煤炭资源高效清洁利用模式探讨

刘仁志，范柱国，刘培毓

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

煤炭利用期间会产生大量的温室气体，这是造成大气污染的重要原因。数据显示，2013年，我国所有能源消耗产生的二氧化碳总量为9.023 1×109t，而其中有83%的二氧化碳来源于煤炭的使用[1]。除二氧化碳的排放外，煤炭使用期间还有其他空气污染物的排放。2012年，煤炭排放的二氧化硫占总排放量的83%，其氮氧化物排放量占总排放量的70%，而颗粒物的排放量占67%[2]。我国预计在2030年达到单位GDP排放二氧化碳的量（碳排放强度）比2005年下降60%～65%的目标，我国政府将采取更为严格的控制措施，完成总量削减的目标。在一次能源消费中，我国的煤炭消耗近些年来一直呈下降趋势，但是在未来比较长的时间内，为了维持经济的持续快速发展，煤炭一次消费的占比仍然比较高[3]。根据国内外一些机构的预测数据，到2020年，我国的所有能源消费中，煤炭的一次能源消费占比较大，而到了2040年，这一数据将继续下降。所以，为了严格控制我国的温室气体排放以及解决越来越严峻的大气污染问题，煤炭资源的高效清洁利用逐渐受到研究人员的广泛关注。

我国的煤炭消费主要集中在四大行业：电力、钢铁、煤化工和建材。近年来，以煤炭作为原料的产品除甲醇、煤气等，又逐渐发展出许多新型产品，主要集中在电力和煤化工行业，尤其是煤化工行业，成为煤炭利用新的增长点，占有重要地位。

1 我国煤炭清洁利用的问题分析

煤炭清洁利用在我国起步比较晚，尽管我国现在的煤炭清洁利用技术发展成果喜人，尤其是新型煤电技术在世界范围内已属于领先水平，但是在煤炭总体的清洁利用方面仍然存在较多的问题。

我国的传统煤化工资源占比较大，用于炼焦的煤量已经超过煤化工耗煤总量的80%[4]。而现代煤化工产业发展还并不完善，大多还处在工程示范的阶段，未开始大规模应用，还有部分煤化工行业，如煤制气、煤制油等发展并不完善，我国也并未完全掌握这些技术，尤其是一些关键的设备，目前仍以进口为主[5]。因此，传统煤化工改造面临成本较高、难以推进的问题。目前，我国的煤制油技术发展水平较高，尤其是在单位煤耗方面，可以与世界先进水平比肩，但是煤制乙二醇的工艺技术发展尚不完善，达不到国际先进水平[6]。另外，我国的煤化工项目集中的地区主要在中西部，属于水资源比较匮乏的地区，但是煤化工的产品消耗又主要集中在东部地区。因此，从资源利用和经济成本方面来看，二者都会对煤化工企业的进一步发展产生不利影响。

目前，煤制油的成本相对于石油炼油成本较低，但是生产税相对于石油炼油每吨要高出300～400元，因此不论是间接还是直接液化制油都无法与当前油价进行有力竞争。煤制烯烃方面也存在同样的税收问题，煤化工行业很难在当前的碳税情况下得到快速发展。火力发电是我国当前主要的发电形式，年发电量超过总发电量的70%，但是火电中，煤电的装机容量在90%以上，超临界燃煤的占有率只有约50%。由于超临界燃煤的建设成本比较高，不同地区的发展水平也有很大差异，一些中小电厂的改造步履维艰。因为超临界燃烧工艺的造价非常高，而且技术也不完善，所以其发电成本甚至高于燃煤发电。实践表明，将碳捕获封存技术与超临界燃烧技术进行联合使用，能达到清洁利用的目的。总体来说，普通燃煤电厂运用碳捕获封存技术，虽然初期造价不高，但是后期运营成本较高，导致其与燃煤机组竞争并无优势。

2 煤炭资源高效清洁利用模式探讨

2.1 新型煤炭发电技术

在我国，煤炭发电技术目前主要有超超临界燃煤发电技术、IGCC、循环流化床燃煤发电技术和分级转化发电技术等。其中，IGCC是目前世界上被广泛认可的最为先进的发电技术，该技术通过气化煤炭进而得到合成气，将合成气净化后用于联合燃气-蒸汽循环的发电技术。这种技术联合了煤气化技术和联合循环两种技术，大幅度提高了发电效率的同时还降低了大气污染物的排放。目前，这种技术在我国的华能集团公司得到了应用，2013年，公司在天津首次完成了IGCC电厂试运行。投产之后，机组运行比较稳定，同时发电能力也不断提升，目前已经将39亿kW·h的电能提供给了社会。

超超临界燃煤技术的技术基础是超临界燃烧技术，其参数比超临界燃烧更高，在二氧化硫和二氧化碳排放方面，其优势是降低了这两种气体的排放，在资源利用率方面，超超临界燃煤机组的能源利用率也有明显的提升。截至2015年9月，我国投产的超超临界燃煤机组，已经达到82台，燃烧产生的水蒸气温度能达到600℃。另外，效率更高、能耗更低的超超临界燃煤发电技术正处在研发阶段，有望在近几年投入运行。

我国当前的循环流化床模式的锅炉发电机组中，已经投入运行的在3 000个以上，总的装机容量可以达到1×108kW。其中，四川白马示范电站的超临界循环流化床技术，其装机容量达到了60万kW，是世界首例大容量电站。目前，我国已经成功掌握了循环流化床锅炉所应用的核心技术，全国范围内装置容量达到35万kW的超临界循环流化床机组中，已经进入商业运营阶段的有5台。

