煤炭洁净加工与高效利用

煤炭洁净加工与高效利用徐振刚煤炭科学研究总院北京煤化学研究所北京100013摘要:煤炭在一次能源结构中的主导地位和煤炭的大量开采、加工及利用所带来的资源与环境问题决定了我国必须尽快大力发展洁净煤技术，煤的洁净加工与高效利用是我国洁净煤技术的核心内容。煤炭科学研究总院北京煤化学研究所是国内专门从事煤炭洁净加工与高效利用研究开发与技术推广的科研机构。建所40多年来，在动力配煤、型煤、煤炭气化、液化、焦化、热解、煤制活性炭、煤炭洁净燃烧、煤炭节能及环保等方面做出了大量卓有成效的工作。“十五”期间，在煤炭洁净加工与高效利用方面应优先发展一些适合我国国情、投资少、成本低、节能与环保效果显著的技术；强化煤炭洁净加工，为国民经济的高速发展提供品种对路、质量稳定的煤炭产品；加强煤炭洁净燃烧和深度转化，提高煤炭作为燃料能源的利用效率和作为化工原料的利用价值；加速解决煤炭带来的严重环境污染问题。关键词:煤炭洁净加工高效利用洁净煤技术1引言未来几十年内，煤炭在我国一次能源结构中的主导地位是不可动摇的，这已是无需争辩的事实。因此，在未来几十年内，煤炭能源仍将是我国国民经济高速、健康、持续发展的重要支柱。然而总体上说，我国目前的煤炭加工环节还相当薄弱，煤炭利用仍以传统、落后的技术为主，环保设施亦不配套、不健全。因而，不仅煤炭利用效率较低，煤炭资源浪费严重，而且排放大量污染物，使得生态环境的恶化加剧。人类社会的可持续发展首先要求经济、能源、环境必须协调发展。根据我国国情，并总结一些工业发达国家的经验和教训，得出的结论是：大力发展洁净煤技术是我们切实可行的战略选择。煤炭洁净加工与高效利用是我国洁净煤技术的重要组成部分，对提高煤炭利用效率、减少污染物排放具有十分重要的现实意义。因此，应对其研究开发和技术推广给予足够的重视。2技术内容2.1煤炭洁净加工煤炭的洁净加工是根据用户的实际需要，对原煤进行适当的提质处理，从而为其高效利用提供品种对路、质量稳定的煤炭产品。原煤经过洁净加工，不仅可以降低煤中各种杂质含量，而且能够根据需要来控制和调整煤炭的各项质量指标。因此，既可以提高煤炭的利用效率，又可以减少用煤造成的污染物排放，同时还可以大大提高各种用煤设备的经济性和煤炭运输的有效性，减少运力的浪费。煤炭洁净加工技术是我国洁净煤技术的优先发展领域，主要包括选煤技术、配煤技术、型煤技术及水煤浆技术等。2.2煤炭高效利用煤炭的高效利用是根据终端需要，将经过洁净加工的煤炭作为燃料或原料使用，从而实现煤炭的宝贵价值。煤炭高效利用包括高效燃烧和高效转化。高效燃烧是将煤炭作为燃料使用，分为将煤炭的化学能转化为热能直接加以利用和将煤炭的化学能先转化为热能再转化为电能加以利用；洁净转化是将煤炭作为原料使用，分为将煤炭转化为气态、液态及固态燃料或化学产品以及具有特殊用途的炭材料。煤炭高效利用技术是我国洁净煤技术的核心内容，主要包括电站锅炉技术、工业锅炉技术、工业窑炉技术、民用燃煤技术、煤炭气化技术、煤炭焦化技术、煤炭液化技术、煤炭热解技术及煤制活性炭技术等。3国内外技术现状3.1国外情况国外一些国家，特别是工业发达国家消费的煤炭，绝大部分或大部分要经过洗选，因而商品煤质量较好。目前，商品煤入洗率日本为100％，德国和加拿大为95％，英国和澳大利亚为75％，前苏联和南非为60％，美国为55％。洁净煤技术的发展得到了世界上各主要用煤国家的高度重视。美国从1986年起开始实施国家级“洁净煤技术示范计划”，先后经过5轮项目征询和优选，在收到的共计211个参选项目中，曾有60个项目入选。到1997年底，已有39个项目得以实施，其中22项完成运行，9项在运行中，1项在建，6项处于设计阶段，1项尚在谈判中。该示范计划共耗资72亿美元，其中美国政府出资占1/3，其余2/3主要来自于参与该示范计划实施的企业界。日本及欧洲一些国家也投入了大量的力量和资金发展各自的洁净煤技术，以提高煤炭利用效率，有效解决煤炭污染问题。