煤炭清潔利用技術(shù)綜述

張 明，付景文

（1.安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽巢湖238000；2.天津大學(xué)，天津300072）

伴隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提升，以往因過(guò)于關(guān)注工業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展而忽視環(huán)境保護(hù)所形成的粗獷發(fā)展模式，使得我國(guó)生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重危及我國(guó)人民的身體健康。環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻讓人們心中的環(huán)保意識(shí)逐漸強(qiáng)化。中國(guó)是缺油而富煤的國(guó)家，煤炭?jī)?chǔ)量居世界第三，是重要的化工和能源原料，但是煤炭的利用存在嚴(yán)重的污染物和碳排放問(wèn)題。

因國(guó)家轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和新能源的發(fā)展，近年來(lái)煤炭行業(yè)的發(fā)展并不景氣，若想擺脫目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，尋找新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，就應(yīng)該盡快適應(yīng)以高效率、低排放、減污染、可循環(huán)為特征的新常態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，積極構(gòu)建以清潔、高效、低碳、安全和可持續(xù)為發(fā)展目標(biāo)的現(xiàn)代煤炭清潔利用體系，以新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保和生物等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為技術(shù)耦合導(dǎo)向，在煤炭潔凈轉(zhuǎn)化領(lǐng)域探尋新的發(fā)展契機(jī)，并實(shí)現(xiàn)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。在新形勢(shì)下，新的潔凈煤炭利用方式成為科學(xué)研究的重點(diǎn)課題。

本文涵蓋的煤炭清潔利用技術(shù)包括煤炭氣化技術(shù)、煤炭液化技術(shù)、微生物處理技術(shù)、煤炭廢棄物處理、煤炭清潔發(fā)電技術(shù)和煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。

1 煤炭清潔利用技術(shù)

1.1 煤炭液化技術(shù)

通過(guò)煤炭液化技術(shù)可以制備不含硫的清潔液體燃料。目前我國(guó)的煤液化技術(shù)發(fā)展迅速，一些領(lǐng)域已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。煤炭液化技術(shù)主要分為直接液化和間接液化兩種[1]，其中直接液化技術(shù)主要是在有溶劑油的條件下高壓加氫，有氫煤法、供氫溶劑法、聯(lián)合加工法、NEDOL 液化工藝等；間接液化技術(shù)主要是通過(guò)煤制備合成氣再合成油的過(guò)程，有費(fèi)托合成、SMDS技術(shù)、低溫煤間接液化、MTG 合成技術(shù)等。目前間接液化技術(shù)因其產(chǎn)率高、使用條件低等原因獲得了較大的發(fā)展。除以上煤液化方式外，煤油共煉技術(shù)是在煤液化技術(shù)上發(fā)展的技術(shù)[2-3]。目前開(kāi)發(fā)的煤油共煉技術(shù)通常是煤化程度較低的煙煤與重油的共同轉(zhuǎn)化技術(shù)。煤炭加氫和重油渣油加氫具有相似的反應(yīng)條件，將兩者混合可以改善工藝條件，達(dá)到充分利用資源的目的。

目前，煤液化技術(shù)的主要發(fā)展方向是更加高效和環(huán)保的溶劑和催化劑[4]。2019 年10 月，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的由山西煤炭化學(xué)研究所承擔(dān)的萬(wàn)噸級(jí)煤溫和加氫液化中試項(xiàng)目已經(jīng)順利運(yùn)行。

1.2 煤炭氣化技術(shù)

煤炭氣化是目前煤炭轉(zhuǎn)化的主要途徑，它是以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣或工業(yè)純氧）、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過(guò)程。煤炭氣化得到合成氣（氫氣與一氧化碳混合物），合成氣可以作為甲醇、氨氣、乙二醇、天然氣等重要化工產(chǎn)品的原料。從目前技術(shù)上看，煤炭氣化是最成熟、面最廣、量最大的潔凈煤炭技術(shù)。把煤氣化成其他氣體燃料的技術(shù)效率高于其他潔凈煤技術(shù)。

