清洁能源概论-第九章-清洁煤技术课件.pptx

1、9.1 概述概述9.2 9.3清洁煤技术（清洁煤技术（clean coal technology）：）：是指在煤炭从开发到利用全过程中，旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化和污染控 制等新技术的总称，它以煤炭分选为源头，以煤炭转化为先导，以煤炭高效、清洁燃烧 和发电为技术核心，其根本目标是减少环境污染和提高煤炭利用效率。煤炭加工煤炭加工：选煤、配煤、型煤和水煤浆技术等；煤炭煤炭高效清洁燃烧及先进发电高效清洁燃烧及先进发电技术技术：循环流化床发电技术、联合循环发电技术等；煤炭转化煤炭转化：煤炭气化、液化、多联产、燃料电池等；污染污染控制与废物资源化控制与废物资源化利用利用：汞的脱除，

2、CO2 捕集、利用和封存，烟气净化，粉煤灰和煤矸石综合利用，矿井水利用，煤层气开发利用等。9.1.1 清洁煤技术的概念、特点与分类一、清洁煤技术的概念9.1.1 清洁煤技术的概念、特点与分类洗选煤、型煤、配煤和水煤浆技术，可有效减少原料煤的含灰量和含硫量，实现燃烧前的脱硫降灰。如采用先进选煤技术可将原煤灰分降低50%80%，脱除黄铁矿硫60%80%。用户燃用固硫型煤，可减少30%40%的SO2 排放，70%90%的烟尘排放。通过煤炭转化技术还可把煤转化为清洁的液体、气体燃料，实现煤炭资源清洁利用和节 能减排。采用先进的煤炭燃烧技术，可有效提高热效率，如先进的工业锅炉技术可将锅炉热 效率提高20

3、%。通过燃前提质技术，提高热效率，如电厂和工业锅炉燃用洗选煤，热效率 可提高3%8%。发展煤炭行业在调整产业结构中，可通过大力发展 先进的煤炭加工技术(选煤、配煤、水煤浆等)和加大煤炭就地转化(发电、气化、液化 等)，增加企业经济效益；其他用煤行业，通过广泛采用先进的燃煤技术和煤炭转化技术，将有效提高能源效率，降低污染，提高企业整体水平。有效减排污染物有效减排污染物实现资源综合利用实现资源综合利用利于保障利于保障能源安全能源安全利于调整利于调整产业结构产业结构国家能源资源条件和现有经济条件不足以支撑大规模用油、气作为一次能源。煤炭价格及各项煤炭利用技术的运行成本大大低于石油和天然气，有利于中国

4、清洁能源技术的发展及长远的能源安全。一、清洁煤技术的概念9.1.1 清洁煤技术的概念、特点与分类清洁煤技术分类技术名称煤炭燃烧前净化技术选煤、型煤、水煤浆煤炭燃烧中净化技术低污染燃烧、燃烧中固硫、流化床燃烧、涡流燃烧煤炭燃烧后净化技术烟气净化、灰渣处理、粉煤灰利用煤炭转化煤气联合循环发电、煤气化、煤的地下气化、煤的直接液化、燃料电池、磁流体发电煤系共伴生资源利用煤层气资源开发利用、煤层伴生水（矿井水）利用一、清洁煤技术的概念9.1.2 清洁煤技术的发展概况20世纪世纪80年代年代初期，初期，美国率先提出了洁净煤技术，着重关注二氧化硫和氮氧化物减排及煤粉锅炉提效技术的商业化应用，基本目标是保障能

5、源稳定供应，降低对石油的依赖；提高能源供应与消费效率；以提高效率及使用清洁能源为前提，实现减少污染、保护和改善环境的目标。20世纪世纪90年代，年代，日本、德国、澳大利亚、苏联及中国也成立了国家洁净煤技术研究机构，制定了相应计划，如欧共体的“兆卡计划”、日本的“新阳光计划”、中国的中国洁净 煤技术“九五”计划和2010年发展纲要。我国化石能源我国化石能源分布，分布，“富煤、贫油、少气”，煤炭储量约占化石能源资源探明总储量的90%。在今后很长时间内煤炭作为我国主要能源资源的地位不会改变。大力推广清洁煤技术是我国能源发展的必然选择。流化床燃烧流化床燃烧技术技术分为：鼓泡流化床燃烧技术和循环流化床燃