近年来，随着洁净煤技术在全球范围内的迅速发展，国外不断推出更加先进的煤炭洁净加工与高效利用新技术，这些技术不仅大幅度提高了煤炭利用效率，而且具有卓越的环保特性。但目前普遍存在的问题是技术与设备造价昂贵，而且工程建设投资和运行费用也太高，因此，较难大量推广应用。3.2国内情况我国是世界上少数几个一次能源以煤为主的国家之一。过去、现在和未来几十年内，煤炭在我国一次能源消费结构中一直占主要地位，见表1。表1煤炭在我国一次能源消费结构中所占比例年份19521960197019801990199720102050比例，％95.0093.9080.8972.1576.2073.506447.7我国的煤炭消费结构与国外也有较大差别。国外一些国家消费的煤炭主要用于发电，如美国目前的发电用煤占煤炭消费总量的比例为87％。而我国目前的发电用煤只占煤消费总量的1/3左右。我国的煤炭加工环节目前比较薄弱，原煤入洗率低，只有1/4左右，大部分原煤在使用前不经洗选。因而商品煤质量较差，平均灰分为20.5％，平均硫分为0.8％。型煤技术虽已有较长发展历史，但目前，技术与设备的改进与提高效果不尽人意，技术推广速度缓慢，型煤产量仍较低。动力配煤与水煤浆技术的发展可以说还均处于初级发展阶段。高效固硫剂、助燃剂等尚处于开发和试用阶段。我国的煤炭利用以燃烧为主，在每年消费的煤炭中，有80％以上是直接燃烧。目前，全国有发电锅炉约4600台，总蒸发量为43.1万t/h，年耗煤量达4亿t以上，平均供电煤耗为405g/kWh，比工业发达国家高60g/kWh左右；有中小型锅炉49.9万台，其中工业用锅炉为23.4万台，总蒸发量为68.4万t/h，平均单机容量为2.92t/h，生活用锅炉为26.5万台，总蒸发量为51.4万t/h，平均单机容量为1.93t/h；有各类工业窑炉约16万台，绝大部分技术落后、设备简陋，不仅煤炭利用效率低，造成煤炭的大量浪费，而且排放大量污染物，严重污染了环境。我国目前使用的其他煤炭利用技术也多以传统的技术为主，如煤气化技术、炼焦技术、煤制活性炭技术等主要还是本世纪上半叶的工艺和设备。因而，不仅使得煤化工产品的质量难以改善，档次难以提高，严重制约着煤化工企业经济效益的提高，而且造成煤炭利用效率低下，环境污染严重。总体上说，我国的煤炭加工、利用技术与世界先进水平相比，差距是很大的，且煤炭的终端消结构也很不合理。因此，作为世界上第一产煤和用煤大国，我国的煤炭洁净加工与高效利用虽然前途光明，然而却任重道远。4本单位工作概况煤炭科学研究总院北京煤化学研究所（以下简称北京煤化所）成立于1956年，是专门从事煤炭科学研究的科研机构。建所40多年来，在煤炭洁净加工与高效利用方面所做的研究开发与技术推广工作情况简要总结如下：4.1煤炭气化技术北京煤化所从事煤炭气化技术研究工作已有近40年历史。“六五”以前主要研究了我国煤炭的常压气化工艺物性，主要包括原料煤的机械强度、反应活性、热稳定性、结渣性等。“六五”期间建立了φ650mm固定床加压气化中试装置，并进行了5个原料煤种的试验。同时进行了煤炭催化气化技术的研究工作。“七五”期间，从美国引进了φ100mm固定床和流化床加压气化试验装置，并比较系统地研究了我国典型煤种的加压气化工艺特性，主要包括加压下的活性、粘结性、结渣性、灰粘度与灰成分及添加助熔剂的影响、加压低温干馏、加压下甲烷生成机理等。同时研究开发了φ1.6m常压固定床水煤气两段炉气化技术。“八五”期间建设了φ350mm加压流化床气化试验装置，进行了IGCC关键技术研究。同时进行了水煤气部分甲烷化研究工作。另外，还在联合国开发计划署资助下建立了高温煤气净化实验室，并研制了高温煤气脱硫剂。“九五”期间，又承担了国家攻关课题IGCC项目的部分研究工作，并与英国合作开展了高温煤气净化技术的进一步研究。同时参与了煤炭地下气化技术的研究工作。4.2煤炭直接液化技术北京煤化所通过“六五”、“七五”国家科技攻关和国际合作，建立了国内唯一具有国际先进水平的煤炭直接液化、油品提质加工及分析检验综合实验室。