我國煤炭工業節能減排技術現狀及發展思考

何波

摘 要：闡述了當前我國煤炭工業節能減排技術發展面臨的形勢和挑戰，從七個方面對近年來煤炭工業節能減排技術研發、應用及推廣現狀進行了闡述和分析，有利于明確煤炭工業節能減排技術發展中存在的薄弱環節，找準技術發展的共性和重大關鍵技術攻關的方向.同時，對未來的發展戰略和方向進行了有益的思考，提出了制定我國煤炭工業節能減排技術發展藍圖的一些建議，進一步促進我國煤炭工業節能減排技術快速發展.

關鍵詞：煤炭工業； 節能減排； 潔凈煤技術

中圖分類號： TQ 536.9 文獻標志碼： A

自18世紀人類第一次工業革命以來，煤炭的開發和利用對世界工業的進步、人類文明和經濟的發展起著巨大的推動作用，被認為是促成工業革命技術加速發展的四大要素之一.根據2014年《BP世界能源統計年鑒》[1]數據，2013年底，中國煤炭探明儲量為1 145億t，占世界煤炭探明儲量的12.8%，儲采比僅為31年，遠低于世界平均水平.2013年我國煤炭產量37億t左右，煤炭消費量達36.1億t，預計2014年我國煤炭消費量將占全球需求量的50%以上.根據國家能源局統計[2]，2013年煤炭消費占一次能源消費的比重為65.7%，仍居主導地位.煤炭資源的可得性、廉價性和相對的豐富性，使其在未來相當長一段時期仍將是我國不可替代的戰略性能源.

1 煤炭工業面臨的節能減排形勢

與石油、天然氣等其他能源相比，煤炭是一種低利用率、高污染、高排放的能源.我國煤炭資源的特點是難選煤多，高灰、高硫煤比重大，大部分原煤灰分在25%左右，原煤中約12.8%的煤含硫量高于2%.20世紀發生的大氣環境污染事件，如酸雨、氣候變暖、臭氧空洞、城市煤煙霧以及光化學煙霧污染等，都與燃煤有關.大氣中的主要污染物，如SO2、NOx、CO、顆粒物、有機污染物、煙塵、汞等重金屬，主要源自燃煤.這些排放物對人類健康和生態環境都造成了不可逆轉的損害.國家環境保護部《2013年中國環境狀況公報》[3]顯示，全國監測PM2.5的74個重點城市中，只有3個城市空氣質量達標，占比僅4.1%；年平均霾天數為36天，為1961年以來之最；酸雨面積約占國土面積的10.6%；SO2和NOx排放量分別達2 043.9萬t和2 227.3萬t，我國生態環境保護形勢十分嚴峻.世界衛生組織調查報告顯示，世界每8個死亡人口中就有1人死于糟糕的空氣質量.

隨著我國經濟社會的快速發展，人們深刻認識到能源消費量不斷增長導致能源資源緊缺的同時，對生態環境的訴求更是越發強烈.2010年以來，國家將節能環保和新能源產業放在七大戰略性新興產業的高度進行培育.雖然近年來非化石能源消費比重有所增長，但至2013年僅占比9.8%.國務院《節能減排“十二五”規劃》[4]和國家發展與改革委員會《煤炭工業“十二五”發展規劃》[5]要求，2015年全國能源消費總量控制在40億t標準煤，單位GDP（國內生產總值）能耗下降16%，SO2和NOx排放量分別控制在2 086.4萬t和2 046.2萬t.因此，當前煤炭工業節能減排面臨著十分嚴峻的形勢和挑戰，煤炭工業節能減排是煤炭工業未來可持續發展的必由之路.

2 煤炭工業節能減排技術發展現狀

我國是世界最大的煤炭生產與消費國，并且在相當長時期內以煤為主要能源的生產和消費結構不會發生改變，因此我國也成為受燃煤污染最為嚴重的國家.長期以來，煤炭集約開采程度低、粗放式的生產經營、資源浪費等問題仍然比較突出，煤炭平均回采率只有40%左右，僅為發達國家的一半；同時，與煤炭共生的資源損耗很大，每開采1 t煤約損耗與煤炭資源共生、伴生的鋁礬土、硫鐵礦、高嶺土、耐火粘土、鐵礬土等達8 t[6]；煤炭產業整體性差，開發粗放，淺加工，利用低，廢物利用少，未從開采、加工和利用的全生命周期，以系統工程的高度，從經濟社會環境多維度考慮煤炭資源的集成優化利用；環境污染嚴重，在開采、洗選、加工、儲運、利用等過程中產生大量廢水、廢氣、固體廢棄物等，對大氣、水、土壤、地質地貌等生態環境造成破壞.

