洁净煤技术—可持续发展的现实选择

1 化石能源是当前的主要能源

1.1 化石能源的历史地位

    18世纪60年代产业革命以后，世界能源结构发生了从原始的水力、风力机械为动力，柴草为燃料，转向煤炭，以适应蒸气机的应用，焦炭炼铁及铁路、航运的发展。20世纪20年代美国石油、天然气开始发展，二次世界大战后油气比重增长很快，由1920年的11%上升到1959年的50%，而煤炭的比重则从87%下降到48%。此后，化石能源在世界一次能源消费结构中一直占90%以上。

1.2 化石能源在世界范围内占统治地位

    当前化石能源在一次商品能源消费结构中占89.8%，中国占97.1%，美国占89.8%。展望未来，按常规发展方案化石能源比重逐惭下降，到2050年世界及中国化石能源比重相应降至62.4%及76.6%。由此可见化石能源是当今的主要能源，到2050年仍将占重要地位。

1.3 化石能源的竞争及煤炭的地位

    当前一次能源所面临的问题仍然是能源的可获得性、经济性、清洁性的竞争。各国能源消费结构的特点取决于资源、经济、科技发展等因素，总的趋势是向多元化、优质化方向发展。对各国当前能源消费结构的初步分析表明，发达国家以油气为主，煤炭资源丰富的发展中国家往往以煤为主。1999年南非、中国波兰、印度煤炭占能源消费结构中的比重分别为77.1%、72.9%、68.1%和56.8%，澳大利亚由于资源丰富、赋存条件好煤炭的比重也占了44.5%。化石能资源缺乏的国家往往根据自身的特点发展核电及水电等，如法国核电占40.1%，日本占16.8%，韩国占13.8%，超过7.6%的世界平均水平，而巴西、加拿大等国水能分别占19.8%及13%，超过2.7%的世界平均水平。

    当前存在的一种看法是煤炭是肮脏的能源，从保护环境的角度出发应尽快予以取代。因此，对煤炭在中国能源中的地位问题提出了质疑。

1.3.1 煤炭是可靠的能源

    据世界能源委员会的统计结果，1998年全球化石能源最终可采储量中，煤炭占89%，石油占5.2%，天然气占5.8%，煤炭的储量是油气总和的8.1倍，与油气资源相比，煤炭资源分布相对比较均匀。在中国化石能源储量中，石油和天然气储量仅占5.7%，煤炭储量占94.3%，约为油气储量总和的17倍。煤的储采比也显著高于石油及天然气的储采比。因此，可以认为煤的可获得性好，从资源看，煤炭在世界和中国都是可靠的能源。

1.3.2 煤炭是廉价的能源

    按同等发热量计算，北京市天然气、柴油、重油的价格约为动力煤价格的4倍、6倍和3倍。对各国的天然气价格进行比较，中国的天然气价格很高，约为美国的2.0倍，加拿大的4.5倍，英国的3倍。由此可见，在中国的化石能源价格中，煤是最便宜的，可以认为在中国煤炭是廉价的能源。

1.3.3 煤炭是可以洁净利用的能源

    洁净煤技术是高效、洁净的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制的技术。通过加工可减少煤的硫分、灰分；通过洁净、高效的燃烧可显著减排大量的SO2及一定量的CO2；通过转化可把煤转化为清洁的液体、气体燃料，使煤炭得到清洁的利用。

1.4 化石能源存在的问题

    化石能源主要存在两个问题：一是化石燃料是非可再生能源，因此不可能永续利用，终将存在资源枯竭的问题；二是化石燃料若不采用高效的洁净利用技术，则将排放大量的污染物和温室气体。

2 未来能源展望

2.1 发展的前景

    近些年来，经济全球化、贸易自由化、环境问题国际化以及化石燃料的不可再生和引发的不断恶化的环境污染，促使各国加强能源的科技创新，努力寻求替代能源技术。预计未来核能、氢能和可再生能源技术将会有突破性的进展。未来，核能、氢能、可再生能源将逐步发展并最终成为主要能源，电力将成为主要的终端能源。能源结构的革命性变革，将使人类不再为化石能源的枯竭和生态环境的恶化而担忧的这个长久愿望得以实现，并促V-68 使分布式能源的发展和消费方式的重大改变。能源结构从化石能源为主转变为以新能源、可再生能源为主的这一革命性变革需要一段较长的技术准备和过渡时期。

