中国清洁煤技术研究综述.pdf
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1、总第2 2 9 期2023年第7 期绿色发展摘要:介绍了四种洁净煤技术(以下称为CCTs的最新研究进展:燃煤发电、煤炭转化、污染控制以及碳捕获、利用和储存,概述了技术研究与开发方向的未来前景。分析认为,中国在CCTs的研发方面取得了显著进展,一些CCTs已经进入商业化阶段。关键词:洁净煤技术;发电;煤炭转化;污染控制中图分类号:TQ5360引言煤炭燃烧是中国温室气体和空气污染物的主要来源。中国燃料燃烧排放的二氧化碳约为9.0 2 3110t,其中8 3%以上来自煤炭燃烧。尽管为了应对气候变化和缓解空气污染,中国已经出台了大量控制煤炭消费的政策措施,但考虑到可再生能源的高渗透率,预计煤炭仍将在中
2、国的能源消费组合中占据主导地位,到2 0 30 年将超过50%,到2 0 50 年将达到30%左右。因此,有必要开发更高效、更清洁的技术方案,使中国能够继续从利用其丰富且价格合理的煤炭资源中受益。洁净煤技术(CCTs)是一种促进以环境满意和经济可行的方式使用煤炭的技术。世界上第一个煤直接液化厂于2 0 0 8 年建成,产能超过10 0 万t/a(油),煤制烯烃商业化示范工厂也已建成,建成了产能16 0 180kt的间接煤液化厂,超低排放燃煤发电技术已成功示范,10 万t二氧化碳捕集工业设备在某电厂成功运行,完成了15万t提高采收率示范项目和10 万t二氧化碳地质封存示范项目。这些技术的创新和应
3、用已经并将继续在中国的绿色低碳转型中发挥重要作用。CCTs涵盖了广泛的煤炭生产和利用相关技术,包括绿色开采、煤炭净化、高效发电、先进煤转化、污染控制和碳捕集利用与封存(CCUS)。本文依次介绍了煤炭发电、煤炭转化、燃煤电厂污染治理和CCUS这四种CCTs在中国的现状和未来展望2煤炭发电燃煤发电技术包括传统的煤直接燃烧和新型的煤气化发电技术路线。对于煤的直接燃烧,亚临界、超临界、超超临界和循环流化床(CFB)发电技术得到了广泛的应用。煤气化发电技术主要涉及IGCC技术,是一种发电效率高、环保性能优异的先进发电技术。2.1兰当前状态2.1.1走超临界和超超临界燃煤发电技术中国实现了超临界燃煤发电技
4、术的大跃进发展。收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 3作者简介:薛傲(19 9 9 一),男,山东济南人,硕士研究生,毕业于华北科技学院,从事瓦斯防治技术的相关研究工作。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization中国清洁煤技术研究综述薛傲(华北科技学院,山东济南2 50 0 0 0)文献标识码:A中国已经建成了10 0 0 MW双热超超临界机组,效率超过47%。目前,中国已具备设计制造6 0 0 MW/1000MW超超临界机组的基础和能力。我国科研人员在600MW/1000MW超超临界发电机组锅炉运行方面也积累了丰富的
5、经验,在中国设计和制造的设备已经出口到国外。这些成果为更高参数(超过6 0 0 和700)超临界发电技术的进一步发展奠定了坚实的技术基础2 。2.1.2超临界循环流化床锅炉发电技术中国的煤炭资源中有很大一部分含硫量很高,洗煤过程会产生大量需要利用的煤石,CFB燃烧技术具有燃料适用范围广、脱硫成本低、NO.排放低等优点,具有大量使用该类燃料的优势。目前,中国循环流化床燃烧锅炉发电能力近10 0 GW,共有30 0 0 多台循环流化床锅炉机组,是世界上循环流化床锅炉机组数量最多的国家。国内大型容量循环流化床锅炉技术,已完成30 0 MW级的研究、制造和示范运行,并实现批量生产。2.2未来视角高效、
6、超高参数是燃煤发电技术的发展趋势。对于下一阶段的火力发电,应进一步发展1GW级的单、双再热超临界发电技术。温度超过6 0 0,参数为2 8 MPa,效率提高2%3%。在此基础上,开展高温耐热合金材料关键技术研究和6 0 0 MW超7 0 0 超临界发电机组示范,效率提高6%8%,系统效率达到50%52%。同时,对一批低参数、小容量机组进行改造,提高机组效率;其中30 0 MW、6 0 0 M W亚临界机组将改造为超临界机组,效率提高3%。燃料灵活性是燃煤发电技术的另一个重要问题,中国通用循环流化床锅炉技术虽然已达到世界领先水平,但仍有扩大应用规模、提高效率、提高低品位燃料灵活性的潜力。为了提高
7、低品位燃料循环流化床锅炉技术的可靠性,有必要对6 0 0 MW超超临界循环流化床锅炉进行持续的研究和制造,50 30 0 MW超临界循环流化床锅炉节能Total 229No.7,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.07.054文章编号:2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)0 7-0 157-0 3现代工业经济和信息化第13卷的系列研究和工程论证也应进一步开展。3煤炭转换3.1当前状态中国有几家大型煤制甲烷工厂正在运营或建设中。这些项目大多采用现有的气化和甲烷化技术。例如,在大唐鹤西腾旗项目(410 m/a)、大唐阜新项目(410 m/a)、中国金湖伊
