能源工业的绿色化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,能源工业的绿色化,1,1 化石燃料清洁利用技术,1.1 能源消耗对环境的影响,1.环境污染,2.温室效应,1.2 煤的洁净燃烧与高效利用技术,洁净煤技术在煤开采、加工转化、燃烧等方面减少污染和提高利用效率的新技术的总称。,洁净煤燃烧技术,2,洁净煤技术(Clean Coal Technology, CCT) ,是指在煤炭开发和加工利用全过程中,旨在减少污染与提高利用效率而加工、燃烧、转换及污染控制等技术的总称,是使煤作为一种能源达到最大限度潜能的利用而释放的污染应控制的最低水平。它是当今能源与环境问题的一项主导技术,也是当前发达国家技术开发和技术输出的重点领域,被誉为划时代的煤炭开发利用技术,已引起国际社会的广泛重视。,3,CCT由美国于20世纪80年代率先提出,并制定出洁净煤开发研究和示范的综合计划,即所谓的洁净煤示范计划。该计划是美国政府提出,由政府和工业企业界共同投资,能源部组织实施,参予的有私人企业、政府研究部门、高等院校、民间技术开发机构,是一项跨部门、多学科的煤炭利用新技术的巨大系统工程。它的提出与实施,有助于扩大美国煤炭的生产和利用,减少石油进口,解决环境污染问题,增强美国在高科技领域的国际竞争力。是美国政府继“星球大战计划”之后规模最大的技术创新开发计划。到1995年末,已实施39个项目,总投资超过72亿美元。,4,继美国之后,日本和英国、德国等欧盟国家也相继成立了有关机构,制定了相应发展计划,投入巨资来开展CCT技术的研究。如欧盟制定了“兆卡计划”,旨在促进欧洲能源利用新技术的开发,减少对石油的依赖和煤炭利用造成的环境污染;日本于1993年在“新能源综合开发机构”内组建了“洁净煤技术中心”,负责全日本的新能源和洁净煤技术的规划、管理和实施。目前,该技术已成为世界各国解决环境问题的一项重要技术,也是国际竞争的一个重要的高技术领域。,5,洁净煤燃烧技术,1).燃烧前的净化加工技术，主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。,2）燃烧中的净化燃烧技术。主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。,3).燃烧后的净化处理技术，主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。,6,1 洗选处理,洗煤和选煤即通过洗选除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同等级，以满足不同用户需要的方法。主要选煤方法为：,（1）重介质选煤：即用重度介于煤和矸石之间的液体作为分选介质的选煤方法。,（2）跳汰选煤：跳汰机是选煤厂的主要洗选设备，已有100 多年的历史，目前各国使用的基本上都是风动水质跳汰机，跳汰选煤法始终占各,选煤法之首。,（3）浮选：浮游选煤即依据矿物表面润湿性的差别，分选细粒(0.05 mm 以下)煤的选煤法。向预先用浮选剂处理过的配制成一定浓度的煤浆通入气泡，润湿性差(疏水)的煤粒向气泡粘附并浮起，润湿性好(亲水)的矸石颗粒不易与气泡粘附，仍留在煤浆中，这样便达到煤与矸石颗粒分离的目的。,7,型煤技术 我国民用型煤目前年产量约5000万t，大中城市普及率60，以蜂窝煤、煤球为主。工业型煤分为化肥造气型煤和锅炉燃料型煤，年产量约2200万t。目前化肥造气型煤主要是石灰碳化煤球。由于技术、价格、市场等原因，锅炉燃料型煤工业化推广较慢。,水煤浆 水煤浆是七十年代兴起的煤基液态燃料，可作为炉窑燃料或合成气原料，具有燃烧稳定，污染排放少等优点。