6、烧技术。鼓泡流化床鼓泡流化床：当空气速度高于床料的临界流化速度时，空气以气泡形式穿过床层，床层粒子呈鼓泡流化状态。流化速度小于3.5 m/s。循环流化床循环流化床：布置有高温或中温分离器，可将未燃尽的煤分离，经返料器送回床层继续燃烧。除了分离器难以分离的极细颗粒外，其余颗粒都要经历几次、几十次、甚 至上百次的循环燃烧大大增加了颗粒在床层内的总的停留时间，以保证充分的燃尽；流化速度通常为310 m/s，甚至超过10 m/s。9.2.1 循环流化床燃烧技术 一、流化床燃烧技术的概念和分类图9-1 循环流化床燃烧技 术基本原理示意图9.2.1 循环流化床燃烧技术 二、循环流化床燃烧技术的基本原理基本

7、组成：基本组成：炉膛(燃烧室)、分离装置、返料器装置。工作原理：工作原理：燃料和脱硫剂石灰石在燃烧室的下部给入，燃烧用的空气分为一次风和二次风，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。风速一般为5-8 m/s，使炉内产生强烈的扰动。细颗粒被分离器下端的返料器装置送回炉膛循环燃烧；烟气和未被分离捕捉的细颗粒物进入尾部烟道冷却，经烟气净化除尘处理后排入大气。9.1.1 清洁煤技术的概念、特点与分类燃料适应性广燃烧效率高燃烧强度大易于操作维护污染物排放量低灰渣便于综合利用已经成功燃烧过任何类型的煤。循环流化床为湍流床或快速床，炉内混合强烈，且煤料反复循环，具有足够长的反应时间，因此煤的燃烧效

8、率很高，一般为97.5%99.5%。循环流化床的操作速度是鼓泡床的35倍，炉膛截面热负荷远大于鼓泡床，因此炉膛截面积可大大减小，容易实现大型化。燃烧温度低，灰渣不会软化黏结，不会出现炉内结渣，腐蚀性小。在炉膛布置二次风，采用分级燃烧，氮氧化物的生成量显著下降，排放量低于0.02%；脱硫剂石灰石的脱硫效率可达90%以上；低温燃烧形成的多孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，使烟气中重金属含量降低。飞灰和底灰含碳量低，可用作建筑材料。三、循环流化床燃烧技术的优点9.2.1 循环流化床燃烧技术 三、循环流化床燃烧技术的缺点9.2.1 循环流化床燃烧技术 1.循环流化床炉膛内的颗粒浓度高，空气流速大，在分

9、离器之前对流受热面的磨损严重，将会限制循环流化床中烟速的提高。2.循环流化床中气固系统存在快速床流化态，在850900 的循环系统中快速循环，一旦循环系统运行不正常，烟温偏高时就会产生结渣，影响循环流化床系统的正常工作。3.初期投资较高，烟速高、床截面小，必须增加炉膛的高度以满足必要的受热面；分离器尺寸庞大、造价高；锅炉自身耗电量大。生物质生物质与煤的混合与煤的混合燃烧燃烧分为：直接混合燃烧和间接混合燃烧。根据混合燃料给料方式混合燃料给料方式的不同，直接直接混合燃烧混合燃烧有三种情况：生物质与煤使用同一加料设备及燃烧器。生物质与煤使用不同的加料设备和相同的燃烧器。生物质与煤使用不同的预处理装置

10、与不同的燃烧器。根据混燃原料混燃原料的不同，间接间接混合燃烧混合燃烧可分为两类：生物质气与煤混燃:生物质气化后产生的生物质燃气输送至锅炉与煤一起燃烧。生物质焦炭与煤混燃:生物质转化为焦炭，然后将生物质焦炭与煤混合燃烧。9.2.2 生物质与煤混合燃烧与气化技术一、生物质与煤混合燃烧的主要方式1.2.1 清洁能源利用状1.CO2的排放量减少的排放量减少：生物质光合作用吸收的CO2与燃烧排放的CO2 量相等，因而生物质与煤混合燃烧是一种有效的CO2减排手段。2.NOx的排放量的排放量减少减少：生物质中挥发分含量高，在低温下迅速挥发与O2 反应，有利于还原性物质对NOX的分解；生物质的含氮量比煤少，且

