中国清洁煤炭能源战略思考

陈清如

(中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

中国清洁煤炭能源战略思考

陈清如

(中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

根据中国能源资源的国情，阐述煤炭能源的高效清洁利用仍然是我国能源研究领域的重中之重。以矿物加工工程和化学工程学科为基础，论述我国清洁煤炭能源的特点以及煤炭的加工和转化技术，指出高效煤炭加工利用的新技术、新工艺必须纳入新能源规划的考虑范围之内。传统的煤加工与煤转化理论和技术面临着严峻的挑战。煤基多联产是符合我国国情的煤炭清洁高效利用新技术系统，是最经济有效的方法。建设大型坑口电站是当前资源配置最优化、最经济、最洁净能源的战略。二段干法选煤的灰分＜8%，硫分＜5%，该技术既可用于新建电厂也适用于老厂改造。

能源;煤炭;清洁高效利用;战略

欣逢黑龙江科技学院建校65周年庆典，藉此文热烈祝贺。学科建设是大学建设与发展的基础。大学的建设与发展依靠学科建设的特色和重点。根据其历史基础和传承，黑龙江科技学院发展也要有煤炭资源与能源学科的特色和重点。此文仅以矿物加工工程和化学工程学科为基础，阐明了中国清洁煤炭能源的特色和重点。

能源是人类赖以生存的基础。人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战。能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的生态破坏、环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。我国政府以科学发展观为指导，正在加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出地位，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣做出更大贡献［1］。煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中约占70%。在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。其工作重点是，第一，大力发展洁净煤技术，促进资源高效清洁利用;第二，发展循环经济，保护矿区生态环境;第三，加强科技创新，提升科技支撑能力［2］。笔者以矿物加工工程和化学工程学科为基础，阐述中国清洁煤炭能源的特色和重点。

1 中国能源现状

我国能源资源比较丰富，常规能源探明技术可开发资源总量超过8 230亿t标准煤［3］，但人均资源量只有世界人均资源量的一半。在我国常规化石能源的探明储量中，煤炭占94%，石油4%，天然气2%。石油、天然气相对不足。2011年，我国一次能源生产总量达31.8亿t标准煤，能源消费总量34.8亿t标准煤。其中原煤产量达35.2亿t，煤炭消费量为 35.7 亿 t，占全球煤炭消费量的 48.2%［4－5］。

到2020年，我国非化石能源占一次能源消费的比重要达到15%左右［6］。因此，应积极发展可再生能源和新能源，不断增加其在能源生产与消费中的比重。不过，在最近20到30年它能起到的作用是很小的。以发展最快的风电为例，尽管装机容量每年翻一番，但是2011年我国风电的发电量为800亿kW·h，约占总发电量4.7 万亿 kW·h 的1.67%［4，7］。根据中国能源禀赋特点，在本世纪中叶煤炭能源的主导地位不会改变，且具有我国能源的中长期保证能力。表1是对近50年我国能源结构的预测。

我国2010年的 SO2排放量为 2 185.1万 t［8］，居世界第一位，酸雨面积已超过国土面积的30%。我国是典型的煤烟型大气污染国家，我国SO2、CO2排放量的85%，烟尘的70%和NOx的60%均来自燃煤。根据2010年国际能源署发布的关于燃料燃烧CO2排放的最新统计报告，2008年中国CO2排放量超过60亿t，占全球排放量的22%，超过美国成为世界上与能源相关CO2排放量第一大国。2008年，全球化石燃料燃烧产生的CO2排放量中有43%来自煤炭，37%来自石油，20%来自天然气。根据《世界能源展望2009》(WEO 2009)参考情景，全球由于化石燃料燃烧而排放的CO2将继续增长，到2030年达到402亿t。煤的清洁利用是我国低碳经济的关键，洁净煤技术和替代能源的研究与开发对我国电力工业长期稳定、高效安全的发展依然至关重要。

表1 近50年我国能源结构预测Table 1 China’s energy structure prediction in nearly 50 years

如图1a所示，从1980到2000年，我国GDP高速增长，但我国的能耗始终控制在较低的水平，图中纵坐标以1980年为100%;从2002年开始，我国能源需求的增长速度开始高于GDP的增长，如图1b所示。图中纵坐标以2001年为100%。这个趋势带来的问题引起了我国政府的关注和重视，经过努力我国基本实现了“十一五”期间单位GDP能源消费降低20%的目标。我国“十二五”规划纲要提出，“单位国内生产总值能耗要比2010年降低16% 、单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%”，这项要求成为国民经济和社会发展的约束型指标。

在我国，凡是能减少污染、降低二氧化碳排放的能源，都应该叫新能源［9－10］。我国制订新能源产业发展规划，除了风能、太阳能、核能、生物质能外，可燃冰等更新的能源，煤炭等传统能源的清洁利用新技术，都应在这一规划的研究范围之内。