国家经过“六五”以来研究、开发，在制浆、运输和燃烧方面取得了许多成果，建成9座水煤浆厂，总生产能力176万t/a；在工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉进行了水煤浆示范燃烧；水煤浆作气化炉原料在鲁南化肥厂应用于生产；矿区高、中灰煤泥制浆和35t/h锅炉燃烧技术通过鉴定。目前进行水煤浆技术工程化关键技术研究；,8,2 煤炭燃烧中的净化,（1）硫氧化物的去除主要是用硫氧化物与碱性氧化物氧化钙、氧化镁等反应而生成硫酸钙、硫酸镁等进行，因而在煤燃烧过程中最经济的脱硫方法，就是用石灰石作脱硫剂，将其破碎到合适的颗粒度喷入炉内，碳酸钙在高温下氧化生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙在氧化性气氛中遇到二氧化硫而发生脱硫反应，我国含硫量大于2%的高硫煤的储量约占煤炭总储量的20%，可见高硫煤多，研究除硫意义重大。,（2）氮氧化物的去除方法很多，具体可以分类为：改变燃烧条件、炉膛喷射脱硝、烟气脱硝三种，具体地抑制氮氧化物的生成和创造条件，尽可能地让氮氧化物破坏或还原。,9,3 煤炭燃烧后的除尘技术,（1）燃煤电厂的锅炉烟气除尘以电除尘为主，电除尘技术水平不断提高，袋式除尘器得到应用并不断完善。,（2）工业锅炉是主要的大气污染源，其除尘原理是利用各种不同的作用力如重力、离心力、惯性力、扩散附着力、静电力等令烟尘从烟气中分离出来，具体分为机械力除尘器、湿式除尘器、过虑式除尘器、电除尘器四大类。,10,煤转化为洁净燃料技术,1).煤的气化技术，有常压气化和加压气化两种，它是在常压或加压条件下，保持一定温度，通人气化剂(空气、氧化和蒸汽)与煤炭反应生成煤气，煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。,2).煤的液化技术，有间接液化和直接液化两种。,3).煤气化联合循环发电技术，先把煤制成煤气，再用烯气轮机发电，排出高温废气烧锅炉，再用蒸汽轮机发电。整个发电效率可达45 。正在开发研究中。,4).燃煤磁流体发电技术，当烯煤得到的高温等离子气体高速切割强磁场，就直接产生直流电，然后把直流电转换成交流电。发电效率可达50-60%,我国正在开发研究这种技术。,11,煤炭气化技术已相当成熟，目前用于工业生产的主要有三种：以块煤为燃料的加压鲁齐固定床气化法、以粉煤为燃料的温克乐流化床气化法、以水煤浆为燃料的德士古气流床气化法。煤的气化在我国深受重视，这种工艺一般在800,o,C以上高温条件下，在气化剂的作用下将煤转化成可燃性气体，后用分离工艺除去有害气体，从而得到燃料煤气的方法。,12,煤间接液化产业的国内外发展现状,以费托合成反应为基础的煤间接液化制油,已有近80a开发研究历史,南非SASOL公司目前具有年产750万t左右的生产装置。1950年成立了南非煤油气公司( South African CoalOil and Gas Corp,简称SASOL ) 。1955 年建成了SASOL I厂, 1980 年和1982年又相继建成了SASOL厂和SASOL厂,形成世界上最大的煤气化合成液体燃料企业,到2007年生产规模达消耗煤炭约46000kt, 合成产品7600kt,其产品包括发动机燃料(4500kt) 、聚烯烃及工业副产品等。目前SASOL 公司的煤间接液化工厂运行良好, 2004年SASOL公司年产值达40亿美元,实现利润12 亿美元 5 。提供了南非国内约40%的油品需求,对南非国民生产总值的贡献达4%。为发展煤制油在国际上树立了成功的范例。,13,煤直接液化技术是指把煤先磨成粉(一般小于0.15mm) ,再和煤液化生产的液化重油(循环溶剂)配成煤浆,在高温(430470)、高压(1530MPa)、氢气(或CO +H2 , CO +H2O)环境和催化剂共同作用下直接加氢,将煤转化成液体产品的工艺过程。