2.2 化石能源的替代

2.2.1 核能

    核电是一种比较安全、可靠和有竞争力的新能源，也是一种现实的可大规模取代化石能源的不排放污染物和温室气体的洁净能源。发展核电是降低温室效应的有效途径和实施可持续发展的必然要求。

2.2.2 可再生能源
    发展可再生能源是二十一世纪减少环境污染和温室气体排放以及替代化石能源的必然要求。我国可再生能源资源丰富，具有广阔的开发应用前景。

    太阳能可转化为热能及电能，当前光伏发电成本仍然昂贵，在技术上取得进一步突破进一步降低后具有发展前景。

　　生物质能源作为固体燃料可用于发电，可经生物分解生产沼气，可通过发酵生产酒精，可通过高温快速裂解获得高品位液体、气体燃料。在生物质能高效利用新技术取得进一步突破后，生物质能将获得更大的发展。

　　我国水能、风力资源丰富，水力、风力发电技术日甄成熟。预计在竞争力进一步提近年内将会得到进一步的发展。地热能、海洋能等可因地制宜分布式地进行开发利用。

2.3 洁净煤技术的重要地位

    当前中国能源以煤炭为主，在一段较长时间内这种局面难以改变。煤炭利用中严重污境、排放大量温室气体。推广用洁净煤技术可大幅度提高煤炭利用效率、减少污染净地转化为液体、气体燃料，保障能源安全。发展洁净煤技术，是当前中国能源发展的现实选择和必然要求。

　　从长远看,新能源和可再生能源要大量取代化石能源是一项十分艰巨的任务，绝非一朝一夕可以实现的，况且与化石能源相比，非水可再生能源依然昂贵。预计二十一世纪的上半叶化石能源在中国仍将占主要地位，煤炭仍将占有重要地位。在这段过渡时期中，将主要依靠高效节能技术、洁净煤技术等化石能源的高效、洁净开发利用技术，缓解化石能源的枯竭，大幅度减少环境污染及温室气体排放，为迎来能源高效、洁净、永续利用的新时的桥梁。

3 中国洁净煤技术开发和应用的重点

    洁净煤技术的重要性已受到政府和社会的广泛关注，但还缺乏国家对洁净煤技术的研究、开发和示范的有效投入和激励政策，致使洁净煤技术的开发应用还滞后于可持续发展的需要。发达国家的一些先进技术往往比较昂贵，在能源激烈竞争的市场上还不具备经济，也有些技术还不能适应中国的具体需求。此外，有些传统观念、习惯也阻碍了机制、管理和技术的创新。为促进中国洁净煤技术的产业化和推广应用，应根据市场的需求，确定出重点，明确适合于中、近期推广应用的技术项目，开展国内、国际合作的研究、开发、示范和推广项目。

3.1 发展动力煤洗选加工，实施动力煤优质工程

    我国目前已经具有很成熟的煤炭加工技术，如洗选、动力配煤、型煤及水煤浆等。煤炭通过加工可以显著提高煤炭质量，采用加工后的煤炭产品可减少污染物排放，提高利用效率，减少设备磨损、检修时间和煤炭运输费用等，加工后的煤炭价格提高完全可以被产生的效益弥补，甚至还能产生一定的利润。水煤浆替代重油具有很好的经济效率。

1) 选煤是合理利用煤炭，保护环境的最经济和有效的技术,是煤炭深加工的前提，每选煤1亿吨，约可减少100万吨的SO2排放量。1999年我国年选煤能力为5.02亿吨，年入洗原煤3.01亿吨，原煤入洗率为28.9%。

2) 动力配煤是将不同品质的煤取长补短，经过破碎、筛选按比例配合，并辅以一定的添加剂以适应用户对煤质的要求。统计表明锅炉采用配煤后，平均节煤可达5%。我国已有年产动力配煤8000万吨的能力。

3) 型煤。我国民用型煤配以先进的炉具，热效率比效煤高一倍，一般可节煤20~30%，煤尘和SO减少40~60%。

4) 水煤浆是由煤、水和化学添加剂按一定的要求配制成的混合物，具有较好的流动性和稳定性，易于储存，可雾化燃烧，是一种燃烧效率较高和低污染的较廉价的洁净燃料，可代重油缓解石油短缺的能源安全问题。我国已基本解决水煤浆的制备、煤烧技术，已有年产208万吨水煤浆的生产能力。白杨河电厂（三台220t/h锅炉）已实现制浆、燃烧一体化。