用高科技改造传统能源，特别是煤炭能源，将煤炭用物理、化学与生物加工方法使之成为高效和清洁能源，大力发展可再生能源或新能源。也就是说，我们现在的可再生能源或新能源与传统能源可以实现一定程度的联合、对接、循环。这应该是传统能源向新的替代能源的过渡，且过渡是个渐进的过程，也是具有中国特色的创新型的重大科技的实践。

到2050年，我国能源需求总量预计达60亿t。煤炭经加工与转化可以成为清洁能源，如何高效、节约和清洁地利用好煤炭，这是我国能源史上的大问题。“富煤、贫油、少气”的能源构成是中国必须面对的现实，清洁利用煤炭是中国能源发展的必然选择。

图1 能源消费和GDP增长的关系Fig.1 Relationship between energy consumption and GDP growth

2 中国煤炭能源的出路

洁净煤技术主要包括煤炭加工(选煤、水煤浆、型煤、配合煤)、转化(煤炭焦化、气化、液化、燃料电池)、先进燃烧和发电技术(常压循环流化床、加压流化床、循环流化床、整体煤气化联合循环)、烟气净化(除尘、脱硫、脱氮)等非常广泛的内容，覆盖了煤炭加工与利用的全过程。上述不同阶段洁净煤技术的适应范围、技术效率、投资、运行成本以及社会效益不尽相同，但彼此有互补性。从燃前、燃中和燃后三个阶段洁净煤技术来看，越往后技术难度越大，投资及运行成本越高［11］。

煤炭加工，属于矿物加工工程学科的技术范畴。矿物加工工程是根据物理学、化学、矿物学、生物学、冶金学、机械学、环境科学与工程及材料科学与工程等原理，对矿产资源、非矿产资源及二次资源进行加工，获得其中有用物质的科学与技术。选煤、水煤浆、型煤与配合煤都属于煤炭加工工程技术的范畴。选煤是煤炭工业一个高技术、高附加值含量的行业，具有明显的社会效益、环保效益和经济效益。选煤是生产优质工业燃料与化工原料的基本技术，是洁净煤技术的源头技术。

煤炭转化，属于化学工程学科的技术范畴，是煤炭经过热加工或化学加工转变成新的物质(或热能)的各种工艺过程。煤炭液化技术对解决我国石油资源短缺、降低对国际石油的依存度、保障能源安全稳定供给具有现实意义和战略意义。

我国煤炭的清洁高效利用主要从煤基多联产、建设大型坑口电站和CO2的捕集、封存和利用三个方面着手进行战略布局。

2.1 煤基多联产

目前，煤基多联产是一种较好的煤炭加工利用的方式，既可做工业的燃料又可做化工的原料。也就是说，以煤为原料，加工气化后生成粗合成气，再经净化，将其用来实现电、热、化、气的联产。即在发电的同时，煤基多联产可以生产包括液体燃料在内的多种高附加值的化工产品、城市煤气等。多联产工艺中的甲醇和二甲醚产品可以分别替代汽油和柴油，制备的氢气可以用于氢燃料汽车等。这个生产过程可以实现互补，如用电高峰时可以多用于发电，当用电低谷时可以更多地生产化工原料。不论是煤炭用于发电或是生产化工原料都应该气化，气化之前应该将煤炭分选(选煤)，这是最经济有效的脱硫降灰方法。煤基多联产工艺过程如图2、图3所示［12］。

图2 煤基多联产工艺过程Fig.2 Flowsheet of coal-based polygeneration process

图3 煤基多联产工艺原理Fig.3 Process principle of coal-based polygeneration

发达国家原煤入选比例为60%～100%。与其相比，我国原煤入选比例较低，2010年我国原煤入选比例达到50.9%，动力煤入选比例仅约35%［13］。煤炭气化是配合煤炭液化、化工合成、整体煤气化联合循环发电和发展多联产系统技术的基础［14］。

2.2 建设大型坑口电站

2011年，我国电力行业消耗煤炭达到19.5亿t，占煤炭消费总量的54.62%。预计2020年我国将有70%以上煤炭产量供给火力发电。现今大型发电厂都采用煤粉流化床燃烧，用磨煤机将煤炭粉碎成小于＜74 μm煤粉，喷入锅炉燃烧以提高燃烧效率。煤炭中的碳质和矿物质基本解离。但是，未经分选的煤粉，其中混有的矿物质未被排除，燃烧后生成烟尘、SO2等污染物质。