11、生物质中的水分使燃烧过程冷却，减少NOx 的热形成；燃烧过程中生物质易释放出NH3，能够将混合燃烧中生成的NO还原为N2，降低NOx 排放。3.SO2 的的排放量排放量减少减少：大部分生物质含硫量极少或不含硫，多数生物质灰分中的碱金属或碱土金属氧化物，能够与SO2反应生成硫酸盐，起到固硫作用。二、生物质与煤混合燃烧的优势9.2.2 生物质与煤混合燃烧与气化技术1.2.1 清洁能源利用状三、生物质与煤共气化过程中的协同作用9.2.2 生物质与煤混合燃烧与气化技术协同作用机理：协同作用机理：1.碱金属氧化物与碱土金属氧化物碱金属氧化物与碱土金属氧化物在生物质灰分中的含量远高于其在煤灰分中的含量；2

12、.碱金属与碱土金属元素对燃烧有促进作用对燃烧有促进作用；3.在生物质与煤混合燃烧过程中，混合燃料中的生物质首先燃烧并产生生物质灰分，灰分中高浓度的碱金属与碱土金属元素的存在会对煤的燃烧起到一定的催化作用催化作用，使煤的着火与燃尽得到改善，燃烧效率提高。因此，将生物质与煤按一定比例混合共气化既克服了生物质单独气化过程中的各种问题，又可弥补煤炭资源的短缺，且生物质灰分中碱金属及碱性物质含量较高，可以增强煤的反应活性和对硫的脱除能力。1.2.1 清洁能源利用状四、生物质与煤共气化技术的应用9.2.2 生物质与煤混合燃烧与气化技术 生物质与煤共气化制氢技术生物质与煤共气化制氢技术优点优点:单纯生物质气

13、化产物中焦油含量高，煤和生物质混合能提高固定碳含量并降低挥发分含量，减少气化焦油堵塞管网的风险；生物质与煤共气化，以O2 作气化剂，提高了产品气中H2 的含量；煤气化制氢技术相对成熟，但煤资源同样是化石能源，资源有限，在煤炭中引入生物质，既减少了煤资源的使用，也为生物质资源的利用创造了机会；采用生物质与煤共气化制氢，可利用现有的煤气化制氢设备，降低了设备投资。生物质与煤共气化发电技术生物质与煤共气化发电技术该部分内容已在第六章第二节中进行介绍，在此不再赘述。1.2.1 清洁能源利用状一、气化技术原理9.2.3 煤的先进气化技术 煤的气化技术概述煤的气化技术概述：在特定的设备内，一定温度及压力下

14、，使固体燃料（煤、半焦、焦炭）或液体燃料（水煤浆）与气化剂（空气、富氧空气、O2、水蒸气或CO2 等）发生一系列化学反应，将固体或液体燃料转化为含有CO、H2、CH4 等可燃气体和CO2、N2 等非可燃气体的过程。气化过程气化过程发生的反应：发生的反应：煤的热解热解、气化气化和燃烧燃烧。煤的热解：煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧：非均相气-固反应和均相的气相反应。煤气化过程的实质：煤气化过程的实质：将不方便储运和加工处理、难以脱除无用组分且易污染环境、难燃烧和反应完全的固态煤炭，甚至是劣质燃料，转化为洁净的、方便使用且燃烧效率高的气态燃料和合成气的过程。1.2.1 清洁能源

15、利用状一、气化技术原理9.2.3 煤的先进气化技术煤的气化共包括以下几个阶段煤的气化共包括以下几个阶段:1.煤炭干燥脱水；2.热解脱挥发分；3.热解半焦的气化反应。如图9-2：图9-2 煤气化一般过程1.2.1 清洁能源利用状二、煤气化技术主要工艺9.2.3 煤的先进气化技术煤气煤气化技术化技术主要有：固定床固定床、流化床流化床和气流床气流床技术。(1)固定床气化技术固定床气化技术气化过程中，采用一定块径的块煤或成型煤为原料与气化剂逆流接触，用反应残渣和生成气的显热分别预热入炉的气化剂和煤。相比于气体的上升速度，煤料下降可视为固定不动，因此称固定床气化。2)流化床气化技术流化床气化技术当气体或

