煤炭資源高效清潔利用模式探討

劉仁志，范柱國，劉培毓

（1.昆明理工大學，昆明 650093；2.太原科技大學，太原 030024）

煤炭利用期間會產生大量的溫室氣體，這是造成大氣污染的重要原因。數(shù)據(jù)顯示，2013年，我國所有能源消耗產生的二氧化碳總量為9.023 1×109t，而其中有83%的二氧化碳來源于煤炭的使用[1]。除二氧化碳的排放外，煤炭使用期間還有其他空氣污染物的排放。2012年，煤炭排放的二氧化硫占總排放量的83%，其氮氧化物排放量占總排放量的70%，而顆粒物的排放量占67%[2]。我國預計在2030年達到單位GDP排放二氧化碳的量（碳排放強度）比2005年下降60%～65%的目標，我國政府將采取更為嚴格的控制措施，完成總量削減的目標。在一次能源消費中，我國的煤炭消耗近些年來一直呈下降趨勢，但是在未來比較長的時間內，為了維持經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，煤炭一次消費的占比仍然比較高[3]。根據(jù)國內外一些機構的預測數(shù)據(jù)，到2020年，我國的所有能源消費中，煤炭的一次能源消費占比較大，而到了2040年，這一數(shù)據(jù)將繼續(xù)下降。所以，為了嚴格控制我國的溫室氣體排放以及解決越來越嚴峻的大氣污染問題，煤炭資源的高效清潔利用逐漸受到研究人員的廣泛關注。

我國的煤炭消費主要集中在四大行業(yè)：電力、鋼鐵、煤化工和建材。近年來，以煤炭作為原料的產品除甲醇、煤氣等，又逐漸發(fā)展出許多新型產品，主要集中在電力和煤化工行業(yè)，尤其是煤化工行業(yè)，成為煤炭利用新的增長點，占有重要地位。

1 我國煤炭清潔利用的問題分析

煤炭清潔利用在我國起步比較晚，盡管我國現(xiàn)在的煤炭清潔利用技術發(fā)展成果喜人，尤其是新型煤電技術在世界范圍內已屬于領先水平，但是在煤炭總體的清潔利用方面仍然存在較多的問題。

我國的傳統(tǒng)煤化工資源占比較大，用于煉焦的煤量已經(jīng)超過煤化工耗煤總量的80%[4]。而現(xiàn)代煤化工產業(yè)發(fā)展還并不完善，大多還處在工程示范的階段，未開始大規(guī)模應用，還有部分煤化工行業(yè)，如煤制氣、煤制油等發(fā)展并不完善，我國也并未完全掌握這些技術，尤其是一些關鍵的設備，目前仍以進口為主[5]。因此，傳統(tǒng)煤化工改造面臨成本較高、難以推進的問題。目前，我國的煤制油技術發(fā)展水平較高，尤其是在單位煤耗方面，可以與世界先進水平比肩，但是煤制乙二醇的工藝技術發(fā)展尚不完善，達不到國際先進水平[6]。另外，我國的煤化工項目集中的地區(qū)主要在中西部，屬于水資源比較匱乏的地區(qū)，但是煤化工的產品消耗又主要集中在東部地區(qū)。因此，從資源利用和經(jīng)濟成本方面來看，二者都會對煤化工企業(yè)的進一步發(fā)展產生不利影響。

目前，煤制油的成本相對于石油煉油成本較低，但是生產稅相對于石油煉油每噸要高出300～400元，因此不論是間接還是直接液化制油都無法與當前油價進行有力競爭。煤制烯烴方面也存在同樣的稅收問題，煤化工行業(yè)很難在當前的碳稅情況下得到快速發(fā)展?；鹆Πl(fā)電是我國當前主要的發(fā)電形式，年發(fā)電量超過總發(fā)電量的70%，但是火電中，煤電的裝機容量在90%以上，超臨界燃煤的占有率只有約50%。由于超臨界燃煤的建設成本比較高，不同地區(qū)的發(fā)展水平也有很大差異，一些中小電廠的改造步履維艱。因為超臨界燃燒工藝的造價非常高，而且技術也不完善，所以其發(fā)電成本甚至高于燃煤發(fā)電。實踐表明，將碳捕獲封存技術與超臨界燃燒技術進行聯(lián)合使用，能達到清潔利用的目的?？傮w來說，普通燃煤電廠運用碳捕獲封存技術，雖然初期造價不高，但是后期運營成本較高，導致其與燃煤機組競爭并無優(yōu)勢。