3.2 研究减排SO2的合理技术经济途径，实施全过程减排SO2

1) SO2是中国大气的主要污染物，全国酸雨和SO2污染造成的年经济损失超过1000亿元，控制和治理SO2污染是我国实施可持续发展的迫切需求。

2) 治理SO2污染的最有效途径是合理实施全过程SO2排放控制，即从限制高硫煤开采，加强煤炭洗选加工，推广高效、洁燃烧技术及烟气脱硫技术等，研究不同情况下各项洁净煤技术的合理应用，寻求最经济的减排途径。全过程减排SO是一项涉及技术、经济、政策多因素的系统工程，离不开相关法规的制定和政策的支持。

3) 中小型工业锅炉用煤量约占动力煤消费量的1/3，量大面广、燃烧效率低、减排费用高，是重要的燃煤污染源，对此必须引起重视。

4) 一项研究表明，若合理地全面采用洁净煤技术，在2000~2020年期间，可减排SO21.23亿t，可减少SO2造成的经济损失约6080亿元，扣除投入及总运行费用计1810亿元，除显著的环境效益外，还可获综合经济效益4270亿元。

3.3 中小燃煤工业锅炉减排技术

    中国是当今世界燃煤工业锅炉生产和使用最多的国家，至1998年底，中国在用工业锅炉装机总量为50.12万台，约88万MW，总量是电站锅炉的3倍。中国工业锅炉平均容量小，为1.7MW/台（2.5 t/h），>10t/h的不到20％，2-10t/h锅炉占75％，≤1t/h锅炉占5％。工业锅炉品种较为单一，层燃链条炉约占总台数的65％，往复炉排约占20％，固定炉排炉占10％，循环流化床占3-5％，其它炉型占1％。我国燃煤工业锅炉量大面广，每年燃煤约3.8亿吨，污染物基本上是无控排放。据估测，燃煤工业锅炉每年约向大气排放SO2 640万t，烟尘800万t，CO2 6亿t；向地面排放灰渣8700万t/a，产生的污染约占燃煤污染总量的1/3。

我国燃煤工业锅炉目前存在的主要问题：

1) 整个工业锅炉行业技术水平较低、装备水平较差，平均运行效率60-65％，比国外水平低10-20个百分点；

2) 煤质与锅炉不匹配，需要烧块煤的链条炉绝大多数在燃用散煤，需要燃高质量煤炭的大多在使用未经加工的原（散）煤，导致运行效率下降；

3) 管理不善，锅炉操作由人来完成，许多操作工没有经过培训上岗，尤其是季节性供暖锅炉，其操作管理水平很低。

　　工业锅炉在工业生产和日常供暖中起着非常重要的作用，要在近期内取消工业锅炉是不现实的。

　　由于工业锅炉量大面广，容量很小，产生的污染不容易治理。解决问题的适宜方式是把工业锅炉改造和提高煤质结合起来。一是优先采用优质的煤炭，如采用洗选煤、筛选煤、固硫型煤等。二是用循环流化床锅炉替代35t/h以上锅炉，发展集中供热。三是发展20t/h以下先进燃煤工业锅炉技术，用较先进的锅炉及技术替代现有锅炉。

    据估计，燃煤工业锅炉经过综合改造，每年节煤3800万tce，减排SO2约380万t，减排CO近3000万t。改造工业锅炉具有节能和减排污染物的潜力，应加大在此方面工作的力度。

3.4 煤炭转化技术

3.4.1 煤炭气化

    煤炭气化是把经过适当处理的煤，送入反应器，在一定温度和压力下，通过气化剂（空气、氧气或蒸气）在一定的方式（固定床、流化床、气流床域熔融床）转化成气体。煤炭气化主要产生CO和H，在燃烧前可脱除硫组分。随着IGCC及煤化多联产一体化技术的发展，煤的气化技术将受到更加重视。

3.4.2 煤炭液化

    近几年石油需求增长较快，而产量徘徊于年产1.5~1.6亿吨。预计2010年石油消费需维持在1.6～1.8亿t，净进口量不小于1.3亿t，占消费总量的43%。由此将造成严重的经济问题和能源安全问题。

