在國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的大背景下，煤炭該怎么用,？歡迎留言討論,。下面來看看岑可法院士怎么說吧~~

一、我國能源和煤炭利用現(xiàn)狀和問題

受我國化石能源資源以煤為主的制約,，2013 年我國煤炭生產(chǎn)量占一次能源生產(chǎn)總量的75.6 %,，占消費總量的66 %。

盡管我國大力發(fā)展核電,、水電以及新能源發(fā)電技術(shù),，但火電機(jī)組所占比例仍然居高不下。預(yù)計到2020 年年底,，火力發(fā)電裝機(jī)容量仍將占62% 左右,，且然煤炭在一次能源中的比重有所下降，但是其絕對消費量依然保持著較大增幅,，預(yù)計我國將在2020年使用燃煤4.2×I0^9t,，與2013 年的3.6×10^9 t 相比，增長17 %,，這也是我國和國際主流的一次能源利用不同的顯著特征,。

目前，我國一半左右的煤炭資源用于發(fā)電,。隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,，電力需求越來越大，未來這一比例將會不斷提高,。煤炭火力發(fā)電產(chǎn)生的顆粒物,、CO2 和S02 等有害物質(zhì)，與當(dāng)前我國大部分地區(qū)的霧疆、PM2.5超標(biāo)和水資源枯竭有密切關(guān)系,。嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題決定了在未來一個時期內(nèi)我國面臨的節(jié)能減排壓力將越來越大,，能源短缺及環(huán)填污染問題己經(jīng)成為制約我國社會與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

我國的能源資源和煤炭利用現(xiàn)狀決定了以提高煤炭利用的綜合能效,、控制煤轉(zhuǎn)化過程中的污染排放,、解決短缺能源需求為近中期能源領(lǐng)域的首要任務(wù)。

二,、基于煤炭分級轉(zhuǎn)化的發(fā)電技術(shù)路線和特點

煤炭由不同組分組成,，各組分具有不同的性質(zhì)和反應(yīng)活性，如煤炭中所含揮發(fā)分是富氫組分,，反應(yīng)活性很高,，而固定碳部分反應(yīng)活性則相對較。另外,，煤炭組分在燃燒和氣化兩種反應(yīng)過程中表出的反應(yīng)特性相差較太,，一般情況下，燃燒反應(yīng)要比氣化反應(yīng)容易得多,，反應(yīng)條件也要低得多,。

傳統(tǒng)的燃煤方式忽視了煤的資源屬性，將煤炭完全作為燃料燃燒,，導(dǎo)致煤炭綜合利用水平和效益不高,。煤分級轉(zhuǎn)化技術(shù)是基于煤炭各組分具有的不同性質(zhì)和轉(zhuǎn)化特性，突破傳統(tǒng)的利用方式,，將煤炭同時作為原料和燃料的熱解,、氣化、燃燒等過程有機(jī)結(jié)合,，將煤炭中容易熱解,、氣化的部分轉(zhuǎn)化為煤氣和焦袖。所產(chǎn)生的煤氣作為后續(xù)合成工藝的原料生產(chǎn)具有高附加值的化工產(chǎn)品,，所產(chǎn)生的焦油可分離出各種芳香烴、烷烴,、酚類等,，也可經(jīng)加氫制得汽油、柴油等產(chǎn)品:難熱解氣化的富碳半焦去燃燒提供熱電,，灰渣進(jìn)行綜合利用,，從而在同一系統(tǒng)中獲得低成本的煤氣、焦油和蒸汽,，如圖1 所示,。

圖1  煤的熱解、氣化、燃燒分組轉(zhuǎn)化技術(shù)

根據(jù)煤種特性,、轉(zhuǎn)化途徑和目標(biāo)產(chǎn)物不同,，煤炭分級轉(zhuǎn)化技術(shù)可以組合不同的熱解氣化燃燒等煤轉(zhuǎn)化方式。不僅可以通過熱解實現(xiàn)煤炭中揮發(fā)分提取,，而且結(jié)合各種生產(chǎn)技術(shù)路線的優(yōu)越性,，使生產(chǎn)過程捐合在一起，結(jié)合熱解氣化燃燒過程調(diào)節(jié)目標(biāo)產(chǎn)物油,、氣,、電的比例，彼此取長補(bǔ)短,，提高煤炭轉(zhuǎn)化效率和利用效率,，降低污染排放，實現(xiàn)系統(tǒng)整體效益最優(yōu)化,，從而真正實現(xiàn)煤炭的分級綜合利用[刊,。該技術(shù)適用于我國十多億噸不同品質(zhì)的煤炭資源，可用于新建工廠和大量舊電廠的改造,，從而使煤炭分級轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù)有更廣闊的應(yīng)周前景,。

