煤的先进清洁燃烧技术介绍

作者：朝旭新能源

【摘要】中国作为世界上最大的发展中国家，每年都需要燃烧大量的煤。据可靠统计，2013年中国煤的燃烧量达到了36亿吨，比世界其他国家燃煤量的总和还要多。大量煤的燃烧不仅使中国煤炭资源急剧减少，而且严重污染了大气环境，所以发展煤的清洁燃烧技术迫在眉睫。本文从煤的污染物的产生原因和防止措施出发，详细介绍了当前比较先进的煤炭清洁燃烧技术。

【关键词】煤燃烧清洁

一、引言

燃烧是当今世界的主要能源来源，超过85％的全球一次能源消费都是由化石燃料的燃烧提供的。然而，全球能源需求量的不断增长与有限的化石能源储量之间存在着严重的矛盾，从而引发了一系列政治、经济和社会问题；化石燃料燃烧所排放的大量颗粒物、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等大气污染物还会影响环境安全和人类健康。因此，如何实现高效清洁的燃烧已经成为包括我国在内的世界各国所面临的重大问题。

二、直接燃煤是我国城乡大气污染的主要原因

由于传统的燃煤方式和煤炭加工过程中产生大量的污染物，必然会导致严重的大气污染、酸雨和水污染，甚至造成生态环境与自然植物的破坏，特别是以煤为主要能源的动力燃料的消耗。每年我国电站锅炉、工业炉窑与工业锅炉，仅发电与其它工业耗煤就占了煤炭总消费量的2／3左右，而用于民用生活仅占1／10左右，用于城市供热的占不到1／20。因此，长期以来我国在能源生产与消费中，以煤炭作为主要能源而直接燃烧，又正是造成我国严重大气污染的主要原因之一。

三、煤粉富氧燃烧技术

燃烧中碳捕集即富氧燃烧技术，它是在现有电站锅炉系统基础上，用高纯度的氧气代替助燃空气，同时辅助以烟循环的燃烧技术，可获得高达富含80％体积浓度的C0₂烟气，从而以较小的代价冷凝压缩后实现C0₂的永久封存或资源化利用：具有相对成本低、易规模化、可改造存量机组等诸多优势，被认为是最可能大规模推广和商业化的CCUS技术之一。其系统流程：由空气分离装置(ASU)制取的高纯度氧气(0₂纯度95％以上)，按一定的比例与循环回来的部分锅炉尾部烟气混合，完成与常规空气燃烧方式类似的燃烧过程，锅炉尾部排出的具有高浓度C0₂的烟气产物，经烟气净化系统(FGCD)净化处理后，再进入压缩纯化装置(CPU)，最终得到高纯度的液态C0₂，以备运输、利用和埋存。

国际能源署在减少温室气体排放的研究与开发计划中明确指出，在全球能源与电力生产如此多样化的今天，不能仅用一种方法来达到减少和控制 CO₂排放的目的，应采用不同的方法或相互的结合来适应各种不同的燃料资源、环境和地区的具体条件。从技术创新角度来说，可采用提高电站的效率、采用超高参数的发电机组、联合循环等方法; 而从燃煤烟气产物中捕集CO₂、储存和利用这些高浓度 CO₂被认为是近期内减缓CO₂ 排放的根本方法，也是真正实现无碳化、低碳化较为可行的措施与技术。中国在发展空间受制、减排压力不断增大的严峻挑战下，积极推动温室气体减排与控制技术的研究与应用尤为重要。

四、浓淡燃烧技术

煤粉浓淡燃烧技术是指通过一定的措施把一次风分成煤粉浓度高的浓气流和煤粉浓度低的淡气流喷入炉内进行燃烧。理论和实践均证明：采用浓淡燃烧技术可提高煤粉着火的稳定性和有效地降低 NOx 排放量。

NOx 生成机理：

再燃区：
XN+NO →N₂+XN CH+NO →XN（ NH₃＋NO＋HCN）
燃尽区：
XN＋NO →N₂＋NO XN＋NO →N₂＋HCN XN＋NH3 →NO＋N₂
从水平浓淡燃烧器的燃烧过程来看，浓侧煤粉气流先着火，然后是淡侧气流的混入，然后才是与二次风的混合，因此从燃烧过程看，它属于分级燃烧，有利于降低锅炉机组的 NOx 排放量；一次风煤粉气流经过浓缩器分离后，浓侧煤粉气流内浓度高，含粉量大，空气量变化不大，浓侧一次风气流中的空气量仅仅能维持煤粉内挥发份的着火和燃烧，燃料相对较多，即过量空气系数小，属于缺氧燃烧，燃烧温度低，故燃料型 NOx 和热力型 NOx 都低，因而能大大降低NOx 的排放量；而在淡侧由于空气量相对较大，属于富氧燃烧，燃烧温度也低，热力型 NOx 生成也少。这样水平浓淡燃烧器就能从总体上控制热力型 NOx，降低锅炉机组的 NOx 等污染物的排放量，根据研究，采用分级燃烧，最高可降低 NOx 30%~40%。经工业性试验表明，对于不同的煤种，采用水平浓淡煤粉燃烧技术可以将 NOx 的排放量控制在以下范围：无烟煤 <650mg/m_n³，贫煤 <550mg/m_n³，烟<450mg/m_n³，达到国家排放标准。

