煤炭清洁利用技术综述

张 明，付景文

（1.安徽皖维高新材料股份有限公司，安徽巢湖238000；2.天津大学，天津300072）

伴随着我国社会生产力的不断提升，以往因过于关注工业生产力发展而忽视环境保护所形成的粗犷发展模式，使得我国生态环境遭受了严重的破坏，严重危及我国人民的身体健康。环境污染问题的日益严峻让人们心中的环保意识逐渐强化。中国是缺油而富煤的国家，煤炭储量居世界第三，是重要的化工和能源原料，但是煤炭的利用存在严重的污染物和碳排放问题。

因国家转变经济发展方式、调整产业结构和新能源的发展，近年来煤炭行业的发展并不景气，若想摆脱目前的发展状态，寻找新的经济增长点，就应该尽快适应以高效率、低排放、减污染、可循环为特征的新常态经济发展方式，积极构建以清洁、高效、低碳、安全和可持续为发展目标的现代煤炭清洁利用体系，以新能源、新材料、节能环保和生物等战略性新兴产业为技术耦合导向，在煤炭洁净转化领域探寻新的发展契机，并实现与战略性新兴产业的协同发展。在新形势下，新的洁净煤炭利用方式成为科学研究的重点课题。

本文涵盖的煤炭清洁利用技术包括煤炭气化技术、煤炭液化技术、微生物处理技术、煤炭废弃物处理、煤炭清洁发电技术和煤基多联产技术。

1 煤炭清洁利用技术

1.1 煤炭液化技术

通过煤炭液化技术可以制备不含硫的清洁液体燃料。目前我国的煤液化技术发展迅速，一些领域已经处于世界领先地位。煤炭液化技术主要分为直接液化和间接液化两种[1]，其中直接液化技术主要是在有溶剂油的条件下高压加氢，有氢煤法、供氢溶剂法、联合加工法、NEDOL 液化工艺等；间接液化技术主要是通过煤制备合成气再合成油的过程，有费托合成、SMDS技术、低温煤间接液化、MTG 合成技术等。目前间接液化技术因其产率高、使用条件低等原因获得了较大的发展。除以上煤液化方式外，煤油共炼技术是在煤液化技术上发展的技术[2-3]。目前开发的煤油共炼技术通常是煤化程度较低的烟煤与重油的共同转化技术。煤炭加氢和重油渣油加氢具有相似的反应条件，将两者混合可以改善工艺条件，达到充分利用资源的目的。

目前，煤液化技术的主要发展方向是更加高效和环保的溶剂和催化剂[4]。2019 年10 月，拥有自主知识产权的由山西煤炭化学研究所承担的万吨级煤温和加氢液化中试项目已经顺利运行。

1.2 煤炭气化技术

煤炭气化是目前煤炭转化的主要途径，它是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。煤炭气化得到合成气（氢气与一氧化碳混合物），合成气可以作为甲醇、氨气、乙二醇、天然气等重要化工产品的原料。从目前技术上看，煤炭气化是最成熟、面最广、量最大的洁净煤炭技术。把煤气化成其他气体燃料的技术效率高于其他洁净煤技术。

煤炭气化按照反应器分类，可以分为固定床气化、流化床气化、气化床气化[5]。固定床工艺分为常压固定床和加压固定床，工艺较为简单可靠。流化床工艺同样有常压和高压，其生产强度大并且对煤种的适应性较强。气流床工艺拥有更大的容量和煤种兼容性，是目前气化技术的主要发展方向[6]。

大连化学物理研究所开发出具有自主知识产权的煤制甲醇制取低碳烯烃（DMTO）成套工业化技术。利用此技术于2010 年建成了世界首套煤基甲醇制60 万吨乙烯工业装置。此煤制烯烃技术于2019年9月完成工业试验。

1.3 微生物降解技术

燃烧低等级煤炭时，它所产生的热量比较低，并且工业应用价值也不高，煤炭堆放也是对资源的浪费，所以，有效合理地开发利用低阶煤就变成一项有待解决的课题。微生物降解可以作为处理的解决方案。对煤使用微生物转化技术进行处理[7-8]，可以产生甲烷[9]或者其他液体和气体燃料[10]，这种方法的主要优点是工艺较为简单，并且相比于前一种方法还有能耗低、对环境无污染、绿色环保等优点。所以，微生物转化技术已经成为一个研究热点；同时，煤炭中的硫元素，也可以利用微生物方法脱除，即利用绿色的方式有效降低污染物的排放[11]。