2 煤炭資源高效清潔利用模式探討

2.1 新型煤炭發(fā)電技術

在我國，煤炭發(fā)電技術目前主要有超超臨界燃煤發(fā)電技術、IGCC、循環(huán)流化床燃煤發(fā)電技術和分級轉化發(fā)電技術等。其中，IGCC是目前世界上被廣泛認可的最為先進的發(fā)電技術，該技術通過氣化煤炭進而得到合成氣，將合成氣凈化后用于聯(lián)合燃氣-蒸汽循環(huán)的發(fā)電技術。這種技術聯(lián)合了煤氣化技術和聯(lián)合循環(huán)兩種技術，大幅度提高了發(fā)電效率的同時還降低了大氣污染物的排放。目前，這種技術在我國的華能集團公司得到了應用，2013年，公司在天津首次完成了IGCC電廠試運行。投產之后，機組運行比較穩(wěn)定，同時發(fā)電能力也不斷提升，目前已經(jīng)將39億kW·h的電能提供給了社會。

超超臨界燃煤技術的技術基礎是超臨界燃燒技術，其參數(shù)比超臨界燃燒更高，在二氧化硫和二氧化碳排放方面，其優(yōu)勢是降低了這兩種氣體的排放，在資源利用率方面，超超臨界燃煤機組的能源利用率也有明顯的提升。截至2015年9月，我國投產的超超臨界燃煤機組，已經(jīng)達到82臺，燃燒產生的水蒸氣溫度能達到600℃。另外，效率更高、能耗更低的超超臨界燃煤發(fā)電技術正處在研發(fā)階段，有望在近幾年投入運行。

我國當前的循環(huán)流化床模式的鍋爐發(fā)電機組中，已經(jīng)投入運行的在3 000個以上，總的裝機容量可以達到1×108kW。其中，四川白馬示范電站的超臨界循環(huán)流化床技術，其裝機容量達到了60萬kW，是世界首例大容量電站。目前，我國已經(jīng)成功掌握了循環(huán)流化床鍋爐所應用的核心技術，全國范圍內裝置容量達到35萬kW的超臨界循環(huán)流化床機組中，已經(jīng)進入商業(yè)運營階段的有5臺。

分級轉化發(fā)電技術是一種不同于原有燃煤技術的新技術形式，在這種技術中，煤炭不僅是原料，同時也是燃料，有機結合起熱解、氣化、燃燒等多個過程。將流化床熱解氣化爐與循環(huán)流化床鍋爐結合起來，就可以達到分級階梯式利用煤炭資源的目的。嵊州新中港熱電公司于2015年與分級轉化技術達成合作意向，準備建設示范工程項目，新中港熱電公司將對其4臺高溫高壓循環(huán)流化床進行改造，用分級轉化多聯(lián)產機組進行替代，總的蒸發(fā)量達到440 t/h。在不降低發(fā)電量和供汽量的基礎上，液化天然氣的年產量約為4 800 t，重質燃料油的產量約為3 900 t，新增產值可以達到約3.1億元。

2.2 新型煤化工技術

新型煤化工的核心技術是煤氣化，生產原料是煤，然后將煤轉化為液態(tài)、氣態(tài)或固態(tài)燃料，接下來繼續(xù)進行化學品生產的工藝過程。新型煤化工在我國的分布情況主要為：山西、內蒙古、云南主要為煤制油項目；新疆、內蒙古和山西主要為煤制天然氣項目；其他的煤化工主要集中在新疆、山西、山東、內蒙古、江蘇、河南等地。目前，我國的煤制烯烴技術已經(jīng)發(fā)展得比較完善，截至2015年底，煤制烯烴的產量已經(jīng)接近600萬t。