五、催化法脱硫（催化剂梯级再生）

催化法烟气脱硫技术是在传统的炭法脱硫技术的基础上发展而成的。由四川大学采用特殊工艺技术，开发出低温高催化活性的朝旭催化剂及脱硫工艺与设备，集成为新型催化法烟气脱硫成套技术。该技术的开发成功改变了我国烟气脱硫环保产业现状，为广大用户提供了独创的具有自主知识产权的技术。新型催化法基本原理，烟气中的SO_２_、H_２O、O_２被吸附在催化剂的孔隙中，在活性组分的催化作用下变为具有活性的分子，同时反应生成H_２SO_４_，催化反应生成的硫酸富集在催化剂孔隙内，当脱硫一段时间，孔隙能在硫酸达到饱和后再生，释放出催化剂的活性位，催化剂的脱硫能力得到恢复。生成的副产品H_２SO_４以不同浓度返回工艺系统，最终制得硫酸溶液，无有害物质进入环境中。

其脱硫反应原理如下:

SO_２（ｇ） →SO_２* （1）
O_２（ｇ） →O_２ * （2）
H_２O（ｇ） →H_２O* （3）
SO_２ * ＋1/2O_２ * →SO_３* （4）
SO_３ * ＋H_２O* →H_２SO_４ * （5）

式中* 代表吸附态。

朝旭催化法脱硫工艺流程见图１

脱硫塔经过再生后是可以反复循环使用的，这是新型催化法最大的技术优势。循环使用使得该技术运行成本远远低于其他脱硫技术。

六、结束语

中国是一个能源大国，但又是一个能源贫国。中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。而且，能源结构的组成75％以上是煤，从传统的能源消费与开采情况看，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占全世界煤产量的1/4。中国的煤炭资源有量超过一万亿吨，居世界第三位，再加上地下1500米以内的深层资源，总量估计可达5万亿吨，从而成为我国分布最广，最为丰富的矿物能源。因此，在相当一段时间内我国以煤为主的能源结构将不会改变，煤炭仍然将是当今和今后中国能源的一个最重要的组成，所以煤的清洁燃烧技术的研究与应用对我国发展的意义是不言而喻的。

七、拓展一种水基燃烧新技术及其清除海洋油污应用

基于海水的长时间燃烧技术原理
提出的基于海水的长时间燃烧新技术，是一种二元激活式的水基燃烧技术。它同时以使用海域的海水和空气为激活条件而引发预设的燃烧，并且无需额外的点火装置，仅利用其自身特定的化学自持点火扳机反应，在使用区域的气水界面自行引燃。该技术的核心部分，主要包括主剂反应、副剂反应、燃烧程度和安全性等部分。
⑴主剂反应
选择特殊性能的主剂，与天然海水发生化学反应，以产生燃烧所需的大量易燃气，并且可通过对主剂粒径分布的设计，来控制易燃气的生成速率与反应持续时间。
⑵副剂反应
选择特种材料作为副剂，按一定比例掺杂在主剂中，起“点火扳机 ”的作用，副剂与水反应生成点火气体，同时提供点火能量，从而在水-气两相界面处发生“点火反应 ”放热燃烧产生明火，引燃水上的易燃气体。
⑶燃烧程度
通过对副剂外层进行覆膜等处理，利用不同的覆膜厚度，可控制点火时间的长短，结合不同粒径主剂反应与连续的副剂点火反应形成的持续燃烧，或通过较小粒径的主剂和单一覆膜厚度的副剂组成的由短暂、强烈的主剂反应和集中的副剂点火反应形成的剧烈燃烧。
⑷安全性
该技术使用天然海水与空气作为二元激活组分，即缺少其中任一组分都不会发生燃烧或爆炸，从其技术原理上即可以保证使用安全可靠，而且可保证使用后的残留物与海水天然组分一致，因此还能实现环境友好。

上述原理表明，该燃烧技术易于有效形成强度与范围可控、作用时间可调、不受天气条件影响的水基燃烧，并可通过空中、水面或水下投放等多种方式使用，具有成本低廉、使用后残留物又无污染或者低污染等优越性。特别是，其最重要的持续燃烧时间这一关键特性可实现人为控制，这是由以下两方面原因决定的:一是其易燃气体可实现长时间持续供给，这是它的火焰可以持续存在的原料基础。根据某易燃气体在空气中的燃烧速率和某主剂水化反应速率，可得出维持持续燃烧所需的主剂总量，也就是说主剂的总量是直接决定火焰持续存在的时间长短。二是其点火扳机可实现长时间的持续点火作用，这是确保其火焰持续存在的重要条件。显然，有了易燃气体的长时间持续供给这一前提，再要确保其火焰一定能够持续存在，便可通过其点火扳机在该时段内一直进行副剂强烈的水化反应而释放能量产生明火。前述水基燃烧原理表明，通过对副剂的覆膜等处理，完全可以满足这一需求。
正是因为该技术的燃烧持续时间可根据需求进行设定，保证实现长时间的持续燃烧，从而可对海洋油污层进行不断加热和点燃，确保即使对厚度很小的油层也可使其燃烧殆尽，达到有效清除的目的。