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    中國清潔煤技術發展中的若干問題

    點擊:195 發表時間:2020-12-07 09:50

    一、煤炭在我國動力工業和環境保護中的方位

    動力和環境是現在人類面臨的重要問題,處理好這些問題,關于人類生計和社會的可繼續翻開有著重要的意義。

    我國是國際上最大的煤炭生產國和消費國,圖1給出了我國建國后一次動力消耗的結構改動?,F在煤炭占我國動力需求總量的75%左右,大大超出了27%的國際平均水平。由圖2所示的國際一些首要國家中煤炭在動力結構中的比例可看到,我國是國際上少數以煤為首要動力的國家之一。跟著我國對核能、水、電和新動力的開發運用和翻開,動力結構會有些改動。但預計到本世紀中,煤炭在動力中的比重仍將高于50%。


    與其他動力比較,煤炭是一種低層次、高污染的動力,在其開掘、運送、轉化和運用的各環節中都會對生態環境構成很大的損害,是我國現在最大的污染源之一。我國在煤燃燒進程中所排放的首要大氣污染物,如二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳和粉塵等,總量約占整個燃料燃燒的96%。跟著我國經濟的敏捷翻開,煤炭消耗量不斷添加,污染物排放總量也隨之添加,如,1998年全國的二氧化硫排放總量已抵達2090萬噸,代替美國(1600萬噸))而成為國際二氧化硫排放最高的國家。

    二、煤的結構

    煤是由遠古逝世植物殘骸沒入水中經過生物化學作用,然后被地層掩蓋并經過地質化學作用構成的有機生物巖,是有機與無機化合物的混合體。由于生成的地質年代不同,構成了煤的組分也不同,但其根柢元素成份為碳、氫、氧、氮、硫。此外,還包括一些成灰元素(如硅、鋁、鐵、鈣、鎂、堿金屬)和一些微量重金屬,如汞、硒等。煤中的有機成份是以官能團的方法出現的,包括羥基、羧基、羰基、甲氧基等。煤的化學結構方法可由圖3的示意圖來標明。


    由圖可知環烴和鏈烴為煤的首要組成部分。煤在熱轉化進程中,烴中的弱鍵開裂構成氣體或液體逸出。假如能在煤的轉化進程中提取部分液體環烴,則煤轉化進程中產品的層次就會大大的跋涉。

    三、現有煤炭轉化技術及其問題

    現在煤炭的轉化首要有三種方法:直接燃燒、氣化和液化。其進程簡圖如圖4所示。


    1.煤炭燃燒

    我國煤炭運用的首要方法為直接燃燒,約占總用煤量的80%。而煤直接燃燒的一半左右用于中小燃煤設備,其問題之一為熱功率低,如工業爐窯的熱功率中有40%左右,而工業及供暖鍋爐的熱功率也僅為60%左右。問題之二為對環境的污染極端嚴峻。由于小型燃煤設備上沒有污染物排放操控方法,其排放量要比大型燃燒設備高得多。大型燃煤設備如電站鍋爐的轉化功率比小型設備高?,F在發達國家煤發電的功率可達45%以上,而我國的煤發電功率只需30%左右,并且其污染物如SO2、NOx、CO等的處理方法還有待處理。由此可見,處理煤炭直接燃燒的問題是煤潔凈高效轉化的首要問題。從理論上看,將煤炭直接燃燒產生熱能來運用的最大缺點在于該進程將高層次能降至極低層次的熱能來運用。如同用高溫高壓蒸汽來供暖。而現在煤炭運用的現狀即在近期內以燃燒為主的局勢不行能有大的改動,因此,現有燃燒設備的改進是跋涉功率、下降污染的一個方向。一同,關于新設備應選用新的轉化技術,逐漸改動煤炭運用的現有格式。

    2.氣化

    煤炭氣化是運用固體煤來發憤慨體燃料或產品的進程,與煤的直接燃燒比較,氣化具有較大的優越性。首要,在轉化進程中燃料的層次不只沒有下降,并且略有升高。所產生的氣體不只可以作為燃料還可以作為化工原料。其次,與固體煤比較,氣體燃料在燃燒進程中其燃燒功率高,污染低,可作為民用燃料??墒?,完全氣化進程需求較苛刻的條件,即較高的溫度,一同半焦的完全氣化需求較長的時間,加上在高溫氣氛下半焦的失活,構成不完全氣化。其結果是氣化爐的結構凌亂、造價高。