2.2.1 以洁净煤发电为核心的大型坑口热电联产

以洁净煤发电为核心的大型坑口热电联产战略是当前我国煤炭资源配置最优化、最经济、最洁净能源的战略。建设具有中国特色的大型坑口热电联产电站——采用燃前两段高效干法选煤技术将是煤炭资源生产和消费配置最优化的选择。煤炭不需远距离输送，在坑口就地把煤炭加工成低灰、低硫、高热值的洁净煤粉供电站锅炉燃烧，达到高效率、低污染、低成本的目的。将清洁能源输送给用户，而矿区不受污染。燃烧或利用前将煤炭加工成洁净煤，即从源头治理，在经济或效率方面较燃中固硫或燃后烟气脱硫要好得多。图4为大型坑口电站多级干法选煤流程。

图4 大型坑口电站多级干法选煤流程Fig.4 Multi-level dry coal cleaning flowsheet for large pithead power station

根据我国西部煤炭储量丰富、地区缺水的特点，推荐对大型坑口电站采用两段干法选煤工艺，以获得优质的煤炭用于发电或热电联产。第一段干法选煤为空气重介质流化床选煤或复合式干法选煤，可除去煤中60%的灰分和50%的黄铁矿硫，图5为空气重介的流化床干法选煤厂工艺流程。因入选原料煤的粒度较大，为50～6 mm的块煤，有机质(净煤)与无机质(矿物质)不能得到充分解离，难以脱除粒度细的黄铁矿硫。第二段干法选煤为摩擦电选或高梯度磁选。摩擦电选或高梯度磁选后的精煤质量可根据入选煤性质和电站锅炉的需求进行调整，实现发电厂燃前深度脱硫降灰。由于在电厂现有制粉系统中增加了摩擦电选工序，可使煤粉进一步燃前深度脱硫降灰。原煤干燥、粉磨和输送等环节在已有的系统中具备，只增加摩擦电选部分，不需要太多的投资。根椐电厂的生产需要选择摩擦电选机或高梯度磁选机的处理能力，经摩擦电选或高梯度磁选后，一般情况下，煤的灰分＜8%，硫分＜0.5%。这个数据低于国家对酸雨控制区和SO2污染控制区的总量控制要求。该技术适合新厂建设和老厂改造［15－16］。图6为摩擦电选系统与数质量工艺流程。

图5 空气重介流化床干法选煤工艺流程Fig.5 Flowsheet of dry coal beneficiation plant with air dense medium fluidized bed

图6 摩擦电选数质量工艺流程Fig.6 Quality flowsheet of coal triboelectric separation

2.2.2 建设大型坑口电站的环境、节能和经济效益

燃用低灰、低硫、高热值煤粉，可减少燃料消耗、降低烟气中的飞灰浓度、减少SO2和有毒痕量元素的排放量、减少制粉系统的磨煤电耗，获得可观的经济效益及社会效益。

截至2011年底，全国发电设备装机容量105 576万kW，其中火电装机达到76 543万kW，约占总装机容量的72.5%。火力发电量占全国发电量的81.2%。洁净煤发电，对实施“节能减排”意义重大。电厂采用两段高效干法选煤工艺降低二氧化硫的方法，其基建投资费用约相当于采用湿法石灰石－石膏烟气脱硫工艺的1/7，生产费用更低，且烟气脱硫工艺产生的次石膏造成环境的二次污染。

2008年国家监督抽查动力用煤结果表明，我国动力煤平均灰分为26.32%，随着电煤供应形势的紧张，一般动力煤平均灰分大于28%，美国发电用煤的灰分则小于10%。和世界发达国家相比，我国发电用煤的质量仍然处于较低水平，国际上动力用煤的灰分一般小于15%，按此衡量，我国只有20%的动力用煤产品质量能达到国际水平。选煤可以脱除煤中大量的灰分，一般情况下，煤的灰分或水分每降低1%，其燃煤低位发热量增加约0.37 MJ/kg［17］。如果按动力煤灰分从28%降至15%计算，动力煤低位发热量将增加约4.8 MJ/kg，发电煤耗降低约96 g/(kW·h)，将节煤3～4亿t/a。

煤炭燃前分选是源头治理，可以深度脱硫降灰，提高煤炭热值，改善燃烧效率，节省单位煤耗;可以降低脱硫的基建投资和运行成本，减少烟尘和SO2的污染。

2.2.3 西电东送

从我国能源布局看，中部和西北部地区的煤炭资源储量丰富，不仅能满足本地区用电的需要，还有大量的富余。而东部的能源资源短缺，中部和西北部煤炭供应方式以往是单纯输煤，由于运输能力不足，使煤炭外运受到制约。电力是高效、洁净、灵活的绿色二次能源，煤炭转化为电力，有利于集中治理燃煤污染，有利于环境保护。根据美国能源部公布的数据显示，美国2011年发电用煤占煤炭消耗总量的93%。我国2011年发电用煤的比例仅为55.6%。按照我国21世纪的能源结构特点，今后将大力提高煤炭用于发电的比例。

