潔凈煤技術是指從煤炭開發到利用的全過程中,旨在減少污染排放與提高利用效率的加工?燃燒?轉化及污染控制等新技術?主要包括煤炭洗選?

潔凈煤技術是指從煤炭開發到利用的全過程中,旨在減少污染排放與提高利用效率的加工?燃燒?轉化及污染控制等新技術?主要包括煤炭洗選?加工(型煤?水煤漿)?轉化(煤炭氣化?液化)?先進發電技術(常壓循環流化床?加壓流化床?整體煤氣化聯合循環)?煙氣凈化(除塵?脫硫?脫氮)等方面的內容?

(一)煤炭洗選與加工

煤炭洗選是指通過物理或化學的方法降低原煤中灰分?硫分?矸石等雜質的含量,并按不同煤種?灰分?熱值和粒度分成若干等級,以滿足不同用戶的需要?煤炭經洗選后可顯著降低灰分和硫分的含量,減少燃燒后煙塵?二氧化硫等污染物的排放?

配煤技術是將不同品質的煤經過篩選?破碎?按比例配合等過程,并輔以一定的添加劑,以改變動力煤的化學組成,巖相組成?物理特性和燃燒性能,達到充分利用煤炭資源?優化煤炭產品結構?煤質互補,適應用戶燃煤設備對煤質要求,提高燃煤效率和減少污染物排放?

型煤是用一種或數種煤與一定比例的粘結劑?固硫劑等經加工成一定形狀尺寸和有一定理化性能的塊狀燃料或原料?型煤也可以是粉煤及一定比例的煤泥等其它低熱值燃料或廢棄物加上粘結劑?添加劑加工而成,有的燃燒特性還超過了原煤的燃燒特性?

水煤漿是指用一定級配細度的煤粉與水混合形成的具有一定穩定性和流動性并可長距離泵送的漿狀煤炭產品?高濃度水煤漿(煤水比約為2:1)代油燃燒技術,是20世紀70年代石油危機期間由煤炭洗選加工?管道輸送普通濃度水煤漿和油煤漿加工技術的基礎上發展起來的一種煤炭加工新技術?它既保持了煤炭原有的物理特性,又具有像石油一樣的流動性和穩定性,并且裝儲方便?可管道輸送?霧化燃燒?灰分及含硫量低,燃燒時火焰中心溫度較低,燃燒效率高,煙塵?SO2及NOx排放量都低于燃油和燃煤等,被稱為流態煤基新型代油燃料?同時由于煤炭資源豐富,水煤漿的加工工藝簡單,與煤炭氣化?液化相比,投資少?成本低?作為代油燃料,許多國家基于長期的能源戰略考慮,將其作為以煤代油的燃料技術進行研究?開發和儲備,且已有商品化使用?

(二)煤炭液化?氣化及先進發電技術

煤炭轉化是指用化學的方法將煤轉化為潔凈的氣體(或液體)燃料或化工原料(或產品),是實現煤炭高效潔凈利用的重要途徑,包括煤炭氣化?液化和燃料電池?

各國都在尋求將先進的燃燒方式用于火力發電?20世紀80年代開始的,90年代已經達到實施階段的大型循環流化床鍋爐(CFB)和燃煤聯合循環機組(加壓流化床燃燒聯合循環(PFBC—CC)和整體煤氣化聯合循環(IGCC)就是典型代表?其中,大型CFB鍋爐已經達到了可以與常規煤粉鍋爐相競爭的水平?

(三)煙氣凈化

對煤炭開發和利用過程中產生的污染物控制和廢棄物處理也是潔凈煤技術的重要內容?鍋爐產生的大氣污染物主要有三種,即煙塵?SO2和NOx?

（1）除塵?

由于煤種不同,鍋爐排煙中的粉塵濃度變化很大?當燃用高灰分劣質煤時,粉塵濃度要比燃用低灰分優質煤時高得多?一般而言,大于10μm的粉塵容易沉落在地面,稱為降塵;小于10μm的粉塵屬于不可見的微粒,飄浮在大氣中,稱為飄塵?火床爐排煙中的粉塵大部分屬于降塵;煤粉爐排煙中的粉塵,降塵和飄塵均有,兩者的比例大小與所采用的除塵設備的形式和除塵效率有關?靜電除塵器?濕式文丘里除塵器和布袋除塵器所排出的粉塵多屬于飄塵?

發達國家大型燃煤鍋爐都配備5個甚至更多電場的高效電除塵器或多室的布袋除塵器,除塵效率達到99.9%?但主要的問題是細微顆粒(如小于2.5μm,PM2.5),這部分顆粒的分離效率相對較低一些,而在大氣中的停留時間又非常長?

