洁净煤技术及其在广东电力工业中应用

能源、环境是人类生存与发展所面临的两大课题，我国能源以煤为主的局面还会长期存在，煤炭燃烧将化学能转化为热能的同时产生大量污染物，造成我国“煤烟型大气污染”的严重性与长期性。目前我国燃煤发电技术较落后，发电效率较低，污染物排放较严重。因此，以高效和低污染排放为特征的“洁净煤技术”的提出既反映中国国民经济发展的紧迫需要，也完全符合国家能源转换、环境保护的可持续发展战略。

1洁净煤技术提出的背景

当今人类面临着三大环境问题：酸雨、温室效应和臭氧层破坏，这都与经济的发展密切相关。
1．1燃烧排放与酸雨污染
形成酸雨的主要物质是SO2和NOx，这两类物质的90％都来自矿物质燃料燃烧。酸雨影响水生生物生长或使其死亡；大面积的森林死亡也归因于酸雨的危害；酸雨还加速建筑材料的腐蚀；酸雨使地面水呈酸性。为减少酸雨的危害，必须采取增大燃煤洗选率、增加低硫煤开采与使用、大规模采用烟气脱硫装置、大力采用循环流化床燃烧技术、征收SO2排放税等措施，控制造成酸雨的污染物SO2等的排放。

1．2全球气候变暖与能源工业
大气底层聚集大量温室气体，地球辐射的长波被温室气体反射回来，有效地避免热量散失。当大气层中温室气体浓度上升时，温室效应增强，导致全球气候变暖，其中影响较大的是浓度增加最快的CO2和CH4。矿物燃料燃烧和地球植被破坏是CO2浓度增加的主要原因，能源工业同时也是CH4的一个重要的产生源。随着世界能源消耗不断增长，电力行业在能源直接消耗中所占份额越来越大，加快电力行业的科技转化，研究开发洁净煤技术，将成为解决温室效应的重点突破口。

1．3臭氧层破坏与燃烧排放
人类过多使用CFCS及矿物燃料燃烧的排放物有关。大气同温层O2可通过四种途径减少：紫外光照射下的分解反应；Cl与其反应；NO与其反应；OH及HO2与O3的反应。其中，70％的O3与NO反应而消减。近年来，燃烧过程中N2O的排放引起较大重视，它是一种温室效应气体，并且能破坏大气同温层的臭氧层，同温层中N2O浓度的增加将引起臭氧层中NO浓度增加，从而使臭氧层变薄加速。在电力行业引进先进的洁净燃烧技术，降低NOx排放，对保护臭氧层起到积极的作用。

2洁净煤技术进展

洁净煤技术是针对燃煤对环境造成污染提出的技术对策，是旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术总称，它将成为21世纪煤炭利用中既能降低动力耗费，又能创造友好生态环境的高新技术，其构成如图1所示。

2．1煤炭燃烧前处理技术
动力用煤洗选加工是提高煤炭质量、增加煤炭品种、节约能源、节省运力、降低燃煤对大气污染和保护环境的重要措施。浮选脱硫属先进的物理洗选工艺；干法分选适用于分选氧化煤与水资源缺乏的地区；化学分选适用于物理分选排除大部分矿物质后的最后一道分选工序，需要高活性化学试剂，工艺过程大多在高温、高压下进行，成本较高；微生物脱硫具有反应条件温和、成本低、能耗省、无煤流失、能脱除煤中的有机硫与黄铁矿硫等优点，
但作用时间长，反应容器大，生产工艺复杂，处理费用高，不适合大规模能源工业。

型煤加工技术在经济上是合理的，而且环境效益、社会效益显著。将粉煤加工成型煤，比燃烧散煤节约能源20％～30％，减少烟尘排放量40％～60％，提高锅炉出力10％～30％。加入适量的固硫剂，燃烧时烟尘和SO2的排放都比燃烧散煤时减少40％～60％。在我国，民用型煤加工已有成熟技术，但工业型煤的发展比较缓慢，其技术开发仍处于分散的低水平重复状态，对于其推广缺乏有效的组织管理。
水煤浆是一种煤基液态燃料，发展水煤浆技术，不仅能节省宝贵的油资源，而且还可以解决煤炭运输、环境污染等问题。目前国内外水煤浆技术的发展趋势为：由小规模工业示范厂、试验厂向大型化、商业化方向发展；水煤浆应用向多用途方向发展；水煤浆向大型化、系统化方面发展；水煤浆研究向低污染燃烧方向发展。

2．2燃烧中处理技术
为适应煤种多变、调峰及稳定强化燃烧的需要，出现不少新型煤粉燃烧器，如：煤粉钝体燃烧器、稳燃腔燃烧器、夹心风燃烧器、双通道自稳燃式煤粉燃烧器、火焰稳定船式燃烧器。这些燃烧器用于燃用劣质煤和低挥发分煤。其特点为：低负荷稳燃，提高热效率；加强煤粉气流与高温烟气流的湍动和混合，明显改善着火条件；稳定燃烧，防止结渣，煤种适应性好；减少燃烧过程中NOx的生成，降低对大气的污染；等等。目前，降低燃烧过程中氮氧化物的生成和排放采取如下一些措施：空气分级燃烧；烟气再循环燃烧；煤粉浓淡分离燃烧；燃料分级燃烧。