煤炭高效清潔利用技術是解決當前能源資源緊缺和環境污染困境的重要途徑，也是世界各國煤炭工業節能減排的主導技術之一.20世紀90年代以來，我國一直高度重視發展煤炭高效清潔利用技術，經過多方多年的努力，我國在煤炭節能減排技術研發、推廣和應用等方面取得了顯著的成效.

2.1 煤炭加工技術

煤炭加工技術是指采用物理、物理化學、化學或微生物等方法將原煤脫灰、降硫，并加工成質量均勻、用途不同的分品種的潔凈煤，是實現煤炭高效、潔凈利用的源頭技術，主要包括煤炭洗選、型煤、水煤漿技術等.發達國家煤炭洗選始于20世紀30年代，到90年代已實現高灰高硫原煤100%入洗，平均洗選率達50%以上，近年來已達到100%.在工藝和方法上，美、澳等發達國家普遍采用塊煤重介和跳汰分選、細粒煤螺旋分選、煤泥浮選、精煤脫水、干燥工藝等，應用重介質旋流器、螺旋分選機、搖床等設備，自動化程度高，選煤廠處理能力大，效率達95%以上[7-8].我國煤炭洗選晚于發達國家20多年.改革開放以來，我國煤炭洗選有了長足的發展，20世紀末全國原煤入洗率為22%，近年來煤炭洗選率達到60%左右.重介選煤、跳汰選煤等工藝有了較大提高，自主研發的跳汰機、重介質分選機旋流器、浮選機等已接近國際先進水平，無壓重介質旋流器、旋流靜態微泡浮選柱的研制使提升分選技術得到了發展，XJMS型機械攪拌式浮選機達到國際先進水平.但整體選煤廠自動化程度不高，處理能力不大，平均洗選率為85%左右，與發達國家有較大差距.

型煤是由粉煤或低品位煤加工制成的具有一定強度和形狀的煤制品.20世紀初，德國開始利用年輕褐煤采用高壓無粘結劑成型工藝生產褐煤磚后，陸續有熱壓成型工藝、褐煤成型兩段煉焦工藝、弱粘結煤或不粘結煤生產型焦工藝等，并迅速普及推廣，而且從未停止對型煤技術的研究.目前，生物質環保型煤技術已日趨成熟.我國從20世紀中葉開始型煤研究，工業燃料型煤研究還處在起步階段，尚未形成規模.目前工業和民用型煤開發已經形成了具有我國特點的粘結劑、低壓集中成型工藝和集中配爐前成型工藝，其中民用型煤技術已經達到國際水平，但尚需普及推廣.生物質型煤、環保固硫型煤、型煤粘結劑及煙煤型煤技術等方面也取得了進展，民用型煤、動力型煤、氣化型煤等已形成一定規模[9-10].當前，我國正重點圍繞環保型煤、生物質型煤、低變質程度煙煤型煤技術等方面開展研究.

水煤漿是20世紀70年代爆發石油危機時興起的代油新型煤基液體燃料.80年代美、澳、日、法等發達國家已開發超低灰煤、化學煤、精細水煤漿等技術.我國于20世紀80年代初開始研究水煤漿技術，經過近30年的科技攻關，已研發出高性能水煤漿添加劑，一磨機高濃度制漿工藝，低階煤環保型水煤漿、貧煤貧瘦煤石油焦制備低揮發分煤漿、褐煤制備氣化煤漿、精細油水煤漿，以及水煤漿液態化懸浮燃燒、壓縮空氣霧化精細水煤漿燃燒、流化-懸浮燃燒、多重配風旋風燃燒、催化燃燒及水煤漿低溫低氧燃燒等技術，整體技術水平已達到國際先進水平[11].針對我國低階煤儲量豐富的特點，經過多年的努力，研發出高效節能的低階煤制備高濃度水煤漿技術.該技術將多破少磨、分級研磨和優化級配的理念成功融入到制漿工藝中，將選擇性磨機和超細磨機結合，提高了煤漿堆積效率，擴大了制漿原料煤的范圍，成漿濃度進一步提高.該技術在國內成功推廣，已形成年產1 000萬t的規模[12].