    中国的煤炭资源比较丰富，以煤代替部分燃油，解决石油短缺及由此造成的能源安全问题，已列入国家“国民经济和社会发展第十个五年计划纲要”。

    煤炭液化是把固体状态的煤炭通过化学加工过程，使其转化为液体产品（液态烃类燃料，如汽油、柴油等产品或化工原料）的技术。煤炭通过液化可将硫等有害元素以及灰分脱除，得到洁净的二次能源，对优化终端能源结构、解决石油短缺、减少环境污染具有重要的战略意义。

　　七十年代末，中国开始与国外合作进行煤直接液化技术研究。找出了14种适于直接液化的中国煤种，证实我国煤炭储量中可用于煤直接液化的资源超过2000亿t。通过研究，已选出5种活性较高的、具有世界先进水平的催化剂，完成了4种煤的工艺条件试验。1997.3－2000.3，先后完成中德、中日和中美煤炭直接液化预可行性研究报告,研究结果表明，若目前油价高于20美元/桶，而原料煤价格在100元/吨左右时，投资收益率均大于12%，有较好的经济效益。据初步概算，1t产品的投资约为0.6～1.0万元，建成100万t/a规模工厂，需投入60～100亿元人民币。

4 洁净燃烧和发电技术

    电站燃煤5.36亿吨，造成的SO2排放量810万吨，占全国SO2排放量的43.6%。洁净煤技术的发电效率显著高于常规机组，污染物排放显著降低，是火电技术的方向。

4.1 循环流化床燃烧技术（CFBC）

    自从1989年第一台35t/h小型CFBC锅炉电站投入运行以来，现已有300台以上35t/ht/h的小型CFBC锅炉电站在全国范围内投入运行。目前在建和建成的220t/h(50MW机组)CFBC锅炉已超过10台，引进的100MW CFBC装于四川内江高坝电厂，国内已具备100MW CFBC的开发和设计能力。300MW CFBC示范电站正在招标。

    近期发展的重点是，加快大中型CFBC锅炉的国产化，逐步发展300 MW等级CFBC国产化机组，使CFBC锅炉在火电机组中占有一定的比重。

4.2 增压流化床燃烧技术(PFBC)

    1990年中国开始建设15MW PFBC-CC中间试验机组，2001年4月徐州贾旺发电厂15MW PFBC-CC已取得成功，使我国成为世界上少数几个掌握此项发电技术的国家。计划建设1～2座100MW等级的PFBC-CC商业性试验电站，大连台山和江苏贾汪两个电厂正在开展P2000机组的可行性研究。

4.3 整体煤气化联合循环发电技术（IGCC）

    世界范围内已投入运行的IGCC电站有荷兰、西班牙、美国的4台大机组，最大的是西班牙的Puretollano30万千瓦机组。国家计委已批准进行300 MW或400 MW等级的IGCC示范工程的前期工作。

4.4 大容超临界机组（包括超超临界机组）

    国内已投入运行和在建的超临界机组共有6000 MW，在筹建的还有4200 MW，均为进口机组，国产化超临界机组从600 MW起步，并将发展1000 MW等级的超临界机组和高效超临界机组。

4.5 烟气脱硫技术

    我国从20世纪70年代开始了电厂燃煤SO治理研究，80年代中期，在四川白马电厂建立了旋转喷雾工业试验装置；90年代，首次在重庆珞璜电厂两台36万千瓦机组上，安装了石灰石、石膏湿法烟气脱硫装置，取得了显著成效自主开发研制的同，近些年，一些大型电厂也相继从国外引进了一些先进的除硫设备，被列为我国第一个城市电厂环保示范项目的南京下关电厂，就是从芬兰引进的干法脱硫装置，排放每立方米烟气中的含硫量降至600毫克左右，不足以前的30%。为适应中国的需要,我国重视开发低成本的烟气脱硫技术,以便在中国的情况下可以推广应用。此外在用电子束脱硫、脱硝方面也已取得突破。

5 结语

1)化石能源是当前世界的主要能源，但化石能源，特别是煤炭的大规模低效开发和利用导致大量资源浪费、严重环境污染和大量温室气体排放。

2) 预计二十一世纪上半叶，中国将主要依靠高效节能技术、洁净煤技术等，大幅度减少环境污染及温室气体排放，提高能源效率，降低能源强度，缓解石油供需不足的压力，保证能源安全供应。

3) 煤炭从资源上讲是可靠的能源，从经济上讲是廉价的能源，从环境上讲是可以洁净利用的能源。在今后相当长的一段时期内，煤炭对我国是不可或缺的，发展洁净煤技术，是当前中国能源发展的现实选择必然要求。