目前,煤炭仍然是中国及至世界具有较大优势的最便宜的能源。中国拥有全球第三大煤炭储备量,仅次于美国和俄罗斯。我国是烧煤大国,70%以上的能源依靠煤炭,大力发展洁净煤技术有更重要意义。
为了减少燃煤对环境的污染和提高煤炭燃烧效率,为了使煤炭成为未来洁净和可靠的能源,美国于1985年12月提出了“洁净煤技术(cleancoaltechnology,CCT)计划”。洁净煤技术是旨在减少污染和提高利用效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。
传统意义上的洁净煤技术主要是指煤炭的净化技术及一些加工转换技术,即煤炭的洗选、配煤、型煤以及粉煤灰的综合利用技术。国外煤炭的洗选及配煤技术相当成熟,已被广泛采用。
目前的洁净煤技术是指高技术含量的洁净煤技术,是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术的总称,是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一。发展的主要方向是煤炭的气化、液化、煤炭高效燃烧与发电技术,等等。
我国的洁净煤技术包括:选煤,型煤,水煤浆,超临界火力发电,先进的燃烧器,流化床燃烧,煤气化联合循环发电,烟道气净化,煤炭气化,煤炭液化,燃料电池。
洁净煤技术包括两个方面:一是直接烧煤洁净技术,二是将煤转化为洁净燃料的技术。
一、直接烧煤的洁净技术。是指在直接烧煤的情况下采用的技术措施:
(一)燃烧前的净化加工技术,主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。原煤洗选采用筛分、物理选煤、化学选煤和细菌脱硫方法,可以除去或减少灰分、矸古、硫等杂质;型煤加工是把散煤加工成型煤,由于成型时加入石灰固硫剂,可减少二氧化硫排放,减少烟尘,还可节煤;水煤浆是先用优质低灰原煤制成,可以代替石油。
(二)燃烧中的净化燃烧技术,主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。流化床又叫沸腾床,有泡床和循环床两种,由于燃烧温度低可减少氮氧化物排放量,煤中添加石灰可减少二氧化硫排放量,炉渣可以综合利用,能烧劣质煤,这些都是它的优点;先进燃烧器技术是指改进锅炉、窑炉结构与燃烧技术,减少二氧化硫和氮氧化物的排放技术。
(三)燃烧后的净化处理技术,主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。消烟除尘技术很多,静电除尘器效率最高,可达99%以上,电厂一般都采用。脱硫有干法和湿法两种,干法是用浆状石灰喷雾与烟气中二氧化硫反应,生成干燥颗粒硫酸钙,用集尘器收集;湿法是用石灰水淋洗烟尘,生成浆状亚硫酸排放。它们脱硫效率可达90%。
二、将煤转化为洁净燃料。
(一)煤的气化技术,有常压气化和加压气化两种,它是在常压或加压条件下,保持一定温度,通过气化剂(空气、氧气和蒸汽)与煤炭反应生成煤气,煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。用空气和蒸汽做气化剂,煤气热值低;用氧气做气化剂,煤气热值高。煤在气化中可脱硫除氮,排去灰渣,因此,煤气就是洁净燃料了。
(二)煤的液化技术,有间接液化和直接液化两种。间接液化是先将煤气化,然后再把煤气液化,如煤制甲醇,可替代汽油,我国已有应用。直接液化是把煤直接转化成液体燃料,比如直接加氢将煤转化成液体燃料,或煤炭与渣油混合成油煤浆反应生成液体燃料,我国已开展研究。
(三)煤气化联合循环发电技术,先把煤制成煤气,再用燃气轮机发电,排出高温废气烧锅炉,再用蒸汽轮机发电,整个发电效率可达45%。我国正在开发研究中。④燃煤磁流体发电技术,当燃煤得到的高温等离子气体高速切割强磁场,就直接产生直流电,然后把直流电转换成交流电。发电效率可过50%~60%。我国正在开发研究这种技术。
为了减少直接烧煤产生的环境污染,世界各国都十分重视洁净煤技术的开发和应用。
美国是世界上最大的能源消费国,其中煤炭约占1/4左右。1999年美国硬煤产量达9.14亿吨,居世界第2位。1985年12月,美国国会通过了对“洁净煤技术计划”23亿美元的预算。经过5轮竞争性项目征集,共选出38个商业性示范项目,这些示范项目涉及先进煤炭技术的技术性、经济性和环境性能。到2000年6月底为止,26个示范项目已经完成,另外5个项目正处于试验阶段,2个项目正在建设中,5个项目处于设计阶段。上述38个项目共投资52.52亿美元,其中联邦政府占34%左右,工业界和州政府占66%左右。美国的洁净煤技术示范计划涉及环境控制技术、先进发电系统、煤炭洁净燃料和工业应用等4个领域。据统计,美国国内煤炭消费量的80%用于发电,电煤约占美国电力一次能源消费的56%左右。由于美国电力消费一直不断增长,而且煤炭又是美国电力一次能源消费的主体,因此美国非常重视先进发电系统的研究。先进发电系统是美国洁净煤技术2000财政年度最主要的资助项目。
与资源大国美国不同,日本是世界上最大的煤炭进口国,其能源需求的81.5%依赖进口,1999年日本进口煤炭1.33亿吨。109为了摆脱对进口能源的依赖,日本的能源政策强调新能源和可再生能源的开发。并于1993年提出了“新阳光计划”,洁净煤技术也包括在新阳光计划中。2000财政年度新阳光计划对洁净煤技术的投资为35.91亿日元,研究的重点是煤炭液化和煤炭气化等。近些年,由于国际石油价格波动较大,而国际煤炭价格却相对稳定,因此日本又将燃煤火力发电作为发展重点。日本通产省于2000年公布了“21世纪煤炭计划”,该计划提出在2030年前分3个阶段研究开发洁净煤技术,其主要项目有:先进发电、高效燃烧、脱硫脱氮和降低烟尘、利用煤气的燃料电池、煤炭制造二甲醚和甲醇、水煤浆、煤炭液化和煤炭气化等。
1999年,欧盟15国煤炭在电力一次能源消费中约占25%左右,这一年欧盟15国共进口煤炭1.5亿吨。欧盟国家非常重视燃煤先进发电技术的研究。例如英国的“能源白皮书”明确提出要把电厂的洁净煤技术作为研究开发的重点。欧洲的“兆卡计划”(thermie)明确提出要加强煤炭高效洁净燃烧的研究,特别是电厂燃煤技术的研究,以便减少温室气体的排放。
作为世界上最大的温室气体排放者,目前中国所消耗的煤比美国、欧洲和日本加在一起的还要多。中国如火如荼的燃煤火电厂建设已经在全球范围内引发了世界对中国加剧全球变暖的担忧。但是,一个被严重忽略的事实是:在过去的两年里,作为全球领先的高效、低污染煤电厂的建设者,中国脱颖而出!虽然美国燃煤电厂的平均效能高于中国,但是在利用尖端技术提高发电效能和由此进一步减少温室气体排放的行动力方面,美国已经落在中国的后面,因为中国掌握了相关的煤炭清洁技术并降低了生产成本。当美国仍在为是否要建设更加高效能、运用超高温蒸汽的煤电厂而争论不休的时候,中国已经开始以每月建成一个这种电厂的速度展开了建设。
经过20多年的发展,世界上的煤炭气化、液化以及发电技术已日趋成熟。通过实施洁净煤技术,可实现经济增长和保护环境的协调发展。一方面,煤矿企业在经济上增加了盈利,另一方面,环境也因此得到了改善。