2.2 燃煤發電技術

在超超臨界發電技術方面，我國已經投運的600℃超超臨界燃煤機組達100臺，超過8 000萬kW，數量和總容量居世界第一.截至目前，我國在超超臨界發電方面，已經具備制造100萬kW、25 MPa、600℃等級發電機組的基礎和能力，但600℃超超臨界機組核心元件材料全部依賴進口，同時我國在耐高溫材料基礎方面的研究與發達國家有較大差距[13].2010年起，我國成立了“國家700℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟”，設立了“國家700℃超超臨界燃煤發電關鍵技術與設備研發及應用示范”項目，旨在對700℃超超臨界燃煤發電技術進行研究，攻克技術難關，實現700℃超超臨界燃煤發電技術的自主化.這標志著中國加入了世界開發700℃超超臨界火電技術的行列.由華能集團等單位共同組織600 MW 700℃超超臨界燃煤示范電站的方案研究.該示范項目采用燃煤空冷機組，汽機側的蒸汽參數為35 MPa/700℃/720℃.2013年已完成了鍋爐爐膛的初步選型和特性參數選取，同時完成了汽水流程設計、受熱面布置以及煙氣余熱設備的設計等工作，部分取得了階段性成果[13].

在大型循環流化床方面，自2007年國產首臺300 MW循環流化床機組投入運行以來，我國大型循環流化床燃煤鍋爐技術取得了迅速發展.目前，我國突破了600 MW超臨界循環流化床鍋爐啟動調試、機組合理運行、性能及其測試等關鍵技術，掌握了超臨界循環流化床升負荷過程濕干態轉換及超臨界轉換點的特殊性.2013年我國自主研發的世界首臺最大容量600 MW超臨界循環流化床鍋爐成功投入運行.該鍋爐可使用價格低廉的劣質煤，無需加裝額外煙氣處理裝置，性能優于國外相關技術，發電效率比亞臨界循環流化床鍋爐約高4%，標志著我國在循環流化床燃燒及工程技術領域達到了世界領先水平.另外，針對燃用劣質燃料、大型超臨界循環流化床（CFB）鍋爐系列、節能型CFB鍋爐技術也在進行研發[14-15].

目前，在潔凈煤發電領域中整體煤氣化聯合循環發電系統（IGCC）發電技術被普遍認為是最具競爭力和發展前景的燃煤發電技術之一.自20世紀80年代中期第一臺整體煤氣化聯合循環電站投運以來，經過近40年的發展，全世界已建、在建IGCC電站近30座，在役純發電IGCC電站為5座.目前投入運行的單機容量最大的IGCC機組為300 MW，位于西班牙.現在IGCC發電技術正處于第二代技術的成熟階段.20世紀80年代初期，我國開始跟蹤IGCC技術的發展，90年代開始啟動IGCC示范項目的可行性研究，2007年將其列為潔凈煤發電示范工程，2009年正式開工建設，2012年265 MW機組建成投產發電，形成了具有自主知識產權的兩段式干煤粉加壓純氧燃燒氣化爐技術等多項新技術、新工藝.該技術比國外的水煤漿氣化技術和干煤粉氣化技術有著更高的轉化效率，并將該項自主技術出口[15].

