潔凈煤(CleanCoal)一詞是潔凈80年代初期美國和加拿大關于解決兩國邊境酸雨問題談判的特使德魯劉易斯(Drew Lewis,美國)和威廉姆戴維斯(WilliamDavis,煤技加拿大)提出的潔凈。潔凈煤技術(Clean Coal Technology,煤技簡稱CCT)的潔凈含義是:旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、煤技轉化和污染控制等新技術的潔凈總稱。當前已成為世界各國解決環境問題主導技術之一,煤技也是潔凈高技術國際競爭的一個重要領域。
由于中國煤炭開采和利用的煤技特點決定,中國潔凈煤技術領域與國外潔凈煤技術領域重點放在燃燒發電技術上有所不同,潔凈含蓋從煤炭開采到利用全過程,煤技是潔凈煤炭開發和利用中旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、煤技轉化和污染控制等新技術的潔凈總稱。
按照國務院1997年批準的《中國潔凈煤技術九五計劃和2010年發展規劃》,中國潔凈煤技術包含四個領域、十四項技術:
1) 煤炭加工領域:選煤、型煤、水煤漿;
2)煤炭高效燃燒與先進發電技術領域:CFBC、PFBC、IGCC;
3)煤炭轉化領域:氣化、液化和燃料電池;
4)污染排放控制與廢棄物處理領域:煙氣凈化、電廠粉煤灰綜合利用、煤層氣的開發利用、煤矸石和煤泥水的綜合利用。
煤炭加工是指在原煤投入使用之前,以物理方法為主對其進行加工,這是合理用煤的前提和減少燃煤污染的最經濟的途徑。主要包括煤炭洗選、型煤、水煤漿制備。常規的物理選煤可除去煤中的60%的灰分和約50%的黃鐵礦硫。煤炭經洗選可大大提高燃燒效率,大大減少污染物排放,入選1億噸原煤一般可減少燃煤排放的SO2,100~150萬噸,成本僅為洗滌煙氣脫硫的十分之一。型煤是具有發展中國家特點的潔凈煤技術,與燒散煤相比,可節煤20%~30%,減少黑煙排放80%~90%,顆粒物減少70%~90%,S02減少40%~60%;水煤漿是新型的煤.代油燃料,優質煤制成水煤漿其灰分小于8%,硫分小于1%,燃燒效率高,煙塵、S02、NOx等排放都低于燃油和散煤,一般1.8~2.1噸水煤漿可代替1噸重油。
煤炭高效、潔凈燃燒與發電技術是潔凈煤技術的核心。從煤炭中獲取能量主要靠燃燒,目前以循環流化床鍋爐(CFBC)的適應煤種廣,燃燒效率高,且易于實施床內脫硫,與常規粉煤鍋爐比S02、NOx,可減少50%以上,較采用粉煤鍋爐加凈化裝置可節約投資10%~15%。CFBC(包括常壓AFBC、增壓PFBC)是近年來國際上競相發展的潔凈燃燒技術;發展高效低污染粉煤燃燒(先進的燃燒器)應以穩燃、高效、低污染和防結渣作為開發燃煤技術與燃燒器的目標;燃煤聯合循環發電包括煤氣化聯合循環發電(1GCC)和增壓流化床聯合循環發電(PFBC—CC等)是新—代高效、潔凈燃煤發電技術。IGCC電廠供電效率可達50%~52%,脫硫率可達99%,NOx排放只有常規電廠的15%~30%、耗水只是常規電廠的1/3到1/2。