16、液体以某种速度通过颗粒床层而足以使颗粒物料悬浮，并能保持连续的随机运动状态时，便出现了颗粒床层的流态化。煤料层内几乎没有温度和浓度梯度，煤料层内温度均一，气化效率高。(3)气流床气化气流床气化技术技术将煤浆或煤粉颗粒与气化介质通过喷嘴高速喷入气化炉内，利用流体力学中射流卷吸机理，射流引起卷吸和高速湍流，强化气化炉内的混合，有利于气化反应的充分进行，因此又称射流携带床。1.2.1 清洁能源利用状一、地下煤气化技术基本原理9.2.4 先进地下煤气化技术 煤炭地下气化煤炭地下气化(UCG)：将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用和化学作用产生可燃气体，综合开发清洁能源和生产化工原料。

17、基本原理（基本原理（图图9-3）：）：煤炭地下气化过程中，气体燃料的产生是在气化通道的三个反应区实现的：氧化区、还原区和干馏干燥区。图9-3 煤炭地下气化原理1.2.1 清洁能源利用状9.2.4 先进地下煤气化技术 煤炭地下气化过程基本原理：煤炭地下气化过程基本原理：在氧化区：在氧化区：主要是作为气化剂的氧与煤层中的碳发生化学反应，产生大量的热，使煤层炽热并蓄热。在还原区：在还原区：主要是CO2、H2O 与煤在高温下相遇，使CO2 还原为CO、H2O 分解为H2和O2、C生成CO。当气化通道处于高温时，无氧的高温气流进入干馏干馏干燥干燥区区，热作用使煤中的挥发分析出形成焦炉煤气。气化剂与煤经过

18、气化通道气化后主要转化成含有可燃气体组分CO、H2、CH4 的煤气。煤炭地下气化的煤炭地下气化的基本基本工艺流程：工艺流程：先从地面向煤层钻井，构建垂直钻孔或定向钻孔，并使钻孔与煤层内部连通，形成气化反应通道；之后在通道一侧的煤层内点火，从钻孔的一端注入气化剂，气化剂与煤在气化通道内发生化学反应生成煤气，生成的煤气从其他钻孔排出。一、地下煤气化技术基本原理1.2.1 清洁能源利用状9.2.5 富氧燃烧及CO2回收减排技术富氧燃烧技术富氧燃烧技术基本工作基本工作原理原理（图9-4）：将空气分离获得的高纯度O2(95%以上)与锅炉的部分循环烟气按一定的比例混合代替空气，完成燃烧，烟气净化装置尾部排

19、出高浓度CO2 烟气，再进入冷凝脱水与压缩纯化装置，最终得到高纯度的液态CO2，以备运输、利用和封存。一、富氧燃烧技术基本工作原理图9-4 富氧燃烧技术的基本工艺流程示意图1.2.1 清洁能源利用状9.2.5 富氧燃烧及CO2回收减排技术 富氧燃烧方式的优越性富氧燃烧方式的优越性：1.富氧燃烧，烟气中CO2的浓度高；2.煤通过分级送风燃烧，NOX的生成量显著减少；3.富氧燃烧过程中由于O2 浓度高，可以促进燃料的完全燃烧，减小飞灰可燃物含量，提高燃料的燃烧效率；由于部分烟气参与再循环，使锅炉的排烟量大幅减小、排烟损失降低并且除尘脱硫设备的负荷及耗电量下降。4.对不同种类的燃料，采取富氧燃烧方式

20、的经济性也不同。从经济上讲，以CO2捕集为目的的富氧燃烧方式更适用于燃煤发电锅炉。一、富氧燃烧技术的优势1.2.1 清洁能源利用状9.2.5 富氧燃烧及CO2回收减排技术造成全球气候变暖的根源CO2、CH4、N2O 等温室效应气体。吸收法：物理吸收法和吸收法：物理吸收法和化学吸收法。化学吸收法。物理吸收法：只适合于CO2 分压较高的场合，且分离程度不高。化学吸收法：适合CO2分压低的场合，但再生能耗高。吸附吸附法：法：物理吸附物理吸附法和化学吸附法法和化学吸附法物理吸附法：较适用于CO2体积比为20%-80%的各种工业气体。化学吸附法：碱金属和碱土金属的碳酸盐和氧化物。气体分离气体分离法：法：

21、低温分离低温分离法和法和膜分离膜分离法法低温分离法：改变压力和温度使CO2变为液态，实现有效分离。膜分离法：各组分渗透速率不同，实现混合气体各组分之间的分离。二、CO2回收减排技术1.2.1 清洁能源利用状9.2.5 富氧燃烧及CO2回收减排技术电力系统中，发展电力系统中，发展CO2捕集捕集技术的技术的意义意义：电力系统中排放源集中，CO2排放强度大。因此，在电厂进行CO2捕集是实现碳减排最有效的途径之一，也是当前发展碳捕集、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技术最具挑战的环节之一。基于发电系统的CO2捕集技术主要分为燃烧后燃烧