煤炭氣化按照反應(yīng)器分類，可以分為固定床氣化、流化床氣化、氣化床氣化[5]。固定床工藝分為常壓固定床和加壓固定床，工藝較為簡(jiǎn)單可靠。流化床工藝同樣有常壓和高壓，其生產(chǎn)強(qiáng)度大并且對(duì)煤種的適應(yīng)性較強(qiáng)。氣流床工藝擁有更大的容量和煤種兼容性，是目前氣化技術(shù)的主要發(fā)展方向[6]。

大連化學(xué)物理研究所開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤制甲醇制取低碳烯烴（DMTO）成套工業(yè)化技術(shù)。利用此技術(shù)于2010 年建成了世界首套煤基甲醇制60 萬(wàn)噸乙烯工業(yè)裝置。此煤制烯烴技術(shù)于2019年9月完成工業(yè)試驗(yàn)。

1.3 微生物降解技術(shù)

燃燒低等級(jí)煤炭時(shí)，它所產(chǎn)生的熱量比較低，并且工業(yè)應(yīng)用價(jià)值也不高，煤炭堆放也是對(duì)資源的浪費(fèi)，所以，有效合理地開(kāi)發(fā)利用低階煤就變成一項(xiàng)有待解決的課題。微生物降解可以作為處理的解決方案。對(duì)煤使用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行處理[7-8]，可以產(chǎn)生甲烷[9]或者其他液體和氣體燃料[10]，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝較為簡(jiǎn)單，并且相比于前一種方法還有能耗低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。所以，微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)；同時(shí)，煤炭中的硫元素，也可以利用微生物方法脫除，即利用綠色的方式有效降低污染物的排放[11]。

目前，藻菌共生生物膜系統(tǒng)可以用于煤炭礦區(qū)污染水體修復(fù)。對(duì)于煤泥絮凝過(guò)程，通過(guò)基因工程得到的枯草芽孢桿菌可以作為生物絮凝劑代替以往的絮凝劑產(chǎn)品，進(jìn)而解決以往絮凝劑的污染問(wèn)題[12]。

1.4 煤炭清潔發(fā)電技術(shù)

煤炭潔凈發(fā)電技術(shù)一般包括兩種技術(shù)路徑：一種是通過(guò)改進(jìn)燃燒方式，提高參數(shù)的發(fā)電技術(shù)；一種是將煤炭氣化后用于發(fā)電的技術(shù)。前者包括超臨界燃煤發(fā)電、超超臨界燃煤發(fā)電、循環(huán)流化床燃煤發(fā)電、增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。目前較為前沿的發(fā)電技術(shù)還有燃煤磁流體發(fā)電、煤氣化-燃料電池-燃?xì)?蒸汽復(fù)合發(fā)電技術(shù)、增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)技術(shù)等[13]。后者代表性技術(shù)為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。截至2015 年底，我國(guó)有82 臺(tái)1 000 MW 的超超臨界機(jī)組已投產(chǎn)。截至2014 年底，我國(guó)已使用循環(huán)流化床鍋爐3 000 臺(tái)，總?cè)萘?00 GW，其中300 MW 的65 臺(tái)；目前大容量、高參數(shù)的燃煤機(jī)組還未成為我國(guó)發(fā)電的主力，因此我國(guó)的燃煤機(jī)組存在巨大的節(jié)能減排潛力。