传统的煤直接液化工艺流程原理包括煤浆制备(将煤粉与溶剂和催化剂一起制成煤浆)、煤液化反应(在液化反应器内高温、高压作用下进行加氢反应,生成液体产物)及产物分离(分离出液化反应所生成的气体、水、液化油和固体残渣)等3个单元模块。,14,15,16,煤直接液化产业的国内外发展现状,煤直接液化技术的发展始于二十世纪初的德国。二战时期德国首先将煤直接液化技术实现了工业化,建立了一批较大生产能力的液化厂,当时液化成品油产量达到了423万t/ a 2 。近一个世纪以来,特别是20世纪80年代,受石油危机的影响,德国、美国、日本、前苏联、英国、澳大利亚等国相继投入巨资,研究开发现代煤直接液化技术,进行了多种煤液化工艺开发,典型的工艺有:德国的二段液化( IG2OR)工艺, 美国的氢煤法(H2coal) 工艺和日本的NEDOL工艺 3、4 ,17,18,19,20,煤气化联合循环技术,煤气化联合循环技术( IGCC) ,是当今国际上正在兴起的一种先进的洁净煤技术,是目前已进入商业化运行的洁净煤发电技术中,发电效率和环保性能最好的技术,发电效率可达45%以上,SO2 排放可控制在10 mg/m3 左右。IGCC的原理是:煤经过气化和净化后,固体燃料已转化成清洁气体燃料,用来驱动燃气轮机发电,再用排出的高温燃气进入锅炉燃烧,产生蒸汽带动汽轮机发电,形成燃气与蒸汽联合循环发电。现在,全世界已建、在建和拟建的IGCC电站近30套,最大为美国的440MW机组,计划或科研中容量最大的为德国的900MW和前苏联1 000 MW机组。,21,生物质能的研究与开发,生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳辐射的能量转化为以生物质的形式固定下来的化学能。它是太阳能的另一种形式， 也是一种可再生能源。广义上讲， 可作为能源加以利用的生物质主要有树木、农作物、水生植物、农林产品加工残余物以及人畜粪便等。,22,生物资源丰富， 是当今人类利用的第4 大能源， 仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算， 全球每年产生生物质约2 000 亿t， 所含能量是目前全球年耗能量的89 倍， 远远超过全世界总能源消耗量。据估算， 地球上的绿色植物储存的总能量折合成标准煤大约800 亿t， 比目前地壳内估计可供开采的煤炭总储量还多7 倍。地球上绿色植物一年固定下来的太阳能大约为31021 J， 相当于人类目前年消耗能量的610 倍。虽然作为能源利用的生物质还不到其总产量的2%， 但它却提供了世界总能耗的14%的能源。随着人类技术的进步， 海洋将变得更容易利用， 同时绿色植物的光合效率不断提高， 未来生物质能的潜力可能达到世界总能耗的200 倍。,23,生物质能与其他主要能源利用的优势比较,作为植物的最主要成分 木质素和纤维素每年以约1 640 亿t 的速度不断再生。其能量相当于目前石油年产量的15 倍。如果这部分资源能得到利用， 人类相当于拥有了一个取之不竭， 用之不尽的资源宝库。,1 可持续性,2 对环境的影响,3 对全球气候的影响,24,生物质能的开发与利,日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源” 开发研究计划等。许多生物质能利用技术和设备已达到商业化应用程度， 实现了规模化产业经营。目前， 美国、瑞典、奥地利生物质能转化为高品位能源已具备相当规模， 分别占到该国一次能源消耗总量的4%、18%和11%.,25,生物质能源转换技术包括直接燃烧、热化学转换和生物化学转换三种技术； 转换的方式有生物质气化、生物质液化、生物质固化、生物发酵等多种方式， 相应地被转换成气、液或固不同形态的燃料,26,27,生物质能源,淀粉,葡萄糖,氨基酸,抗生素,有机酸,甘油,1,3-丙二醇,纤维素,半纤维素,酒精（燃料乙醇）,木质素,木糖,丁二醇,木糖醇,甲乙酮,燃料分散剂,香兰素,水泥缓凝剂,脂肪酸,脂肪醇,单（双）甘酯,甘油,dd油,VE,甾醇,生物柴油,阳光,淀粉质,纤维质,油脂,蛋白质,28,3.1 直接燃烧,生物质化学转换最简单的利用方法是直接燃烧。