目前，藻菌共生生物膜系统可以用于煤炭矿区污染水体修复。对于煤泥絮凝过程，通过基因工程得到的枯草芽孢杆菌可以作为生物絮凝剂代替以往的絮凝剂产品，进而解决以往絮凝剂的污染问题[12]。

1.4 煤炭清洁发电技术

煤炭洁净发电技术一般包括两种技术路径：一种是通过改进燃烧方式，提高参数的发电技术；一种是将煤炭气化后用于发电的技术。前者包括超临界燃煤发电、超超临界燃煤发电、循环流化床燃煤发电、增压流化床燃烧联合循环发电。目前较为前沿的发电技术还有燃煤磁流体发电、煤气化-燃料电池-燃气-蒸汽复合发电技术、增压流化床燃煤联合循环技术等[13]。后者代表性技术为整体煤气化联合循环发电技术。截至2015 年底，我国有82 台1 000 MW 的超超临界机组已投产。截至2014 年底，我国已使用循环流化床锅炉3 000 台，总容量100 GW，其中300 MW 的65 台；目前大容量、高参数的燃煤机组还未成为我国发电的主力，因此我国的燃煤机组存在巨大的节能减排潜力。

1.5 煤基多联产技术

“煤基多联产技术”是以煤为原料，集煤气化、化工合成、发电、供热、废弃物资源化利用等单元构成的煤炭综合利用系统，其技术核心是煤的气化，气化后生成甲醇[14]、乙二醇[15]、合成油等洁净燃料或其他高附加值化工产品，并生产电力或开展热、电、冷联产；另一方面，在煤气化整个工艺过程中，可以以较小成本的增加捕捉高浓度、高压的二氧化碳，达到减排目的[16]。煤制天然气联产化学品可以实现项目产品多元化，提高企业抵御市场风险的能力，解决现有煤制天然气工厂经济效益不高的问题，而联产化学品（以下称为联产品）的选择是关系以上目标能否实现的核心因素，因此联产品的选择要进行通盘考量。

1.6 煤炭废弃物处理

煤炭固体废弃物是指煤炭在生产、加工和利用过程中产生的不再需要或暂时没有利用价值而被遗弃的固态或半固态物质，其组成主要以氧化物为主，其中二氧化硅和氧化铝的含量总和可达70%以上。煤炭固体废弃物的传统应用主要集中在建筑行业、农业生产及环境处理方面，可以用来生产砖、水泥等建筑材料，制备特种混凝土、防渗材料，也可以用作路基部位的填充材料。近年来，利用煤炭固体废弃物氧化铝含量高的特点，可以利用高铝粉煤灰和煤矸石作为主要原料，采用电热还原法进行硅铝合金制备[17]。粉煤灰铝基复合材料、粉煤灰镁基复合材料、铸造涂料、复合陶瓷涂层、渗硼保护层等煤炭固体废弃物在金属材料热加工领域的精细化应用，对于缓解我国铝土矿资源短缺的发展现状具有重要的战略意义。

煤化工废水的组分复杂并且含有固体悬浮颗粒、氨氮及硫化物等有毒、有害物质，因此，废水处理是所有煤化工项目都需要考虑的问题。目前存在的问题主要表现为特征性有机污染物浓度高，如杂环、芳香烃、长链烷烃等难以降解，高浓盐水中的有机物难以脱除，废水难以实现资源化利用等难题。目前有较好前景的用于煤化工废水处理的方式有高级氧化法、膜处理技术、混凝沉淀法等[18-19]。

煤炭燃烧后会产生二氧化硫、二氧化氮等有毒气体，严重危害环境和人民的身体健康。因此现如今烟道气脱硫脱硝成为十分热门的技术方向。常见的烟气脱硫脱硝技术包括氯酸氧化技术、湿法脱硫脱硝、气/固催化脱硫脱硝、固相再生脱硫脱硝技术、高能电子氧化技术等[21-22]。

2 结论

未来中国的一次能源消费中，煤炭仍然占据很重要的地位，鉴于中国所面临的减排压力，煤炭清洁高效利用技术的选择成为了备受关注的重要议题。现有的煤炭洁净利用技术中，超超临界燃煤发电技术、煤液化、煤气化、煤制烯烃、煤炭固废再利用等技术已经较为成熟，但是仍然有很多技术有待进一步开发和应用，如微生物处理技术和煤基多联产技术等。除了技术的革新，煤炭的清洁利用也需要政府严格监管，同时制定科学先进的技术标准体系与标准，实行更加严格的监管和惩罚机制。