細粒子對人體呼吸系統?大氣能見度和城市景觀等都會產生極其不良的影響?研究表明,粉塵中粒徑在2.5μm以下的細微粒子對人類最為有害?因為這種微粉能長期飄浮在大氣中,能通過人的呼吸道進入肺部;微粒的比表面積大,所以微粒中有毒的重金屬元素的含量要比粗粒子中的多,而且微粒的表面活性強,易吸收一些致癌物質?粉塵還能將排煙中的SOx和NOx催化成毒性更大的氣溶膠?此外,這些微粒會使大氣的能見度降低,影響太陽光紫外線的照射,妨礙人類和動植物的正常生長?但由于細粒子的去除比較困難,就全世界范圍來看,細粒子的排放水平沒有顯著的下降,細粒子在大氣氣溶膠中的比例反而有所上升?

（2）脫硫?

SO2是由于燃料中含有的硫分在爐膛內燃燒生成的,它的多少與燃料含硫量密切相關?各國對電站鍋爐SO2的防治方式繁多,但歸納起來,可分為爐前脫硫?爐內脫硫和爐后脫硫三大類?

爐前脫硫就是在燃料未進入鍋爐前設法除去燃料中的硫分,也就不會再生成SO2氣體,這是一種最徹底的脫硫方法?如各國在礦口的洗煤過程,就可將煤中的黃鐵礦硫除去,但對煤中的非黃鐵礦形式的硫難以根除?對于燃油和燃氣中的硫分,目前采用加氫催化生成硫化氫,然后除去?國外正在研究高梯度磁分離(HGMS)的脫硫技術?將煤粉通過高強度磁場,使弱磁性的FeS2和硫酸鹽等從煤粉中分離出來?美國采用超導裝置提高磁場強度,使HGMS的脫硫率達到55%~70%?

爐前脫硫雖是一種徹底的脫硫方法,但目前要做到徹底脫硫的費用還較高?爐內脫硫是將堿性吸收劑(常用石灰石和消石灰)直接噴入爐膛,或與燃料混合送入爐膛,使其與爐內的SOx反應成CaSO4固體物,隨灰渣排出爐外?爐內脫硫的優點是系統簡單?附加設備少;缺點是爐內灰量增加,鍋爐受熱面的積灰有所增加?目前,國外循環流化床鍋爐中多采用這種脫硫方式,加拿大?奧地利?法國等均已有大機組爐內脫硫的實例?

各國研究表明,影響爐內脫硫效率的因素主要有四個:

①吸收劑噴入點的煙氣溫度不應高于1200℃,宜在850~1200℃的煙氣區域內;

②在煙氣溫度從1200℃降到750℃的區域內,吸收劑的停留時間不應小于1s;

③吸收劑在爐內的擴散程度;

④吸收的反應活性,為提高爐內CaO的利用率,國外有些電廠在爐后還裝有活化反應器,使煙氣中剩余的CaO繼續進行脫硫反應?爐內脫硫效率已可達60%～80%,若加裝活化反應器,則脫硫效率可達90%以上?

爐后脫硫也就是煙氣中的SO2氣體在排出鍋爐后,但尚未排放大氣前進行脫硫處理?80年代末這種脫硫方式有了迅速發展,已有成熟的技術,在國外新建的火電廠中得到廣泛的應用?世界各國按電廠所在的地理條件和資源,開發了多種煙氣脫硫工藝,目前各國用得較多的有如下四種:

①濕式煙氣脫硫工藝(WFGD);

②半干式煙氣脫硫工藝(SDFGD),也稱噴霧干燥煙氣脫硫工藝;

③干式煙氣脫硫工藝(DFGD);

④海水煙氣脫硫工藝?

（3）脫硝?

發達國家目前主要采取在大型燃煤鍋爐上安裝低氮燃燒器,使氮氧化物排放量降低40%左右?環保標準嚴格的日本和德國還要求裝設煙氣脫氮裝置?我國目前已在300MW及以上鍋爐上裝有低氮燃燒器,但大量300MW以下鍋爐的氮氧化物尚無法控制?

鍋爐爐膛內產生NOx的成因有三方面?

首先是燃料型,即燃料中所含的氮在加熱后揮發,并與氧化合生成NOx?當爐膛溫度超過1000℃后,燃料型NOx占有最大部分;

其次是熱反應型,當爐內溫度超過1500℃后,燃燒空氣中的N就與O2化合成NOx?在高溫下這種熱反應型的NOx也占有一定比例;

再次是瞬時反應型,即在高溫下空氣中的N2與碳氫離子團瞬時生成的NOx?在鍋爐中瞬時反應型的NOx所占份額很小?

從NOx的生成機理分析,降低燃料區溫度?避免局部高溫區?減少過量空氣系數,是減少NOx生成的有效辦法?

現有三種公認的方法來控制NOx:燃燒控制技術,向爐內噴射吸收劑以及煙氣脫硝技術?三種方法相比較,資金投入越多效果越好?

燃燒控制技術一般就是采用低NOx燃燒技術減少NOx的生成,如分級燃燒法?再燃燒法?低氧燃燒?濃淡偏差燃燒和煙氣再循環法等?它們的基本思想是,使已生成的NOx被碳部分還原:設法造成缺氧富燃的燃燒區域;設法降低局部高溫區的燃燒溫度;使燃燒區域的氧濃度適當降低?采用這些技術能使NOx生成量顯著降低(對燃煤鍋爐降低率不超過75%),以至達到更嚴格的排放標準?