2016年，我國的煤制烯烴裝置已經(jīng)投產使用9臺，設計產能可以達到744萬t/a。在建項目有9個，建成后產能預計可達到740萬t/a，擬建項目有6個，總的設計產能為400萬t/a。在我國，乙二醇的市場需求量非常可觀，并逐年提高。數(shù)據(jù)顯示，2016年我國的煤制乙二醇產能達到200萬t/a，其中實際產量達到115萬t。投產項目分布地區(qū)主要集中在河南、內蒙古、新疆等地。目前有8個煤制乙二醇項目在建，設計產能為260萬t/a。2016年底投產的煤制油項目達到9個，產能共計715萬t/a，項目總體投資額達1 193億元。

煤制烯烴技術是利用煤進行甲醇等低鏈的碳烯烴制備技術?？傮w來說，中國的煤制烯烴技術發(fā)展非?？?，但是目前來看，這一技術的發(fā)展速度過快，產品存在同質化現(xiàn)象，極易產生市場過剩問題。因為這種技術存在較大的投資風險，建議全面發(fā)展新型煤化工技術，不斷開發(fā)新的產品并投入市場，以期帶來更大的經(jīng)濟和環(huán)境利益。

2.3 碳捕獲及碳封存技術

碳捕獲技術是近些年發(fā)展起來的新型煤炭資源高效利用技術，這種技術首先收集工業(yè)燃燒或發(fā)電產生的二氧化碳，然后將二氧化碳進行捕獲封存從而大大降低二氧化碳排入大氣中的量，同時也是一種碳循環(huán)利用的重要手段。目前，二氧化碳捕獲的方式主要有三種：燃燒前、燃燒后以及富氧燃燒過程中捕集。其中，燃燒前捕集需要結合IGCC技術，煤進行氣化的同時，分離出二氧化碳，達到二氧化碳的高效回收；燃燒后捕集主要是針對捕獲普通電廠的燃燒排放二氧化碳的手段，這種二氧化碳的濃度比較低、壓力比較小，因此對其進行捕獲的運行成本相對較高。

富氧燃燒捕集是利用高含氧量的氧氣進行加壓和助燃，從而達到提高二氧化碳排放濃度和壓力的目的，當其二氧化碳排放濃度和壓力與IGCC相當時，碳收集的效果就會比較高效。近些年來，碳捕獲和封存技術又有了新的發(fā)展，在捕獲和封存之間又提出了利用的理念，也就是CCUS，這種技術通過對二氧化碳進行回收再利用，從而達到二氧化碳零排放的目的。2009年，華能上海投產了碳捕獲封存項目，600 MW機組的碳捕獲封存能力達到了10萬t。神華集團在2010年啟動了CCS工業(yè)化示范項目，這個項目將二氧化碳封存在咸水層，是全球第一個全流程碳捕獲封存項目，此項目捕獲能力設計為10萬t。

2.4 煤基多聯(lián)產系統(tǒng)

煤基多聯(lián)產系統(tǒng)的目的是綜合高效地利用煤炭，達到節(jié)能減排，其核心是煤氣化，它是一種清潔度非常高的煤炭利用系統(tǒng)。這種技術有機耦合了相對獨立的煤電和煤化工行業(yè)，實現(xiàn)了產品的內循環(huán)，降低了污染物的排放，提高能源資源利用率，同時增加了產品（如大宗煤化工產品甲醇、二甲醚等）和發(fā)電的附加值，污染排放量也大幅度降低，達到了煤炭綜合清潔高效利用的目的。兗礦集團“十五”期間聯(lián)合中國科學院工程熱物理研究所，共同完成了煤氣化發(fā)電同時聯(lián)產甲醇系統(tǒng)的關鍵技術公關。我國目前的煤基多聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)展還不完善，剛剛進入工業(yè)化示范階段，但是隨著相關技術的不斷發(fā)展，煤基多聯(lián)產系統(tǒng)將會趨于成熟。

3 結論

隨著國家對能源資源清潔利用的要求越來越高，全國各個地區(qū)都在開展綠色化能源利用，各省市也都非常重視煤炭的清潔高效利用。十九大對生態(tài)環(huán)境的發(fā)展提出了更高要求，強調了社會主義的生態(tài)文明觀，在這一思想指導下，人們更應該積極開發(fā)能源的高效清潔利用模式，構架低碳、高效的能源利用體系。綜上所述，加快研究煤炭資源高效清潔利用的模式，是我國生態(tài)文明發(fā)展和合理利用煤炭資源的必然選擇，也是煤炭企業(yè)在這樣一個大環(huán)境下的必然選擇。