近20年来，对我国上百个典型煤种进行了直接液化试验研究，并选择液化性能较好的27个煤种在0.1t/d的试验装置上进行了53次运转试验。经过对试验结果的总结分析，优选出了15个适合于直接液化的我国煤种，其液化油收率均可达50％以上（相对于干燥无灰基原料煤），并对其中4个煤种进行了煤炭直接液化的工艺条件研究。同时，开发了高活性的煤炭直接液化专用催化剂。此外，已分别同德国、日本、美国合作，在其已有的3套中试装置上完成了我国三个煤种的直接液化放大试验，取得了一批工艺设计数据，并对我国煤炭直接液化示范厂建设进行了初步的技术、经济分析。4.3炼焦技术北京煤化所从事炼焦技术研究已有40多年的历史，先后完成了近百项科研课题，取得了一系列研究成果。建有5kg、40kg、及200kg试验焦炉，并配有捣固装置。先后为宝钢焦化厂、太原煤气化总公司焦化厂、太钢焦化厂、首钢焦化厂、莱钢焦化厂、济钢焦化厂、镇江焦化厂、薛城焦化厂等数十家大、中、小型焦化厂提供了炼焦配煤方案。80年代以来，研究开发了优质铸造焦及其生产技术。近年来，又在捣固炼焦、配型煤炼焦及型焦技术等方面进行了大量研究开发和技术推广工作，同时对焦炭的各种性质进行了深入的研究。4.4低阶煤提质加工技术北京煤化所研究开发的低阶煤多段回转炉低温热解新工艺，可同时获得气、液、固三种高附加值产品，先后在1kg/h、10kg/h、100kg/h的试验装置上进行了大量的研究工作。目前，仍进一步在提高液态产品收率，对液态产品做进一步提质加工以及寻求固态产品的合理而有效的利用途径等方面进行着深入的研究工作。4.5型煤技术北京煤化所从事型煤技术研究始于本世纪70年代初。发展到现在已经先后开发出气化型煤、锅炉型煤、民用型煤以及其它特殊用途型煤等多个系列型煤产品，并研制出了多个系列型煤粘结剂，特别是近几年又开发出了高强、防水系列型煤。我们研究开发的系列型煤生产技术与系列型煤粘结剂多年来广泛用于各行业、各地区。4.6煤制活性炭技术北京煤化所在煤制活性炭技术方面主要研究开发新工艺、新产品。近10多年来，先后开发出了空气净化炭、净水炭、脱色炭、保鲜炭、黄金炭、烟气脱硫炭、高档溶济回收炭等多种活性炭产品，同时研究开发了相应的活性炭生产工艺。特别是近几年开发的催化活化活性炭生产新工艺及汽车炭等高档活性炭新产品已开始推向市场。目前，正在开发特种成型活性炭、碳分子筛等高档活性炭新产品。4.7煤炭洁净燃烧技术北京煤化所开发和推广的煤炭洁净燃烧技术主要是针对劣质燃料（煤矸石、洗煤泥等）的燃烧及燃煤污染的治理，先后开发和推广了煤矸石燃烧技术、煤泥浆制备与燃烧技术及工业窑炉消黑烟技术等。目前正在开发工业锅炉消黑烟技术，并在积极创造条件引进国外先进的中小型高效、洁净燃煤锅炉技术。4.8动力配煤技术北京煤化所拥有国内唯一较完备的全国煤种资源数据库，熟悉并掌握全国各地的煤炭资源情况、煤质特征及加工利用特性，近年来又开发并先后几次更新了动力配煤优化方案的计算机软件。我们提供的动力配煤优化方案已用于浙江杭州动力配煤厂和湖南株州洗煤厂动力配煤厂等工程项目中，均取得了较好的经济效益。1999年7月1日起，北京煤化所随煤炭科学研究总院实现了整体转制，进入了中煤科技集团，已经开始向大型科技企业行列迈进。煤炭洁净加工与高效利用仍然是北京煤化所的主要专业。我们将为我国洁净煤技术的进一步发展做出新的贡献。5“十五”计划建议“十五”计划期间，建仪国家在煤炭洁净加工与高效利用研究开发与技术推广方面进一步重视和加强下列工作：5.1煤炭洁净加工煤炭洁净加工的主要任务是提高商品煤质量。进一步加强选煤新技术的开发，特别应针对高效降灰、脱硫以及省水型或干法选煤技术，重点放在动力煤洗选上。通过技术改造和工艺与设备简化充分发挥现有洗煤厂的生产能力，降低洗精煤生产成本，增加原煤入洗率，改善商品煤质量，提高煤炭洗选的经济效益。大力推广动力配煤技术，为各类煤炭用户提供品种对路、质量稳定的燃料或