煤炭轉化是指以化學方法為主將煤炭轉化為潔凈的燃料或化工產品,包括煤炭氣化、煤炭液化和燃料電池。煤炭轉化以氣化為先導,以碳一化工為重點,走燃料化工和煤深加工的技術路線。作為化工原料,煤化工在芳烴生產方面有石油化工和天然氣化工所不具備的優勢。煤炭氣化包括完全氣化、溫和氣化(低溫熱解)和地下氣化是實現煤炭潔凈利用的先導技術和主要途徑。多年來針對不同用戶開發了多種氣化工藝。從發展趨勢看應優選煤種適應廣、技術先進的流化床和氣流床氣化技術;煤炭液化是將煤在適宜的反應條件下轉化為潔凈的液體燃料和化工原料。工藝上分為直接(加氫)液化和間接(先氣化)液化和由直接液化派生的.煤油(廢塑料等)共煉工藝。發展替代液體燃料是一項帶戰略意義的任務;燃料電池是直接將資料的化學能轉化為電能的技術,目前國際上已經開發出數種不同類型的燃料電池,主要用于航天器的動力,使用的主要燃料為氫氣和甲烷氣。
污染排放控制與廢棄物處理:工業污染防治要逐步從生產末端治理轉到源頭和生產全過程的控制,把分散治理與集中控制結合起來,把濃度控制與總量控制結合起來,并把燃煤所造成的污染放在突出位置。因此,對煤炭開發利用中產生的污染和廢棄物進行控制和處理是實現國家環保目標使煤炭成為高效、潔凈、可靠能源的重要環節。煙氣凈化是清除煤炭燃燒產生的煙氣中的有害物質(灰塵、S02、NOx)。在我國燃煤鍋爐排放的煙塵、二氧化硫、氮氧化物是空氣污染的主要原因。從各個環節脫除煤中的硫是潔凈煤技術的重要內容。
廢棄物處理主要包括對煤炭開采和利用過程中所產生的矸石、煤層甲烷、煤泥、礦井水及燃煤電站所產生的粉煤灰等進行處理。這些污染物的大量排放既污染環境,又造成了資源的浪費。國外對煤矸石的處理有比較健全的法規和管理辦法,基本實現了無害化處理。主要用途是回填采空、作為建筑工程填料、筑路造地、回收有用成份及作燃料、建筑材料和改良土壤等用。我國礦區煤矸石每年的排放量約為1.5~2億噸,主要利用途徑是發電、生產水泥和燒磚,但利用總量較少。煤層甲烷(又稱煤層瓦斯或煤層氣)是與煤共生,開采煤炭時從煤體內析出。它是一種優質能源,但同時又是煤炭開采的一種主要災害,其大量排空對全球環境變化(溫室效應)有較大影響。目前世界上主要產煤國對煤層甲烷的資源化開發利用程度較高,主要方法是地面鉆井開采。美國1993年煤層氣的產氣井有5000余口,產氣量達到207億立方米。我國煤層氣的開發利用程度還很低,主要是采取井巷抽放,但氣體利用價值低,地面開采尚處于探索研究階段,正在開展示范工程并與國外進行合作勘探。
粉煤灰是燃煤電站排出的固體廢棄物,歐美發達國家的大型電廠已將煙氣凈化。灰渣干排、干灰調濕等納入電廠規劃,達到既清潔發電又使粉煤灰資源化,粉煤灰被大量應用于筑路、生產水泥和優質混凝土、制磚及其它建材,并將粉煤灰大量用于建筑高速公路。中國粉煤灰研究和利用的重點是大用量方向,如摻于混凝土中建橋、建壩、高層建筑底板、核發電站的安全殼等,正在建設中的三峽工程預計用粉煤灰量達133.8萬噸。更大量的利用在于修筑高等級公路,已推廣于滬寧、京深及京冀公路建設。還用于礦區回填、農業上改良土壤、墻體材料燒結磚、混凝土、粉煤灰水泥等。我國煤礦大量礦井水外排與礦區嚴重缺水局面并存,如我國有約70%的礦區缺水甚至嚴重缺水,隨著煤礦城市社會、經濟的迅速發展,煤炭生產基地的戰略西移,水資源的供需矛盾將日趨緊張。許多礦井水含有大量懸浮物及少量有害元素。因此,最大限度地處理和凈化礦井水,使之資源化,對減少礦區環境污染、緩解干旱缺水地區用水緊張情況起到積極作用。目前,主要的礦井水處理方法有混凝沉淀法、電滲析法、反滲透法和中和法。混凝沉淀法主要用于處理含懸浮物礦井水;電滲析法和反滲透法用于處理高礦化度礦井水;中和法是處理酸性礦井水最常用的一種方法。