“西电东送”可实现我国能源产业及产品结构的重要调整，符合我国的能源发展战略。如果西煤发电东送，可以缓解铁路运输紧张的状况，可以减少大量矸石的无效运输，产生巨大的经济效益，将资源优势变为经济优势。

2.3 CO2的捕收、分离、富集和利用

随着全球面临的气候危机日益明显，低碳经济成为世界的热门话题。CO2的减排、回收、利用及资源化正成为21世纪最为重要的环境和能源问题基础。世界各国对CO2捕集、封存和利用技术的研究力度不断加强。

化石燃料燃烧产生的CO2占人类活动所产生的CO2排放量的80%，其中电厂烟道气CO2排放量占30%。因此，研究脱除电厂烟道气中的CO2是削减温室效应的关键。大型电厂有利于CO2的富集和转化，使燃煤燃烧排放的CO2固定化，可把CO2作为碳资源循环使用，在达到减少CO2排放的同时又有经济效益。研究分离富集燃煤烟气的CO2，使CO2成为有效的碳资源，对CO2的循环利用有积极的意义。

化学转化是CO2作为新碳源的重要研究课题，主要表现在无机和有机精细化学品、高分子材料等的研究应用。以CO2为原料生产轻质纳米超细活性碳酸盐，生产 MgCO3、NaCO3、NaHCO3、纯碱、化肥(碳酸氢铵，尿素)等基本化工产品。CO2催化加氢制取甲烷、甲醇、甲醛、甲酸等。通过 CO2转化为CO，从而发展一系列羟基化碳化学品等。CO2驱油是一种提高石油采收率的新技术。据估测，目前国外用于石油开采的CO2量约占其驱油剂使用总量的35%。

随着CO2利用领域不断拓展，新的CO2利用技术不断开发，在缺少天然CO2气源的情况下，从烟气中回收利用CO2正越来越引起人们的兴趣。以煤气化为核心的多联产能源系统，所排放出来的CO2不像常规燃煤电站那样渗混在含有75%以上N2的烟气中，而是十分洁净的纯度达99%的CO2，这样应用的范围将大大扩展。今后能把CO2利用好，煤炭将是很好的燃料和原料。积极开发CO2资源化利用技术，不断增加CO2循环利用量对于实现CO2减排具有重要意义，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年会下降40%～45%。

3 结束语

煤炭作为我国的主要能源资源，在相当长时期内难以改变，具有中长期能源保障能力。积极发展可再生能源和新能源，煤炭能源的高效清洁低碳化利用技术必须纳入我国新能源发展规划的范畴。

煤基多联产是清洁利用煤炭能源的有效途径，煤气化是煤基多联产的基础，加快具有自主知识产权的大型气流床气化技术和煤炭地下气化技术研究是当务之急。

开发推广高效干法选煤技术，建设大型坑口电站，对开发我国西部煤炭资源，保障我国未来的能源需求、提高煤炭利用效率、节约煤炭资源、减少煤炭利用造成的环境污染等具有重要意义，是我国当前资源配置最优化、最经济、最洁净的能源战略。

在煤炭利用中，尚需加强CO2捕集、储存和利用技术的研究，开发CO2作为碳资源的循环利用技术，实现CO2减排、煤炭能源全生命周期的清洁高效利用。

从事煤加工与煤转化的工作者要充分认识煤炭资源、生态环境对经济社会发展的制约，自觉应对科学发展观对煤炭资源、生态环境研究提出的新需求、新挑战和新机遇，创造出更好、更高的科技成果，为我国在洁净煤技术发展做出应有的贡献。

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Consideration of clean coal energy strategy in China

CHEN Qingru
(School of Chemical Engineering＆ Technology，University of Mining＆ Technology，Xuzhou 221116，China)

The clean and efficient utilization of coal energy remains the most important in energy research field，as is determined by the energy resources conditions of China.The new energy plan is dominated by novel process and technology designed for clean and efficient utilization of coal.As the traditional theory and technology of coal processing and coal conversion are confronted with serious challenges，coalbased poly-production represents the new technical system of the efficient and clean use of coal，which applies to China’s conditions.It follows that the construction of the pithead power plant forms the optimized，most cost-effective and cleanest energy strategy.The two-stage dry separation capable of ash of less than 8%and sulfur of less than 5%is suited to newly built power plants and to upgrading the old ones.

energy;coal;high-efficient and clean utilization;strategy

TK01:TD94

A

1671－0118(2012)04－0331－06

2012－06－01

陈清如(1926－)，男，浙江省杭州人，中国工程院院士，教授、博士生导师，研究方向:选矿理论与选矿工程研究，E-mail:whfcumt@126.com。

(编辑 徐 岩)