2.3 煤基清潔燃料技術

煤基清潔燃料技術指煤制清潔氣體燃料、煤制油和化工品技術.“十五”以來，國家專門立題支持了多項技術內容的開發，在煤制天然氣、漿態床費托合成、煤加氫液化、煤制烯烴等方面進行了工業示范及產業化，并且煤制烯烴、漿態床費托合成、煤加氫液化等工業技術達到國際領先或先進水平.我國從20世紀70年代末開始進行煤炭直接液化技術的研究和攻關，在日本NEDOL工藝、美國HTI工藝和德國IGOR工藝的基礎上，我國開發出煤直接液化工藝技術，并建成世界唯一的百萬噸級煤直接液化裝置，經過了工業化規模和長周期運行的驗證，代表了世界煤直接液化技術的領先水平.我國煤炭間接液化技術的研究始于20世紀50年代初，重啟于80年代，目前已具備建設萬噸級規模生產裝置的技術，在關鍵技術、催化劑的研究開發方面已擁有了自主知識產權，自主研發的煤炭液化技術已達到世界先進水平.國內首個采用煤間接液化制油項目（16萬t·a-1）實現年產油18萬t，噸油煤耗、水耗及催化劑產油能力、產品選擇性等指標優異，處于國際前列.目前國內已投入示范運行的煤制油項目有5個，總規模近200萬t.煤制油技術成熟度和經濟可行性已經得到驗證，正式進入了商業化開發階段.目前，我國共有煤制油在建、擬建商業化或示范項目10個，全部15個項目投入運行后，預計將實現煤制油總產能年產1 800萬t.另外，我國已經開發出kW級燃料電池堆技術，煤炭氣化與燃料電池聯合的相關研究正在進行中.

煤制烯烴即煤基甲醇制烯烴，是比較公認的第二個新型煤化工路徑.目前國際上使用的煤制烯烴技術主要包括美國及挪威開發的MTO技術和德國開發的MTP技術.我國在吸收借鑒國外技術的基礎上，研制出甲醇制取低碳烯烴DMTO、DMTOⅡ工業化技術[16].對MTP技術的研發也取得了進展，“流化床甲醇制丙烯FMTP”技術研發運行成功，產生了具有世界先進水平和自主知識產權的新型煤化工技術.目前，我國已投入運行7個煤（甲醇）制烯烴裝置，總產能達326萬t·a-1.

我國對乙二醇的進口依賴一直在70%以上.無論是國內還是國外，都在采用煤制乙二醇技術.國外乙二醇生產的技術主要是利用合成氣草酸酯乙二醇的生產工藝.我國煤制乙二醇的研究始于20世紀80年代，2009年20萬t·a-1煤制乙二醇項目投產結束了只能采用石油技術路線生產乙二醇的歷史.目前草酸酯合成法是比較成熟的煤制乙二醇間接合成技術，很多科研機構也在不斷研制新型設備[17].目前正在研發的高壓生產草酸二甲酯工藝同與之配套的第三代羰化、加氫催化劑將在合成氣制乙二醇大型工業化和工程放大中進行示范應用，有望突破煤制乙二醇大型規?；钠款i，還可用于草酸及草酸酯的大型化改造中.目前，我國已建成7套合成氣經草酸酯路線制乙二醇項目，產能共計110萬t·a-1.預計2014年煤制乙二醇產能將達208萬t·a-1.此外，還有30多個項目處于建設、前期工作和計劃中，預計2017年煤（合成氣）制乙二醇產能將達到672萬t·a-1.

近年來，我國以煤氣化油電聯產和IGCC發電工程為依托，開展了大型煤氣化、合成氣低污染重型燃氣輪機、煤基液體燃料、系統優化集成、運行及控制等關鍵技術的研發與示范；建設了IGCC綠色煤電、新型水煤漿氣化、費托合成技術、清潔能源動力技術研究基地和煤基合成油IGCC聯產研發基地，取得了一系列創新性成果.這標志著我國在以煤氣化為基礎的多聯產及IGCC關鍵技術研發和工業示范方面取得了重大進展，具備了相關技術自主研發、系統集成和工程成套能力.