燃烧中固硫是在燃烧过程中使煤中硫分转化成硫酸盐,随炉渣排出。生成的CaSO4在800～950℃时热稳定性好，应用成功的有LIMB炉内喷钙技术和LIFAC烟气脱硫工艺。LIMB技术喷入固硫剂时只要避开高温区便能改善脱硫效果，吸收剂在炉膛出口处喷入，避免吸收剂的烧结失活。LI－FAC工艺是一种改进的炉内喷钙工艺，除炉内喷射石灰石脱硫外，还在炉后烟道上增设一个独立的活化反应器将炉内未反应完的CaO通过雾化水进行活化后，再次脱除烟气中的SO2，这两种炉内脱硫技术都已投入商业性运行。

固体颗粒处于流动化状态下具有一系列特殊的气固流动、热质传递和化学反应特性，使得流化床锅炉具有如下特点：燃料适应性好，可以燃用各种高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的劣质燃料和难于点燃和燃尽的低挥发分煤；低温燃烧，燃烧过程中NOx大幅下降；颗粒床内停留时间较长，燃尽度高；保证蒸汽参数，实现低负荷稳定燃烧。流化床燃烧工艺由小、中型的鼓泡流化床，常压循环流化床发展到增压流化床燃气蒸汽联合循环发电，其发电效率不断增加，且脱硫率不断提高。

2．3燃烧后处理技术
烟气净化是燃烧后洁净煤技术，主要是脱除烟气中的灰尘、SO2，NOx。离心分离除尘器结构简单，运行操作方便，除尘效率在85％左右；洗涤式除尘器结构简单，除尘效率高，文丘里洗涤除尘器除尘效率在95％以上，且能吸附烟气中的SO2和SO3，但需要污水处理装置；袋式过滤除尘器具有较高的除尘效率，但其阻力较大；静电除尘器除尘效率最高可达99．99％，可捕集0．1μm以上的尘粒，处理烟气量大，运行操作方便，可完全实现自动化。

烟气脱硫（FGD）是控制燃煤SO2排放应用最广和最有效的技术，传统的FGD主要是化学法，是目前唯一实现工业化的方法，但它能耗大，产生废水或废渣，造成二次污染，应用前景一般。电子束照射含有水蒸气的烟气，使烟气中分子如O2，H2O产生强氧化性的自由基O，OH，HO2和O3等，这些自由基氧化烟气中的SO2和NO，在有氨存在下，生成较稳定的硫铵和硫硝铵固体，通过除尘器达到脱硫脱硝的目的。脉冲电晕法是电子束法的改进，用高压电源电晕放电代替加速器电子束产生等离子体，不需昂贵的电子枪与辐射屏蔽，在节能方面具有很大的潜力。海水脱硫（F－FGD）将SO2以硫酸盐的形式直接送入大海，不经过大气、淡水湖泊、河流和土壤，F－FGD不需添加任何化学物质，依靠海水的天然碱度进行脱硫。

2．4转换技术
整体煤气化联合循环（IGCC）是先将煤气化成可燃气体，供燃气轮机燃用，以煤气化设备和燃气轮机取代锅炉发电，排气余热再发生蒸汽，推动蒸汽轮机发电，其发电效率可高达47％，从而能更好地实现高品位煤化学能的梯级应用。IGCC是最洁净和最有效的洁净煤技术之一，在相同发电量条件下，净化煤气的数量低于需净化的烟气量，高温煤气净化减轻对环境的污染，同时也保护下游燃气轮机等设备免遭腐蚀。高温煤气脱硫剂种类很多，从物系上大体可分为铁系、锌系、铜系、钙系和复合金属氧化物等。高温煤气脱硫反应器可以采用固定床、移动床、流化床和气流床等，目前流化床和气流床使用最为广泛，主要是因为它们的传热传质能力高，易于实现脱硫和再生的连续运转。

煤炭气化能克服由于煤的直接燃烧产生的燃烧效率低、燃烧稳定性差、环境污染严重等问题，可在使用前将煤气中的气态硫化物和氮化物较容易地高效脱除。按照煤在气化剂中的流体力学条件，把气化方法分为：移动床气化；流动床气化；气流床气化；熔融床气化。它们都是在特定的条件下，以一定流动方式把煤完全转化成可燃气体，煤中的灰分以废渣的形式排出。煤炭气化技术开发的热点是煤气化联合循环发电技术，中国目前发展煤炭气化技术的主要途径是加强现有技术的推广应用，改变传统落后的用煤方式，达到节约利用煤炭资源，减轻用煤过程中对环境的污染。