三、基于煤炭熱解分級轉(zhuǎn)化技術(shù)

開發(fā)采用溫和的熱解方法從煤炭中提取液體燃料和化學(xué)品的重要性和必要性已逐漸被認(rèn)識和接受,。日本通產(chǎn)省在《21世紀(jì)煤炭技術(shù)戰(zhàn)略》報告中,，特別提到了提高燃料利用率的高增值技術(shù)，其中把低溫快速熱解制取燃?xì)?、燃油及高價值化學(xué)品作為重要的研究項目,。美國能源部也把從煤中提取部分高品位液體燃料和化學(xué)品列入《21世紀(jì)能源展望》計劃中成為一項重要內(nèi)容。

國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域己開展了較多的研究開發(fā)工作,，開發(fā)了各種不同類型的煤炭熱解氣化燃燒工藝,。國外主要的煤加工技術(shù)有德國的魯奇三段爐(L-S)低溫提質(zhì)工藝、Lurgi-Ruhrgas(L-R)提質(zhì)技術(shù),，蘇聯(lián)的褐煤固體熱載體提質(zhì)(ETCH-175)工藝,，美國的溫和氣化(Encoa1)技術(shù)、Toscoal 工藝,、西方提質(zhì)(Garreω法,、焦一油一能量開發(fā)法(COED) 、澳大利亞的流化床快速熱解工藝(CSIRO) 和日本的煤炭快速提質(zhì)技術(shù),。國內(nèi)的熱解工藝目前主要可以分為以獲得半焦和焦油為目的和熱解半焦燃燒相結(jié)合的煤氣,、焦油和蒸汽聯(lián)產(chǎn)為目的兩大類。其中以獲得半焦和焦油為目的的典型技術(shù)有大連理工大學(xué)開發(fā)的褐煤固體熱載體干錮多聯(lián)產(chǎn)(DG) 工藝,、煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院開發(fā)的多段回轉(zhuǎn)爐ωαF) 提質(zhì)工藝等,，而將煤的熱解、氣化、燃燒相結(jié)合的典型的分級轉(zhuǎn)化技術(shù)則有浙江大學(xué)的煤炭循環(huán)流化床分級轉(zhuǎn)化工藝,、國家電力公司北京動力經(jīng)濟(jì)研究所,、中國科學(xué)院工程熱物理研究所以及中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所提出的以移動床熱解為基礎(chǔ)的固體熱載體熱電氣三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，中國科學(xué)院過程工程研究所的基于下行床的多聯(lián)產(chǎn)工藝和清華太學(xué)的基于流化床的多聯(lián)產(chǎn)工藝,。

浙江大學(xué)是國內(nèi)較早開發(fā)煤炭分級轉(zhuǎn)化工藝的研究單位之一,，早在1981 年就提出了循環(huán)流化床煤熱解熱電氣聯(lián)產(chǎn)綜合利用方案，并建立了一套lMW 熱態(tài)試驗裝置,，在上面對不同煤種和不同運行參數(shù)進(jìn)行了大量的試驗口,，證實了技術(shù)和工藝上的可行性。試驗結(jié)果表明該方案具有燃料利用率高,，污染低,，煤氣熱值高，結(jié)構(gòu)簡單,，投資省等特點,，并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(專利號92100505.2)。利用該技術(shù)開發(fā)了12 MW和25MW循環(huán)流化床煤炭分級轉(zhuǎn)化裝置,。

浙江大學(xué)所提出的循環(huán)流化床煤炭分級轉(zhuǎn)化工藝是將循環(huán)流化床鍋爐和熱解爐緊密結(jié)合,，在一套系統(tǒng)中實現(xiàn)熱、電,、煤氣和焦油的聯(lián)合生產(chǎn),。圖2為浙江大學(xué)開發(fā)的煤炭循環(huán)流化床分級轉(zhuǎn)化工藝流程：循環(huán)流化床鍋爐運行溫度在自850~ 900℃，大量的高溫物料被攜帶出爐膛,，經(jīng)分離機(jī)構(gòu)分離后部分作為熱載體進(jìn)入以再循環(huán)煤氣為流化介質(zhì)的流化床熱解爐,。煤經(jīng)給料機(jī)進(jìn)入熱解爐和作為固體熱載體的高溫物料混合并加熱(運行溫度在550 ~ 800℃) .煤在熱解爐中經(jīng)熱解產(chǎn)生的粗煤氣和細(xì)灰顆粒進(jìn)入熱解爐分離機(jī)構(gòu)，經(jīng)分離后的粗煤氣進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化,。除作為熱解爐流化介質(zhì)的部分煤氣再循環(huán)外,，其余煤氣則經(jīng)脫硫等凈化工藝后作為凈煤氣供民用或經(jīng)變換、合成反應(yīng)生產(chǎn)相關(guān)化工產(chǎn)品,。收集下來的焦油可提取高附加值產(chǎn)品或改性變成高品位合成油,。煤在熱解爐熱解產(chǎn)生的半焦、循環(huán)物料及煤氣分離器所分離下的細(xì)灰(灰和半焦)一起被送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒利用,，用于加熱固體熱載體,，同時生產(chǎn)的水蒸汽用于發(fā)電、供熱及制冷等,。