2.4 燃煤污染物控制和治理技術

我國燃煤煙塵的治理始于20世紀70年代初，最初使用的是慣性、旋風等機械式除塵器.目前，主要采用濕式除塵器、靜電除塵器或布袋除塵器.近年來，有學者針對燃燒后不能被捕獲的超細微顆粒物提出電袋耦合技術、團聚技術和水汽相變脫除技術.在對SO2的治理時燃燒前脫硫技術中的物理洗選技術得到大規模應用，燃燒中包括燃用固硫型煤、爐內噴鈣加尾部增濕活化脫硫和循環流化床技術等.燃燒后脫硫常見的有石灰、石灰石、氧化鎂法等脫硫工藝.國外已開發出上百種煙氣脫硫技術.目前，我國對20 t·h-1及以上燃煤工業鍋爐煙氣的治理主要采用一級除塵十二級脫硫裝置，并配備脫硫除塵監測系統[18].在氮氧化物治理方面，通過煙氣回流降低燃燒區局部溫度以及采用分層供風兩段燃燒等措施降低氮氧化物排放，主要的脫硝方法為選擇性催化還原法（SCR）等，同時在鍋爐上安裝低氮燃燒器、脫氮裝置等.此外，還發展了幾種多污染物協同控制技術，如活性焦一體化技術、有機催化煙氣綜合清潔技術和氧化吸收協調控制技術等[19].在脫汞方面，有以活性炭吸附為代表的吸附法、利用現有脫硫除塵裝置的脫汞法、電暈放電等離子體脫汞法、電催化氧化聯合處理脫汞法以及SCR技術等[20].我國主要采用濕法脫硫裝置去除氧化態汞，利用除塵裝置除去大部分顆粒汞，但對不溶于水的氣態汞效果不顯著.

2.5 工業鍋爐高效燃煤技術

目前我國正在使用的工業鍋爐總量約有57萬臺，容量達290萬蒸t·h-1，年用煤量6.0～6.5億t，占我國煤炭消費量20%以上，僅次于發電用煤[21].國內早在20世紀70年代就曾開發過煤粉工業鍋爐應用技術，但因煤粉制備、鍋爐自動控制、布袋除塵等配套技術不成熟或價格昂貴，專用裝備的加工工藝落后，最終放棄了對該技術的研發和應用.90年代，煤粉工業鍋爐有了初步進展，如PW型旋流式小型煤粉鍋爐.2000年，開發出0.7～7.0 MW CWNS型鍋殼式煤粉鍋爐（也稱金水鍋爐）[22].近十余年來，我國在借鑒發達國家相關技術的基礎上，成功研發出高效、節能、清潔煤粉鍋爐技術，燃盡值達98%以上，鍋爐效率達90%以上，比傳統鍋爐節煤30%～50%，節電20%.利用高倍率灰鈣循環稀相煙氣凈化技術、低溫燃燒環境與均勻的溫度場分布、袋式除塵技術等，SO2排放質量濃度≤100 mg·Nm-3，NOx排放質量濃度≤200 mg·Nm-3，煙塵排放量≤10 mg·Nm-3甚至更低，無分散地面排放造成的二次污染問題[12].目前，單機容量最大蒸噸達64 t·h-1，該技術已經在全國推廣應用，已建設完成近200臺套、1 000 t·h-1的規模.

2.6 煤層氣利用技術

我國對煤層氣開發利用起步較晚，20世紀80年代后期開始進行煤層氣勘探開發試驗，將煤層氣作為一種能源進行研究.經過多年努力，我國在煤層氣開發利用的理論和技術方面已取得實質性突破與進展，取得了一定成就，初步實現了煤層氣的規?；_發和利用.研發了井下水平定向鉆孔鉆進及多分支水平井鉆完井等重大核心技術，組建了煤層氣開發利用國家工程研究中心、煤與瓦斯治理國家工程研究中心以及煤層氣產業技術創新戰略聯盟，不斷完善煤層氣開采和利用技術[23].2011年我國實現煤層氣產量達115億m3，實際利用53億m3，預計2015年實現煤層氣產量300億m3.20世紀80年代，美國開始進行煤層氣的勘探和開發，目前已形成世界上最成熟、最完備的煤層氣開發技術體系.加拿大、澳大利亞等在借鑒美國經驗的基礎上，開發了一系列新技術，如水力壓裂改造技術、煤中多元氣體驅替技術、連續油管壓裂技術、水平井分段壓裂技術、U型井技術、多層擴孔技術、大排量氮氣泡沫壓裂技術、利用二氧化碳回收煤層氣技術等，水力壓裂改造技術在我國也得到了很好的應用[24-25].