1.5 煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

“煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”是以煤為原料，集煤氣化、化工合成、發(fā)電、供熱、廢棄物資源化利用等單元構(gòu)成的煤炭綜合利用系統(tǒng)，其技術(shù)核心是煤的氣化，氣化后生成甲醇[14]、乙二醇[15]、合成油等潔凈燃料或其他高附加值化工產(chǎn)品，并生產(chǎn)電力或開(kāi)展熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)；另一方面，在煤氣化整個(gè)工藝過(guò)程中，可以以較小成本的增加捕捉高濃度、高壓的二氧化碳，達(dá)到減排目的[16]。煤制天然氣聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目產(chǎn)品多元化，提高企業(yè)抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的能力，解決現(xiàn)有煤制天然氣工廠經(jīng)濟(jì)效益不高的問(wèn)題，而聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品（以下稱為聯(lián)產(chǎn)品）的選擇是關(guān)系以上目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的核心因素，因此聯(lián)產(chǎn)品的選擇要進(jìn)行通盤考量。

1.6 煤炭廢棄物處理

煤炭固體廢棄物是指煤炭在生產(chǎn)、加工和利用過(guò)程中產(chǎn)生的不再需要或暫時(shí)沒(méi)有利用價(jià)值而被遺棄的固態(tài)或半固態(tài)物質(zhì)，其組成主要以氧化物為主，其中二氧化硅和氧化鋁的含量總和可達(dá)70%以上。煤炭固體廢棄物的傳統(tǒng)應(yīng)用主要集中在建筑行業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境處理方面，可以用來(lái)生產(chǎn)磚、水泥等建筑材料，制備特種混凝土、防滲材料，也可以用作路基部位的填充材料。近年來(lái)，利用煤炭固體廢棄物氧化鋁含量高的特點(diǎn)，可以利用高鋁粉煤灰和煤矸石作為主要原料，采用電熱還原法進(jìn)行硅鋁合金制備[17]。粉煤灰鋁基復(fù)合材料、粉煤灰鎂基復(fù)合材料、鑄造涂料、復(fù)合陶瓷涂層、滲硼保護(hù)層等煤炭固體廢棄物在金屬材料熱加工領(lǐng)域的精細(xì)化應(yīng)用，對(duì)于緩解我國(guó)鋁土礦資源短缺的發(fā)展現(xiàn)狀具有重要的戰(zhàn)略意義。

煤化工廢水的組分復(fù)雜并且含有固體懸浮顆粒、氨氮及硫化物等有毒、有害物質(zhì)，因此，廢水處理是所有煤化工項(xiàng)目都需要考慮的問(wèn)題。目前存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為特征性有機(jī)污染物濃度高，如雜環(huán)、芳香烴、長(zhǎng)鏈烷烴等難以降解，高濃鹽水中的有機(jī)物難以脫除，廢水難以實(shí)現(xiàn)資源化利用等難題。目前有較好前景的用于煤化工廢水處理的方式有高級(jí)氧化法、膜處理技術(shù)、混凝沉淀法等[18-19]。

煤炭燃燒后會(huì)產(chǎn)生二氧化硫、二氧化氮等有毒氣體，嚴(yán)重危害環(huán)境和人民的身體健康。因此現(xiàn)如今煙道氣脫硫脫硝成為十分熱門的技術(shù)方向。常見(jiàn)的煙氣脫硫脫硝技術(shù)包括氯酸氧化技術(shù)、濕法脫硫脫硝、氣/固催化脫硫脫硝、固相再生脫硫脫硝技術(shù)、高能電子氧化技術(shù)等[21-22]。

2 結(jié)論

未來(lái)中國(guó)的一次能源消費(fèi)中，煤炭仍然占據(jù)很重要的地位，鑒于中國(guó)所面臨的減排壓力，煤炭清潔高效利用技術(shù)的選擇成為了備受關(guān)注的重要議題?，F(xiàn)有的煤炭潔凈利用技術(shù)中，超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)、煤液化、煤氣化、煤制烯烴、煤炭固廢再利用等技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是仍然有很多技術(shù)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如微生物處理技術(shù)和煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。除了技術(shù)的革新，煤炭的清潔利用也需要政府嚴(yán)格監(jiān)管，同時(shí)制定科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)行更加嚴(yán)格的監(jiān)管和懲罰機(jī)制。