    為處理這些問題,現在各國正在對整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電技術進行深化的研討(如5所示)。該技術的商業化可望跋涉煤炭的轉化功率。但現在煤氣的高溫凈化這一要害技術問題還沒有得到完全處理。一同,我國現在的燃氣輪機還需求依托進口。因此,該項技術不能完全符合我國的根柢國情。

    3.液化

    煤炭液化是經過化學加工轉化為液體產品,包括液體燃料和化工原料的進程。煤炭液化可以經過二種方法來完畢:直接液化和直接液化。

    煤炭的直接液化是使煤在高壓、高溫條件下,經過加氫使煤中的有機成份直接轉化為液體燃料和化工原料(如圖4中所示)。直接液化具有液體轉化率高的利益,但由于其產率依托于煤的結構,煤種習慣性較差。一同,其進程在高壓、高溫條件下加氫進行,苛刻的整體操作條件使產品的本錢跋涉?,F在還無法與相似石油化工產品相比賽。

    煤炭直接液化是將煤氣化后,再經過催化組成為液體產品。煤炭的直接液化的利益在于其煤種習慣性較寬,操作條件較溫合,一同,硫、氮和灰等污染前驅物可在氣化進程中脫除。但該進程包括氣化和組成二個進程,即先將煤中的高碳成分降成一碳,然后再組成為高碳液體。故其總功率低、產品的挑選性差。

    由以上分析可以看出,關于作為混合體的煤進行單一轉化方法處理具有如下問題:

    ●轉化功率低

    ●轉化后產品層次下降

    ●污染物處理量大

    ●工藝條件苛刻

    ●相對出資高

    因此,應根據煤炭的結構來開發煤的潔凈高效轉化新技術。

    四、我國潔凈煤技術翻開方向

    煤是有機物與無機物的混合體。由圖3中所示的煤結構簡圖及其在熱解進程中結構改動,我們可看到,固體煤在加熱后可一同發憤慨、液及固體產品。因此,選用單一的轉化方法不符合煤的熱轉化特性。所以,潔凈煤技術翻開的趨勢將是歸納運用。經過歸納運用抵達跋涉轉化功率、減少污染物的生成,跋涉產品的層次,對產品進行分級運用,跋涉經濟效益的歸納意圖。如前所述,我國現在煤炭運用以燃燒為主的格式,在近期內不行能有較大的改動。因此,潔凈煤技術的翻開應包括二個方面,即新技術的開發和現有技術的改進。在此,作者將從進程分析的視點動身,要害談論新技術的開發一同也對現有技術的改造進行簡略的談論。

    技術跋涉依托于基礎理論研討成果。根據潔凈煤轉化技術翻開方向,以下方面的基礎理論研討應得到加強:

    ●煤熱解、氣化和燃燒的機理

    ●煤的催化轉化機理

    ●煤轉化進程中污染物的生成機理

    ●煤轉化系統集成

    ●擴展技術

    五、潔凈煤轉化新技術

    1.多聯供

    多聯供是在燃料進程中,產生不同的產品,根據其層次進行分級運用,跋涉整體轉化功率。最簡略的多聯供為熱電聯供,與單純發電比較,其整體功率有顯著的跋涉。再如IGCC選用燃氣輪機和蒸汽機聯合循環的方法跋涉整體發電功率。

    挑選適合于我國的多聯供系統首要要從我國一次動力的現狀下手。我國是一個富煤、少油、貧氣的國家,一同也是一個翻開我國家。如前所述,許多的煤用于家庭采溫暖炊用,功率低、污染高。如將煤改為氣體燃料,可大大減小環境污染問題?,F在中心和地方政府已開始在城市施行家用動力結構的調整,這一結構調整需求滿足的城市煤氣。從這一視點考慮,用煤轉化產生的煤氣作為民用燃料比用于燃氣輪機發電更適于我國國情。而煤在熱解時將產生部分液體產品,假如能運用這些產品,可以部分緩解我國石油供需矛盾問題。因此,翻開煤轉化的氣、油、熱、電四聯供技術將更符合于我國的國情。我國科學院化工冶金研討所郭慕孫院士提出的煤炭拔頭新工藝將為煤炭轉化的四聯供供給了一條可行的途徑[1]。其工藝思路由圖6所示。煤經過快速熱解產生的油氣經過快速冷卻將油、氣分別。由于快速熱解、快速冷卻,避免了熱解產品的二次裂解和二次聚合反響,跋涉了油產率,一同下降重焦油量。