通过加氢法、抽提法和合成法可由煤制取液体产品，煤炭液化获得的洁净液体燃料可以满足飞机、坦克、火箭、汽车和多种现代化工业设备的动力需求，用于燃烧可以达到不污染环境的目的。煤的液化产物燃烧对环境造成的影响非常轻微，煤直接液化时，煤经过加氢反应，所有异质原子基本被脱除，回收的硫可变成元素硫，氮经过水处理可变成氨。煤间接液化时，是由气化阶段的气体产物转变而来，催化合成过程中排放物不多，未反应的尾气可以在燃烧器中燃烧，排出的废气中NOx和硫很少，没有颗粒物生成。

燃料电池是反应物燃料与空气中的氧发生电化学反应而获得电能和热能的电化学装置，将化学能直接转化为热能和低压直流电能。根据燃料电池所使用的电解质的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物电解质燃料电池和聚合物电解质膜燃料电池。燃料电池具有热效率高、对系统负荷变动适应力强、燃料来源广、环境污染小、不需要大量循环水、建设工期短等特点，燃料电池从可能性原理的提出到磷酸型燃料电池兆瓦级产品的商业化应用，都是根据实际需要而发展的。熔融碳酸盐燃料电池虽然离商业化阶段有一定距离，但由于它与煤气化能结合应用，其预计价格低于同规模的磷酸型燃料电池，因而有望用于主力电站。

3洁净煤技术在广东电力工业中的应用
广东地处我国华南沿海，改革开放以来珠江三角洲经济发展迅猛，能源需求急剧增长，环境污染日趋严重。虽然广东已大力开发水电和核电，加大投资开发西部水电的力度，增架西电东送的输变电线路，与云南、贵州等西部省份签订西电东送的协议，但在21世纪初，广东以燃煤为主的火力发电的电源结构不可能改变。电力是经济建设和社会发展不可替代的二次能源，大量燃煤对沿海经济发达港口城市的污染日趋严重，电力建设者将面临解决发展与环境矛盾的重要课题。洁净煤技术可使煤在燃烧过程中大量减少污染物的产生和排放，同时还可以提高燃烧效率，达到高效、洁净、环保的目的。洁净煤技术将在广东电力工业的持续发展中占据重要地位。

3．1广东电力工业现状
燃煤火电厂是广东电力的主要电源，每年消耗原煤约23000kt，截止2000年8月，燃煤火电厂装机总容量达12．005GW，主要电厂煤耗情况如表1。广东通过多渠道办电，电力增长速度较快，基本能适应经济发展的需要。近期由于经济复苏，电源建设规划滞后，经济增长速度超过电力增长速度，迫使许多燃煤火电机组超时运行，电网处于缺电局面，部分市（县）采取了拉闸限电措施。因而在今后的一二十年内仍要加快广东电力工业的建设，使电力由基本适应型向同步或超前发展型转变。燃煤火力发电厂的建设相对核电和水电来说，具有投资小、见效快的优势，若采用先进的洁净煤发电技术，可减轻对环境的破坏。

3．2洁净煤发电技术在广东电力工业的应用前景广东电力工业紧随经济发展而发展，发电燃煤量逐年增长。能源是历史发展和社会进步的物质基础，大量消耗能源的结果，促进工业经济的快速发展，但同时使环境付出巨大的代价，大量燃煤燃烧给广东地区生态环境带来巨大压力。广东电力工业以燃煤火力发电为主的电源结构，短时期内不会改变，因此，为降低污染物的排放，满足国家环保要求，应该积极采用新的洁净燃烧技术，从而提高能源转化效率，降低能源系统成本，提供优质能源服务。

近期，广东省的连州发电厂、沙角A电厂实施烟气脱硫工程，茂名热电厂进行把燃油机组改造为燃烧水煤浆机组的技改工程。广东省正在惠州建设天然气发电厂，深圳能源公司属下的西部电厂已实现海水脱硫。这些项目的实施都已取得巨大的社会效益，并将获取显著的经济效益。为最大限度降低环境污染，广东省可根据各电厂的具体情况，在老厂改造、新厂建设和发展大机组时尽可能采用洁净煤发电技术。

3．3洁净煤技术应用保障
电力工业是关系社会经济发展和国计民生的基础产业，是政策上予以鼓励和保障的先导产业。洁净煤发电技术是当今世界先进的发电技术，是一项造福人类的重大工程项目，社会各部门应予以扶持和保障洁净煤技术的应用。广东电力工业应通过各种途径采用洁净煤技术，加强洁净煤技术的开发与应用，组织有关科研、设计、制造与生产部门协同攻关；引进国内外较成熟的先进技术，建立示范电厂；在人力、物力、资金和税收等方面给予优惠扶持；走节能降耗、创建友好生态环境的生存发展之路，使企业在未来的市场竞争与持续发展中处于不败之地。