浙江太學(xué)所研發(fā)的煤炭分級轉(zhuǎn)化工藝具有如下優(yōu)勢。

(1)工藝簡單先進(jìn)：將循環(huán)流化床鍋爐和熱解氣化爐緊密結(jié)合,，通過簡單而先進(jìn)的工藝在一套系統(tǒng)中實現(xiàn)熱,、電、煤氣和焦油的聯(lián)合生產(chǎn)。所產(chǎn)煤氣晶質(zhì)高,，是生產(chǎn)合成氨,、甲醇、合成天然氣等多種化工產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料,，也可以作為燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的燃料氣,，所生產(chǎn)的焦油可以在提取高價值化學(xué)品的同時加氫制取液體燃料，從而有效地利用了媒中的各種組分,，實現(xiàn)了以煤為原料的分級轉(zhuǎn)化梯級利用,。

(2) 燃料適應(yīng)性廣：收到基揮發(fā)分在20% 以上的各種褐煤、煙煤都適用于這種工藝,。同時煤的顆粒度要求與現(xiàn)有循環(huán)流化床鍋爐一致,，避免了現(xiàn)有煤氣化和干錮工藝對煤種和煤粒度有較嚴(yán)格的限制的缺點。

(3) 工藝參數(shù)要求低,，設(shè)備投資低：煤在常壓低溫?zé)o氧條件下熱解氣化,，對反應(yīng)器及相關(guān)設(shè)各的材質(zhì)要求低〈常規(guī)氣化爐操作溫度為1300 ~1700 ℃，壓力2-4 MPa) ,，設(shè)備制造成本低,，同時熱解氣化過程不耗氧氣和蒸汽，避免了常規(guī)氣化爐所需的氧制備裝置和蒸汽鍋爐,，大幅度降低氣化系統(tǒng)的設(shè)備建設(shè)成本,。

(4) 運行成本低：煤熱解單元不需要氧氣、蒸汽作為氣化劑,，系統(tǒng)能量損耗低,，與常規(guī)氣化技術(shù)相比，過程熱效率大幅度提高,，因此運行成本也得到大幅度降低,。

(5) 高溫半焦直接燃燒利用：原煤熱解氣化后的半焦直接送鍋爐燃燒發(fā)電，避免了散熱損失,，便能源得到充分利用;而鍋爐燃用不含水分的半焦,，鍋爐煙氣量大幅度減少，從而降低了引鳳圳的電耗,，裝置能耗降低,，鍋爐系統(tǒng)效率也有所提高。避免了以半焦為產(chǎn)品的工藝過程存在的需要半焦冷卻的過程,，同時所產(chǎn)生的細(xì)半焦顆粒存在運輸和利用困難的問題,。

(6) 易實現(xiàn)大型化：所采用的流化床熱解爐具有熱灰和入煤混合劇烈，傳熱傳質(zhì)過程好,，溫度場均勻的特點,，有利于給煤在爐內(nèi)的熱解氣化,，同時流化床熱解爐易于大型化，而且布置上易與循環(huán)流化床鍋爐匹配,，實現(xiàn)與循環(huán)流化床鍋爐有機(jī)集成,，從而避免固定床或移動床熱解反應(yīng)器的不易放大和布置的問題。

(7) 煤氣產(chǎn)率高,，品質(zhì)好,，實現(xiàn)煤氣的高值利用：循環(huán)流化床分級轉(zhuǎn)化工藝的熱解過程以循環(huán)灰為熱載體，熱解所產(chǎn)出的煤氣有效組分高,，而且所產(chǎn)出的煤氣全部用于后續(xù)利用,，從而保證后續(xù)煤氣合成工藝的煤氣量，避免燃燒熱解煤氣提供熱解熱源使得外供煤氣量小的問題,。