分级转化发电技术是一种不同于原有燃煤技术的新技术形式，在这种技术中，煤炭不仅是原料，同时也是燃料，有机结合起热解、气化、燃烧等多个过程。将流化床热解气化炉与循环流化床锅炉结合起来，就可以达到分级阶梯式利用煤炭资源的目的。嵊州新中港热电公司于2015年与分级转化技术达成合作意向，准备建设示范工程项目，新中港热电公司将对其4台高温高压循环流化床进行改造，用分级转化多联产机组进行替代，总的蒸发量达到440 t/h。在不降低发电量和供汽量的基础上，液化天然气的年产量约为4 800 t，重质燃料油的产量约为3 900 t，新增产值可以达到约3.1亿元。

2.2 新型煤化工技术

新型煤化工的核心技术是煤气化，生产原料是煤，然后将煤转化为液态、气态或固态燃料，接下来继续进行化学品生产的工艺过程。新型煤化工在我国的分布情况主要为：山西、内蒙古、云南主要为煤制油项目；新疆、内蒙古和山西主要为煤制天然气项目；其他的煤化工主要集中在新疆、山西、山东、内蒙古、江苏、河南等地。目前，我国的煤制烯烃技术已经发展得比较完善，截至2015年底，煤制烯烃的产量已经接近600万t。

2016年，我国的煤制烯烃装置已经投产使用9台，设计产能可以达到744万t/a。在建项目有9个，建成后产能预计可达到740万t/a，拟建项目有6个，总的设计产能为400万t/a。在我国，乙二醇的市场需求量非常可观，并逐年提高。数据显示，2016年我国的煤制乙二醇产能达到200万t/a，其中实际产量达到115万t。投产项目分布地区主要集中在河南、内蒙古、新疆等地。目前有8个煤制乙二醇项目在建，设计产能为260万t/a。2016年底投产的煤制油项目达到9个，产能共计715万t/a，项目总体投资额达1 193亿元。

煤制烯烃技术是利用煤进行甲醇等低链的碳烯烃制备技术。总体来说，中国的煤制烯烃技术发展非常快，但是目前来看，这一技术的发展速度过快，产品存在同质化现象，极易产生市场过剩问题。因为这种技术存在较大的投资风险，建议全面发展新型煤化工技术，不断开发新的产品并投入市场，以期带来更大的经济和环境利益。

2.3 碳捕获及碳封存技术

碳捕获技术是近些年发展起来的新型煤炭资源高效利用技术，这种技术首先收集工业燃烧或发电产生的二氧化碳，然后将二氧化碳进行捕获封存从而大大降低二氧化碳排入大气中的量，同时也是一种碳循环利用的重要手段。目前，二氧化碳捕获的方式主要有三种：燃烧前、燃烧后以及富氧燃烧过程中捕集。其中，燃烧前捕集需要结合IGCC技术，煤进行气化的同时，分离出二氧化碳，达到二氧化碳的高效回收；燃烧后捕集主要是针对捕获普通电厂的燃烧排放二氧化碳的手段，这种二氧化碳的浓度比较低、压力比较小，因此对其进行捕获的运行成本相对较高。

富氧燃烧捕集是利用高含氧量的氧气进行加压和助燃，从而达到提高二氧化碳排放浓度和压力的目的，当其二氧化碳排放浓度和压力与IGCC相当时，碳收集的效果就会比较高效。近些年来，碳捕获和封存技术又有了新的发展，在捕获和封存之间又提出了利用的理念，也就是CCUS，这种技术通过对二氧化碳进行回收再利用，从而达到二氧化碳零排放的目的。2009年，华能上海投产了碳捕获封存项目，600 MW机组的碳捕获封存能力达到了10万t。神华集团在2010年启动了CCS工业化示范项目，这个项目将二氧化碳封存在咸水层，是全球第一个全流程碳捕获封存项目，此项目捕获能力设计为10万t。

2.4 煤基多联产系统

煤基多联产系统的目的是综合高效地利用煤炭，达到节能减排，其核心是煤气化，它是一种清洁度非常高的煤炭利用系统。这种技术有机耦合了相对独立的煤电和煤化工行业，实现了产品的内循环，降低了污染物的排放，提高能源资源利用率，同时增加了产品（如大宗煤化工产品甲醇、二甲醚等）和发电的附加值，污染排放量也大幅度降低，达到了煤炭综合清洁高效利用的目的。兖矿集团“十五”期间联合中国科学院工程热物理研究所，共同完成了煤气化发电同时联产甲醇系统的关键技术公关。我国目前的煤基多联产系统发展还不完善，刚刚进入工业化示范阶段，但是随着相关技术的不断发展，煤基多联产系统将会趋于成熟。

3 结论

随着国家对能源资源清洁利用的要求越来越高，全国各个地区都在开展绿色化能源利用，各省市也都非常重视煤炭的清洁高效利用。十九大对生态环境的发展提出了更高要求，强调了社会主义的生态文明观，在这一思想指导下，人们更应该积极开发能源的高效清洁利用模式，构架低碳、高效的能源利用体系。综上所述，加快研究煤炭资源高效清洁利用的模式，是我国生态文明发展和合理利用煤炭资源的必然选择，也是煤炭企业在这样一个大环境下的必然选择。