但是， 直接燃烧烟尘大、能量利用率低（仅为10%30%）、浪费大， 除农村外， 一般在城镇不提倡采用直接燃烧的方法。,生物质的缺点是热值低、体积大、不易运输，因此作为高效洁净燃料必须加工成型。其主要过程是将农林产品加工剩余物进行粉碎烘干分级处理， 放入成型挤压机， 在一定的温度和压力下形成较高密度的固体燃料。通常密度在1.21.3 gcm3，热值在1822 MJ kg， 依质料分品级。该方法使用专用设备， 在农村有很大的推广价值。利用生物质炭化炉可以将成型生物质块进一步炭化， 生产高品位的民用燃料 生物炭。优质的生物炭还可以用于冶金工业。,29,3.2 热化学转换,通过热化学转换， 可将固体生物质在高温下转换成可燃气体、焦油和木炭等高品位能源。它又分为生物质气化和生物质液化两种转换方式。生物质气化是热化学转化中最主要的一种方式。,3.2.1 生物质气化,生物质气化技术是将固体生物质置于气化炉内加热， 同时通入空气、氧气或水蒸气， 使之产生品位较高的可燃气体。它的特点是气化率可达70%以上， 热效率也可达85%。气化系统主要由气化炉（器）、燃气净化器、风机、储气柜、管路和燃烧器具（如锅炉、灶） 等组成。,30,生物质气化生成的可燃气经处理可用于合成、取暖、发电等不同用途（如用于合成需除去CH4，调配H2 CO； 用于取暖则需增加CH4， 提高热值）。气化气中含有的有机酸、醇、醛、醚、酮及酯可通过冷凝的方法分离出去， 焦油可用活性炭吸附器吸附掉。,3.2.2 生物质液化,生物质的液化依据液化条件不同， 可分为慢速裂解、传统裂解、快速裂解、高压液化。,（1） 慢速裂解。生物质在极低升温速率、温度约400下长时间（15 min 至几天） 裂解， 可得到最大限度35%的焦炭产率， 这个过程也称为生物质的炭化。,31,32,在以上应用技术中， 最引人瞩目的是生物质快速裂解液化。因其加热迅速、反应时间短， 可使生物质本身的高分子成分迅速断链为短链分子，过程结炭和产气降到最小限度， 从而获得最大限度的燃料油。热解所得液态油呈黑色， 其热值达22 MJ kg， 是标准轻油热值的一半， 基本不含硫及灰分等对环境有污染的物质， 含有多元酚、醇及有机酸等多种通过常规石油化工合成路线不易合成的化学品。,生物质裂解油的深度加工是国际上的研究热点， 已开发的技术主要有通过催化加氢、沸石分子筛催化裂解、催化处理等手段来获得汽油、柴油以及一些重要的化工产品。通过催化剂来改变裂解产物分布， 提取高价值的化合物。已报道的产品有苯酚、左旋葡萄糖、乙醇醛、呋喃、甲烷、乙二醛等多种化合物， 具有广阔的化工利用前景。,33,34,35,3.3.3 生物燃料,由生物质制成的液体燃料叫生物燃料,（Biofuel）。生物燃料主要包括： 生物乙醇、生物丁醇、生物柴油、生物甲醇等。虽然由生物质制液体燃料起步较早， 但是由于原油价格较低， 而影响了该方面的研究， 甚至是一度停止。但由于原油价格的再次上扬， 以及人们对环境和健康问题的关注， 人类再次把目光转向清洁的可再生的生物燃料开发上,36,37,38,39,4） 生物甲醇。甲醇是能量密度较高的液体燃料， 而且其燃烧过程比酒精要干净， 只释放二氧化碳和水。甲醇可由木质纤维素经干馏获得，亦可将生物质气化产物一氧化碳与氢经催化反应合成。生产甲醇的原料比较便宜， 但设备投资较大。由生物质制得的甲醇具有二氧化碳零排放的优点。虽然由天然气制得甲醇更经济， 但是从温室气体排放角度考虑， 并非最佳选择。,40,