鍋爐的噴射吸收劑系統和煙氣脫硝(主要是SCR)系統可以達到使NOx排放降低90%的水平?煙氣脫硝要比煙氣脫硫困難,原因是NOx的濃度比SO2的低,化學穩定性高,且NOx的溶解性差?從煙氣中脫硝的方法有干式流程的選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNR)?濕式流程的氧化吸收法?一般可以在任何鍋爐上先進行燃燒控制技術的改造,如果要求更嚴格,可以再加上噴射和SCR技術?燃燒控制技術可以節省日常運行費用?

（4）二氧化碳減排?

近幾十年來,大氣中的各種溫室氣體濃度正不斷增加,它們對全球氣候變化的影響已引起了人們廣泛的注意?各種溫室氣體中,以CO2的危害最為嚴重?大氣中的CO2含量在最近20年中已增加了27%,濃度達到360PPm?據估計目前每年約有260億噸CO2被排入大氣,其中大約有80%是由于煤?石油?天然氣等礦物燃料的燃燒而引起的?

近十幾年來,各國學者已經提出了許多減少大氣CO2含量,緩解溫室效應的方案?總的說來,可分為三大類:

a.減少CO2排放方案?這一方案中包括采用名種高效節能設備,以更高的效率生產電能,轉化能量以及循環利用產品,特別是采用熱電聯產技術以充分利用能源?通過這些措施減少化石燃料的消耗?

b.CO2排放控制和發展CO2化工方案?這種方案是將CO2從鍋爐煙氣中提取出來,加以貯藏,例如壓入深海或油井深坑等;另一個可能是利用這些CO2作為化工原料,使其進入化工產品?

c.CO2零排放方案?包括使用核電?太陽能?水能?風能和地熱,以及利用生物質能和能源作物生產能源?

從長遠觀點看,CO2零排放技術顯然是解決問題的最根本途徑,在這些零排放技術中,生物質能又是其中最具潛力的?

減少化石燃料的使用,提高能源的轉換效率積極發展軟能源,是降低大氣中二氧化碳的含量的直接方法?CO2的排放與動力設備的熱效率有著直接的關系,例如,對相同的供電負荷而言,若發電機組的效率提高一倍,就意味著所排放的CO2減少了一半?在不久的將來,燃用化石燃料的發電機組最大效率可達45%,最高限度可望達到47%?與現在的發電效率相比,尤其是與效率低下的發電機組相比(如中國目前的水平僅為29~30%),通過提高效率來降低CO2排放是有著重要現實意義的?

通過減少化石燃料的消耗量可以降低CO2的排放量?除此之外的削減CO2的措施就是控制它的排放量,即通過吸收或分解的方法來脫除或分離已生成的CO2?盡管目前有許多煙氣凈化方法可以用來控制氮氧化物和硫氧化物的排放,但還沒有有效地控制CO2排放的方法?

（5）汞等重金屬控制?

據美國環境保護協會報道,燃燒爐內排放出的空氣污染物中,最重要的是有機物有害成分(如苯并芘)?硫化物?氮氧化物以及未完全燃燒可燃物和重金屬?其中以亞微米級顆粒形式存在的重金屬排放物具有最大的威脅性?在環境污染中最受關注的重金屬有Hg?Cd?Pb?Cr?As等,此外Zn?Cu?Ni?CO?Sn等也有較大的毒性?目前發現危害最大的可能是金屬汞?

目前燃煤汞污染,特別是燃煤電站鍋爐中汞排放及其對環境的危害性,已引起世界各國學者的重視?我國80%以上的煤是用于直接燃燒,原煤中85%的汞經燃燒排放大氣?據估計,近幾年來我國每年由于燃煤排放大氣的汞量大約在103噸數量級?隨著經濟的發展,這一數字還將增長,因此,我國除了開展對燃煤過程中飄塵?SO2?NOx等常見污染物的排放和控制的研究,還應對一些潛在的污染物如汞等微量有害元素進行研究?

(四)粉煤灰利用

粉煤灰是煤燃燒排放出的一種粘土類火山灰質材料?狹義地講,它就是指鍋爐燃燒時,煙氣中帶出的粉狀殘留物,簡稱灰或飛灰;廣義地講,它還包括鍋爐底部排出的爐底渣,簡稱爐渣?灰和渣的比例隨著爐型?燃煤品種及煤的破碎程度等不同而變化,目前世界各國普遍使用的固態排渣煤粉爐,產灰量占灰渣總量的80%～90%?電廠灰渣的大量排放促使了對粉煤灰資源綜合利用的重視?近年來,粉煤灰的綜合利用已逐漸形成了一個新興產業?目前,我國的粉煤灰主要用在建筑工程和基礎工程中,比如用于生產水泥?混凝土?磚?墻板?砌塊?陶粒?砂漿及道路工程的回填?土壤的穩固及改良等?近年來,我國在粉煤灰精細化利用方面也取得較多的研究成果,并逐步應用于生產實際?