(8) 具有很好的污染物排放控制特性：煤中所含硫大部分在熱解氣化爐內(nèi)的熱解過程中以H2S形式析出,，井與所產(chǎn)生的煤氣進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行脫硫，僅布少量的硫進(jìn)入循環(huán)流化床燃燒爐以SO2形式釋放,。同時,，與煤直接燃燒后煙氣脫硫相比，從煤氣中脫除H2S 具有較大的優(yōu)勢：①所處理的氣體量大大減少,，因此脫硫設(shè)備的體積,、投資及運行成本較小,；②目前煤氣脫硫的副產(chǎn)品一般是硫磺,，其利用價值較大。煤中所含的氮大部分( 80% 以上)在熱解過程中主要以氮氣和氨的形式析出,，同時由于循環(huán)流化床燃燒過程是中溫燃燒,，幾乎不產(chǎn)生熱力NOx因此分級轉(zhuǎn)化工藝可進(jìn)一步降低循環(huán)流化床燃燒爐所產(chǎn)生的煙氣中NOx的排放濃度。同樣從體積流量較小的煤氣中脫出少量的氨是相對比較容且成本較低的,。

四,、基于煤炭分級轉(zhuǎn)化的發(fā)電技術(shù)前景分析

煤炭是我國今后相當(dāng)長時期內(nèi)的主要能源。如何清潔高效地利用發(fā)電用煤是我國面臨的重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有火電廠只將煤炭作為燃料直接燃燒,，造成系統(tǒng)效率偏低，污染物控制成本高,，且浪費了煤中具有高附加值的油,、氣和化學(xué)品及硫、鋁等資源,。

以發(fā)電為主的煤熱解氣化燃燒分級轉(zhuǎn)化近零排放污染物灰渣資源化回收技術(shù)具有巨大潛力,。2013年年底超過8.6×I0^8 kW 火電裝機(jī)， 1.8× 10^9 t 耗煤,， 90% 以上為煙煤和褐煤,，其所含揮發(fā)分可轉(zhuǎn)化為2.7×10^11 m^3成天然氣,，相當(dāng)于我國天然氣消費量1.6 倍多〈我國2013 年天然氣消費量為1.676X 1011 曠)，或2.2×10^8 t 燃拙,，接近我國石油消費量的一半，與石油進(jìn)口量相當(dāng),。由此可見,，利用我國電煤所含揮發(fā)分采用分級轉(zhuǎn)化為合成天然氣，量大且穩(wěn)定可靠,，可作為天然氣的重要補(bǔ)充來源,，因而提取電煤揮發(fā)分替代泊氣資源前景十分廣闊。另外,，煤炭的灰分是潛在的建材和礦產(chǎn)資源,。

以灰分為25 %計算，我國燃煤發(fā)電排放灰渣作為摻合材料可制取1.1×I0^9 t 水泥,，或提取9×10^7 t Al2O3 (約為2013 年我國Al2O3 產(chǎn)量的2 倍),。煤炭灰分中含有的鍺、鎵,、銦,、釷、釩,、鈦,、鈾等貴重金屬達(dá)到工業(yè)品位時，就可提取利用,。污染物也是潛在的資源,，全國電煤中硫資源若回收利用每年約可生產(chǎn)4×10^7 t 硫酸等產(chǎn)品(相當(dāng)于2013 年全國硫酸產(chǎn)量的近一半)。

由此可見,，推廣應(yīng)用煤炭分級轉(zhuǎn)化技術(shù)適合我國的國情和特色,，充分體現(xiàn)煤炭既是能源又是資源的理念，既可對現(xiàn)有近8×10^8 kW 燃煤電廠進(jìn)行分級利用改造,，又可適用于新建電廠,，可應(yīng)用于高效清潔發(fā)電、替代工業(yè)鍋爐燃煤,、運輸燃料替代和煤化工等領(lǐng)域,。

結(jié)束語

根據(jù)煤炭既是能源又是資源的理念，在燃煤發(fā)電過程中先通過熱解提取煤的輕質(zhì)組分(揮發(fā)分)用于生產(chǎn)油,、氣,，提取后的半焦(以碳元素為主)再用于燃燒發(fā)電，實現(xiàn)煤炭的分級轉(zhuǎn)化,。該技術(shù)對于我國清潔高效煤炭發(fā)電,、油氣等資源替代,、大幅度節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等具有重要的戰(zhàn)略意義,。因此,，建議建立煤分級轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新體系，通過出臺產(chǎn)業(yè)政策促進(jìn)其推廣應(yīng)用,，打造適合我國國情的煤炭利用新模式,，從而推動形成煤分級轉(zhuǎn)化戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，來解決我國煤炭的高效,、潔凈利用問題,。