂程科学表4我国不同阶段的煤炭利用和低碳度的预估的经济性、可靠性、洁净化度有很大好处。超超临界Table 4 Prediction of coal utilization and发电技术是电力工业最主要的高效洁净利用技术,low-carbon degree of China如果采用CCS技术、多联产+CCS以及IGCC +CCS项目2020年2030年2050年是比较好的选择。煤炭利用量/亿lce21.022.022.5其次,从2030年到2050年,超超临界技术仍将CO2排放基准量/亿t52.655.156.4是电力工业主流的煤炭利用技术，但是随着对CO2CO2排放量/亿t42.440.225.4问题重视程度的提高, IGCC + CCS、多联产+ CCS、低碳度/%19.427.155.0超超临界+ CCS的综合指标都较好,它们都可以成由表4可知,尽管煤炭利用从2020年到2030为重要的选择。年增加了1.0亿tce,但2030年的低碳度却提高了再次,对于煤炭高效洁净利用技术,重点领域为7.7 % ,2050年煤赏利用量与2030年大致相当，超超临界 发电技术循环流化床技术Iccc燃煤烟CO2排放量却从2030年的40.2亿t降到了气污染控制技术、CCS技术、多联产技术等。25.4亿t,低碳度从2030年的27.1 %提高到了55.0 % ,提高了27.9 %。研究表明:随着煤炭利用参考文献[1]阁维平. 洁净煤发电技术[ M].北京:中国电力出版社,2008.技术的提高,合理优化煤炭利用结构,煤炭的利用将[2] Pacala s, Socolow R. Sabiliation wedge: Solving the climate会是高效洁净的利用,可以实现高碳能源低碳利用，probblem for the next 50 years using curent technologies[J]. Sei-减少CO2排放量,降低其对温室效应的影响。.ence, 2004, 305 :968 -972.[3] 黄其励.中国燃煤发电技术现状和发展[ C]//"和谐可持续煤5结语基发电"清沽化石能源研讨会.酉安,2007.煤炭高效洁净化利用研究表明[8:a.2030 年[4]黄其励,范维唐 ,岑可法,等中小型工业锅炉高效燃烧和污染控制对策研究[R].北京:中国工程院,2001.以前,煤炭在我国能源利用中仍占主导地位,随着能[5] U.S. Departnent of Energy, Eneray Information Adninstntion.源结构的调整、新技术的应用和创新等相应措施的Intermational Energy Annual 2004 [R].2006.实施,到2050年煤炭可调整为重要的基础能源、保[6] Slephen Ansolabchere ,Janos Beer,John Deutch,ct al. The coel of障能源;b.煤炭高效、洁净化利用是能源可持续发future [ R]. American: Massachusetts Institute of Technology,2007.展的战略方向,通过相应的技术手段,可以量化规划[7] 陈吟颖,王淑娟,冯武军,等煤炭利用洁净化度的构建与分体系,实现高碳能源低碳利用;c.在未来几十年中，析[J].清华大学学报(自然科学版) ,010,50(11);1829 -改变煤炭目前粗放供给的模式为科学供给满足合理1833.需求的模式,为我国煤炭高效利用提供支持途径;[8]徐旭常 ,王衩娟,陈吟颖，等中国能源2030/2050中长期发d.实现高碳能源低碳利用与发展绿色煤电趋势- -展战略研究之煤炭高效洁净利用[R].北京:中国工程院，2010.致。基于以上4点,提出以下煤炭高效洁净化利用[9] 陈吟颖,王淑娟,冯武军,等煤炭的高效洁净化利用综合评的发展战略:价指标的建立与研究[J].中国电机工程学报,2010, 30:159首先,2030年以前必须建立对商品动力煤进行- 166. .筛分洗选、监督和销售的体系。这是燃煤工业锅炉节能减排的最经济有效的途径,也对提高燃煤发电中国煤化工MYHCNMHG2011年第13卷第6期55Study on high efficient and clean utilization of coalChen Yinying, Wang Shujuan, Chen Changhe, Xu Xuchang(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)[ Abstract ] The clean coal utilization strategy which is an important part of energy development strategy ofChina was presented. The main forms and problems of coal utilization in China were analyzed, and an index systemfor eficient and clean utilization of coal, including clean degree, eco-friendly degree , and low-carbon degree wasdeveloped. Based on the analysis of the structure and quantity of coal consumption in China, the paper gives the in-dex values of 2020, 2030, and 2050, respectively. The development strategy of fficient and clean utilization ofcoal in China is finally proposed for 2011 to 2030 and 2031 to 2050. The results show that: a. By 2030, coal willstill play a dominating role in the strategic layout of energy supply in China. With the adjustment of energy struc-ture, the application and innovation of new technologies, coal will be used more cleanly, more environmentalfriendly, and with less CO2 emissions by 2050. b. The eficient and clean utilization of coal is the strategic direc-tion for sustainable development of energy supply. Low-carbon utilization of high-carbon energy source can be ob-tained. c. In the next few decades，complete transform from currently extensive coal supply mode into scientificsupply which meets the reasonable needs will provide direct support for the efficient utilization of coal. d. Low-car-bon utilization of high-carbon energy is in accordance with green development strategy of China.[Key words ] clean coal power generation; clean degre; energy sustainable development comprehensiveindex; eco-friendly degree; low-carbon degree中国煤化工MYHCNMHG56冉骨薮强科学