2.7 廢物利用技術

在煤炭開采及下游加工過程中產生了大量的煤矸石.目前，我國煤矸石堆放量超過40億t.在所有的工業廢棄物中，煤矸石所占比例最大.因此，煤矸石的資源化利用具有重要價值.傳統意義的煤矸石低層次利用伴隨著煤礦的開采一直在進行，如翻矸再次選煤、利用煤矸石鋪路筑墻等.20世紀80年代以來，對煤矸石的資源化利用創新出了很多途徑，例如：煤矸石作為基建材料，用于采空區回填、塌陷區復墾、路基填料及路面基層集料；煤矸石直接作為燃料發電，目前國內煤矸石電廠裝機容量已達500萬kW，2015年將有一大批煤矸石發電項目建成投產，“十三五”期間全國可新增煤矸石發電裝機超過2 500萬kW；回收煤矸石中富含的礦物，如硫精礦、高嶺石等；以煤矸石為原料生產無機鹽類化工產品，生產結晶氧化鋁、氫氧化鋁、硫酸鋁、水玻璃、白炭黑及分子篩等[26]；利用煤矸石生產建筑材料技術已經比較成熟，如水泥、混凝土砌塊和陶粒輕骨料等；在農業方面，用于有機肥、農藥載體和改良土壤，提高產量；用于加工日用陶瓷產品、釉面磚等.從目前整體來看，煤矸石主要利用途徑是發電、生產水泥和燒磚，但利用總量較少，規模不大.

3 煤炭工業節能減排發展淺析

當前，我國正處于產業結構戰略調整和經濟發展轉型升級時期，這對煤炭工業的發展是機遇和挑戰并存.我國煤炭工業經過十余年的快速發展，取得了一系列重大成就，為國家和社會進步起著巨大推動作用.煤炭工業節能減排技術伴隨著煤炭工業的巨大發展，取得了一系列重大進步，某些方面獲得了突破甚至達到了國際領先水平.但是，從整體上看，與發達國家仍相距較遠.借鑒發達國家的技術和經驗是一條重要的途徑，走吸收引進再創新和自主創新相結合的道路是未來發展的方向.

20世紀末，美國開始制定能源及相關問題的技術發展規劃，提出了煤炭等相關行業2020年展望和目標的報告.其中，就不同行業的節能目標以及影響人類生活的各種指標制定了比較明確的技術藍圖，對技術研發的機會和價值、關鍵技術、難點和對教育的需求都做了深入的分析[27].21世紀以來，美國啟動的一系列節能項目，就是依據這些相關技術藍圖實施.這對于我國的節能減排發展，包括煤炭工業節能減排技術的發展，均具有重要的借鑒意義.

我國制定煤炭工業節能減排技術藍圖的目的在于明確煤炭工業節能減排技術研發及應用和未來的發展方向，清晰實現發展目標需要的重大關鍵技術和需要攻關的高難度問題，建立起技術與產品、市場之間的聯系，使煤炭工業節能減排技術的發展能夠按既定的路線穩步推進.

毋庸置疑，潔凈煤技術是當前乃至今后影響我國煤炭工業節能減排技術發展的主導技術之一，也契合我國產業結構轉型升級的發展戰略.雖然我國在這方面已經取得了一些實質性突破，并已有成熟的技術和示范應用，但仍無法推動全面深入推廣和應用，市場化程度不高.因此，研制煤炭工業節能減排技術發展藍圖不僅包括研發，還包括設計生產、加工制造、推廣應用、政府和市場協調推進等方面，是全方位立體的架構設想.從現有的情況來看，我國基本形成了以企業、院校和研究機構三位一體的研發格局，但未來還應加大協作力度，共同發起對重大關鍵共性技術的攻關，避免重復和人力資源的浪費；在引進吸收國外先進經驗和技術方面，不要盲目和急功近利，要選擇當今國際先進技術和引進后對我國該領域有重大推動作用的相關技術，避免陷入價格營銷和發達國家過時技術的傾銷；在技術、產品推廣應用方面，國家要盡快建立起推廣和應用節能技術與產品的機制，以利于現有的技術和產品發揮作用，形成良性循環，企業得以再次投入進行技術攻關和研發；在政府和市場方面，政府要為企業的技術和產品搭建籌融資平臺，對于具有普遍利益和只適合財政買單的技術和產品，政府要加大采購以惠及民生，同時構建靈活規范的市場機制，促進技術和產品的流動，推動其走上市場化良性機制的軌道.

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