22、后捕集捕集、燃烧前捕集燃烧前捕集和富氧燃烧富氧燃烧3类，关于CCUS技术的内容将在第十三章中介绍，在此不再赘述。三、CO2捕集技术1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用一、煤炭分级转化多联产技术及分类整个整个系统的资源利用、总体生产效益的最大化和系统的资源利用、总体生产效益的最大化和 污染物排放的最小污染物排放的最小化化。以煤完全气化为基础的多联产以煤完全气化为基础的多联产技术技术(图图9-5)将煤在一个气化单元内完全转化，将固相煤转化为合成气，用于燃料、化工原料、联合循环发电及供热制冷，进而联产多种高品质产品。以煤部分气化为基础的多联产技术以煤部分气化

23、为基础的多联产技术(图图9-6)针对煤中不同组分实现分级利用，将煤部分气化后所得的煤气用作燃料或化工原料，剩下的半焦通过燃烧加以利用。以煤热解气化为基础的多联产技术以煤热解气化为基础的多联产技术(图图9-7)把煤先加入热解气化炉经热裂解析出挥发分，所产生的热解气可以作为工业用气、民用煤气。1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用 以煤完全气化为基础的多联产技术一、煤炭分级转化多联产技术及分类图9-5 以煤完全气化为基础的多联产系统1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用一、煤炭分级转化多联产技术及分类 以煤部分气化为基

24、础的多联产技术图9-6 以煤部分气化为基础的多联产系统1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用一、煤炭分级转化多联产技术及分类 以煤热解气化为基础的多联产技术图9-7 以煤热解气化为基础的多联产系统1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用二、以发电为主的煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用技术煤炭煤炭分级转化多联产技术特点分级转化多联产技术特点：将煤炭视为能源与资源的共同体，通过有机结合热解、气化、燃烧和合成等技术工艺，将煤炭中反应活性差异大的物质进行分级转化，在同一系统中实现气体和液体燃料、化学品、热量、电力等产

25、品的联产。煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用技术的基本原理煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用技术的基本原理：在燃煤发电过程中首先将煤炭中容易热解、气化的轻质组分部分转化为煤气和焦油。然后提取难热解气化的富碳半焦，用于炼钢、制取活性炭或燃烧提供热电。最后将转化后的灰渣进行回收利用，从而在同一系统中获得低成本的煤气、焦油和蒸汽。1.2.1 清洁能源利用状9.2.6 煤热解气化半焦燃烧分级转化及灰渣综合利用三、意义工艺简单先进燃料适应性广工艺参数要求低，设备投资低运行成本低高温半焦直接燃烧利用易实现大型化煤气产率高、品质好污染物排放控制利用特性好具有很好的灵活性具有战略意义1、清洁煤发电

26、技术水平不断提高 煤炭气化发电技术主要是指具有高发电效率和优良环保性能的整体煤气化联合循环发电技术。2、煤炭转化从试点、示范到商业示范快速发展 煤炭转化技术可利用煤炭资源生产替代石油的能源或化学品，具有重大意义。3、煤制化学品工艺更加成熟 煤制烯烃、芳烃、甲醇芳构化、乙二醇等煤制化学品工艺已得到广泛研究和展。4、污染物控制技术发展更完善 污染物二氧化硫、氮氧化物和颗粒物的总排放量及单位排放强度持续下降。5、CO2 捕集技术进一步发展完善 完整碳捕集、利用和封存过程的示范将在未来几年里完成，这将促进其在商业方面的应用。1.2.1 清洁能源利用状9.3 清洁煤技术的发展前景1234简述清洁煤技术的概念及其简述清洁煤技术的概念及其特点。特点。简述煤气化技术的基本原理和主要简述煤气化技术的基本原理和主要工艺。工艺。查阅查阅相关相关文献文献，举例说明举例说明煤炭分级转化多联煤炭分级转化多联产技术。产技术。根据根据我国能源资源结构我国能源资源结构特点特点，探讨探讨煤炭能源煤炭能源发展趋势及清洁煤技术发展重点。发展趋势及清洁煤技术发展重点。