    如前所述,傳統的煤轉化進程,如氣化,將煤中的碳氫化合物組分降至一碳。這樣就使得一些高層次的環烴如苯、甲苯、酚等降級。而拔頭工藝的立異點在于它發明晰一個能直接提取高層次碳氫化合物的工藝,分別后的煤氣可作為城市煤氣,而剩余的半焦可作為燃料發電、供熱。

    拔頭工藝可運用流態化技術完畢。這樣可以抵達煤的四聯供集成。由于該工藝可以在較低的溫度下完畢,反響條件溫文,較簡單完畢在不同階段對S、N等污染物的前驅物進行處理,節省一次出資和工作費用。

    2.混燒技術

    混燒技術指將不同種類的燃料一同轉化的技術。它源于為改進煤的燃燒特性的配煤技術。在此將談論煤與生物質和廢物的混燒技術。

    我國是一個農業大國,生物質資源豐富,農作物秸桿年產量約6億噸,其間60%被放置。在收割后,許多秸桿被就地燃燒,糟蹋動力、污染環境,一同所產生的煙塵還影響正常的交通運送(機場停飛、高速公路關閉)。而生物質自身是一種可再生的動力,由于其生長進程吸收的二氧化碳與其燃燒進程中生成的二氧化碳持平,故其凈二氧化碳排放量為零。生物質作為動力可減少二氧化碳的排放總量,可是,由于一年生的植物秸桿中含有許多的氯和堿金屬,所以直接燃燒會引起一系列的工作問題,如高溫腐蝕、結渣、粘灰等。生物質與煤的混燒技術可望處理這些問題。

    與此一同,跟著經濟的高速翻開,城市化水峻峭公民日子水平的不斷跋涉,我國的城市廢物產量日積月累。由此引起的環境污染問題日趨嚴峻,城市廢物的處理已成為直接影響城市經濟建設,公民日子質量的重要因素。據統計,1995年城市日子廢物清運總量已達1.08億噸,工業固體廢物生產量為6.45億噸。而高消費產生的日子廢物越來越多,成分日益凌亂而難于處理。為完畢城市廢物的資源化、動力化運用,翻開廢物燃燒技術勢在必行。

    廢物具有成份凌亂、灰分大、燃燒難等問題。此外,由于其間的高氯含量和重金屬含量,在燃燒進程中會產生高溫氯腐蝕的二噁英排放高的問題。分級轉化技術是處理這些問題的途徑[2],一同選用與煤混燒的方法可望完全處理廢物燃燒中的這些問題。

    圖7給出了煤與生物質和廢物混燒的方案示意圖。由于上述的生物質和廢物燃燒時所具有的問題,生物質和廢物不能與煤直接混合來燃燒。首要將生物質或廢物參加熱解室,熱解后的氣體經過脫氯凈化處理參加燃煤鍋爐的上方作為再燃燃料。這樣處理了生物質或廢物在燃燒進程中產生的腐蝕問題,一同還可以復原燃煤進程運用生長中產生的氮氧化合物,而剩余的對生物質半焦可經處理制做活性炭,對剩余的廢物焦、灰混合物可經處理制做保溫材料,這樣就可以抵達歸納運用的意圖。


    六、現有設備的改造

    現有設備的改造包括以下幾個方面:

    1.習慣我國國情的脫硫脫硝技術

    ●無水污染的濕法脫硫技術

    ●再燃法下降氮氧化合物

    ●流化床技術燃用高硫煤及其他高硫燃料

    ●低本錢可再生脫硫劑

    2.燃煤及混燒進程中微量重金屬的處理

    3.現有煤粉鍋爐中飛灰的歸納運用:用于建筑材料

    4.現有工業窯爐的改造:首要致力于跋涉功率、下降污染。

    5.小型燃煤設備的改造:致力于跋涉功率下降污染,一同加強新式設備的研討,進行更新換低。

    七、結論

    1.清潔煤轉化應根據煤的結構特征,遵循歸納運用、分級轉化、污染處理、層次跋涉的原則。

    2.在翻開潔凈煤新技術的一同,應翻開相應的基礎理論研討。

    3.新技術開發應與現有技術設備的改進相結合。

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