8、利人哈萨克自治州项目(5.510m%a)中应用了破碎煤加压气化技术。此外,绝热固定床反应器在目前已批准的项目中广泛应用于甲烷化过程3。近年来,国内开展了煤制煤天然气的研究与开发工作。大唐国际化工技术研究院有限公司建设了30 0 0 m/h(SNG)甲烷化装置,已稳定运行5000h以上,产品平均甲烷含量为9 6.41%。所研制的甲烷化催化剂已成功通过工业侧轨试验。西南化学工业研究设计院和中国海洋石油总公司天然气电力集团有限公司还联合开发了一种甲烷化工艺。他们建造的2 0 0 0 m/h工厂已成功运行。大连化学物理研究所(DICP)和西北化工研究院也开展了甲烷化研究。水污染是煤炭行业面临的一个严重
9、挑战,煤气化过程中排放的废水成分复杂,具有高浓度的顽固性化合物和高毒性。到目前为止,污水处理技术主要由城市污水处理行业开发,然而,煤制气废水处理的具体技术是必要的。“煤气化废水处理及回用技术”项目获国家高新技术研发计划资助,本项目开发的活性焦炭吸附及生物处理技术已在大唐鹤西腾旗示范工程中应用。已经探索了减少和再利用废水的其他途径。以新疆东准噶尔410 Nm/a煤制煤项目为例,提出了煤粉加压气化与水煤浆气化相结合的方案4。根据他们的方案,破碎煤加压气化炉产生的废水将在后续的水煤浆气化炉中进行处理和回用。3.2未来视角一种可能的方法是通过渐进式创新实现技术升级,对于大多数转化技术,建造更大的设备被
10、认为是升级技术的主要手段。这种升级将有助于积累宝贵的经验和可靠的数据,并发现科学和工程中的新问题。计划建设容量为4kt/d的水煤浆气化炉和容量为3kt/d的煤粉加压气化炉。一个产能为2 0 0 万t/a的直接液化厂和一个产能为0.5-万t/a的煤油联合处理厂也在规划中。在采取升级改造措施的同时,加强煤转化与火力发电、炼油、制氢、生物质转化、燃料电池等相关能源技术的优化整合,实现能源梯级利用和物质循环利用。另一种可能的方法是通过激进的创新来实现技术的根本变革。从合成气中直接合成烯烃、芳烃和特殊含氧化合物的新原理、催化碱、化学反应途径、面向反应的控制方法和机理有待进一步研究。煤热解和液化过程中自由
11、基的反应,以及煤原煤资源组成和分子结构与液体和气体产物之间的关系,需要进行基础研究。最近取得了一些进展,DICP新开发的双功能催化剂可能允许使用低H,/CO比的煤和生物质衍生合成气,以避免水气转换过程中的高用水量,这项新技术的出现值得期待5。同时,在煤转化过程中必须认真考虑节水和环境保护。为实现废水的零排放回用,需要加大对高有机高盐废水的处理力度,大力鼓励新技术、新材料。4燃煤电厂污染控制4.1当前状态燃煤电厂NO.的形成因煤种、锅炉规模、燃烧技术、锅炉负荷和运行条件的不同而有很大差异。因此,燃煤锅炉NO,的排放控制比其他污染物的排放控制更为复杂。燃煤电厂主要的脱硝技术可分为低NO.燃烧、选择
12、性非催化还原(SNCR)、SCR 以及这三种脱硝技术的组合。随着燃煤电厂节能减排升级改造方案(2 0 14一2 0 2 0 年)的发布,,对氮氧化物排放提出了更严格的限制,将其限制在50 mg/Nm以下。因此,对脱硝的去除率要求较高。提高效率的一种方法是将SCR反应器中的催化剂由两层增加到三层,从而将去除率从7 5%8 5%提高到9 0%。另一种方法是保持催化剂在较宽的负载范围内工作,特别是在32 0 的较低负载下,这是钒钨(V-W-Ti)催化剂所需的最低温度。烟气再加热系统的设计就是为了满足这一需求,示例包括使用更高温度的烟气旁路或从涡轮机提取蒸汽来再加热SCR反应器的烟气入口。在煤焦燃烧阶
13、段,温度驱动的凝结、固有矿物的脱落和煤焦表面的碰撞聚集主导了中间模式颗粒的形成,因此煤焦的性质对细颗粒的形成有显著影响。在汽化成核冷凝和固气固过程的控制下,褐煤燃烧的PM0.1产率是炭燃烧的1.6 倍6,在2 5kW持续下燃燃烧室中褐煤与炭共燃烧的PMO.1产率是58倍,见图1。1000F10010F10.1图1褐煤与褐煤炭共燃对细颗粒形成的影响4.2未来视角1)需要高效低成本的控制技术,如污染物的联合.PMoi.-O-PM,-PM1oPMIi-10PMo.-1PMo.l020褐煤炭与褐煤比1%4060801002023年第7 期薛傲:中国清洁煤技术研究综述159.控制和基于基础研究的新型多领
14、域细颗粒物控制技术的工业应用。2)重金属和挥发性有机化合物(VOCs)的控制技术需要进一步研究和商业化应用,以吸附和催化氧化VOCs、汞、砷、硒(Se)、铅等重金属。3)apcd副产品的再利用是一个重要问题。包括多污染物脱除和半干法脱硫副产物的利用工艺、钒钨钛催化剂的再生等。5碳捕获、利用和储存5.1当前状态CO2捕集技术可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和全氧燃烧三种方式。在燃烧前技术方面,GreenGenIGCC项目想在从40 0 MW的发电厂捕获2 0 0 万t/a二氧化碳,其发电效率预计为48.4%。项目的实施计划分三个阶段进行,在第三阶段完成后,捕获的二氧化碳将用于提高采收率。2 0 11
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