煤炭资源清洁高效综合利用将形成新兴产业

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆武汉分馆先进能源团队

张军（E-mail:zhangjun@mail.whlib.ac.cn）、李桂菊、陈伟

审稿专家：中科院广州能源所陈勇研究员

1 煤炭利用的未来

在传统化石能源中，煤炭占全世界能源需求总量的30%和发电量的40%。我国唯一具有储量优势的品种是煤炭，在一次能源结构中占70%左右。从目前到可预见的未来，煤炭仍然是世界和中国的主要能源。然而一方面煤炭直接燃烧技术能效较低，只有40%左右，资源利用率低下，而且煤炭的开采、燃烧过程产生了严重的污染和CO2排放，对人类健康、生态环境和地球气候带来了严重危害；另一方面挥发分含量高、含水高、含氧多、易自燃、热值低的低阶煤在我国煤炭储量及产量中占了很高比例，为46%，其中褐煤为13%，低变质烟煤为33%[1]。因此，煤炭的高效洁净转化利用是我国以煤为主的能源生产和消费结构下解决资源和环境问题的必然选择。

我国需要推进包括煤炭开采、洗选、气化、合成与精制、净化与分离、燃烧与发电、排放物控制等清洁煤技术的研发，通过煤炭热解制油气高值化利用配套技术、低阶煤分级液化化学品核心技术以及大规模先进煤气化工业技术，实现煤炭资源的梯级利用，逐步形成煤联产电力、液体燃料、化学品、供热、合成气等规模产业。大幅提高能源利用效率和环境质量，大幅降低煤耗、水耗和CO2排放，推动能源结构及经济产业结构优化调整，保障国家能源安全。

2 全球煤炭清洁高效利用进展

20 世纪末开始，世界上许多国家都提出了洁净煤技术发展计划，推动了煤燃烧技术的研究开发和商业示范应用。美国从1985年开始先后部署了5轮“洁净煤发展计划（CCT）”[2]，2001年启动了700℃超超临界机组研究项目，2003年提出“未来发电”项目（FutureGen），2005年以后加强了创新性洁净煤技术的研发与示范，包括加快燃煤电厂碳捕集与封存技术的应用以及发展IGFC-CC等新技术[3]。

欧洲20世纪80年代开始开发采用奥氏体钢的超超临界机组，并在AD700计划（1998—2014年）支持下建成700℃超超临界示范电厂。2004年，欧盟在其“第六框架计划（FP6）”中启动“氢电联产”计划（Hypogen），目标是开发以煤气化为基础的发电、制氢以及CO2捕获与封存的400MW级IGCC示范电厂[4，5]。

日本洁净燃煤发电技术发展重点是超超临界、IGCC、IGFC以及CO2捕集与封存技术，推出了700℃超超临界发电技术和装备的9年发展计划“先进超超临界压力发电（A-USC）项目”（2008—2016年），明确在2015年达到35MPa/700℃/720℃以及2020年实现750℃/700℃超超临界产品的开发目标[6，7]。

澳大利亚2004年启动“COAL21”计划，将基于煤气化的发电、制氢、合成气生产及CO2分离和处理系统作为未来近零排放的发展方向[8]。

加拿大制定的《2020年洁净煤技术路线图》确定了上游选煤、燃烧、富氧燃烧、气化和化学合成4个研发重点和实施目标，并通过“ZECA”计划开发先进的煤制氢和CO2捕集分离和封存技术[9]。

目前，在世界范围内，超超临界机组向更高参数（35MPa，700℃）方向发展，燃气轮机向更高初温（1500℃）发展；以煤气化为基础的IGCC和多联产以及煤气化-燃料电池-燃气-蒸汽联合循环等高效、清洁的发电技术得到快速发展。在加工与转化方面，煤气化技术朝着大型化、高适应性、低污染、易净化方向发展。在环保和减排方面，除尘、脱硫、脱硝和CO2捕集、利用与封存技术向多元化、集成化方向发展。

3 中国煤炭清洁高效利用进展

我国把洁净煤技术作为调整煤炭产业结构，提高煤炭及其加工产品价值，改善环境，实现能源工业可持续发展的战略对策。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将煤炭的清洁高效综合利用确定为能源重点领域的优先发展主题，提出“煤的清洁高效开发利用、液化及多联产”、“重点研究开发高参数超超临界机组，超临界大型循环流化床等高效发电技术与装备，……，燃煤污染物综合控制和利用的技术与装备等”。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中也明确指出“推进能源多元清洁发展，发展清洁高效、大容量燃煤机组”、“控制温室气体排放，推进火电等行业二氧化硫和氮氧化物治理”。

我国能源科技“十二五”规划提出：研发适用于我国煤种的大型先进气化技术，突破8.7MPa高压大型水煤浆气化技术、4.0MPa大型干粉煤气化技术（废锅或激冷式）、高压干粉煤气化技术（6.5MPa）、4.0MPa以上固定床加压气化技术、固定床熔渣气化技术及加压流化床气化等关键技术；研发大型高效合成与精制技术，掌握高温费托合成、低温费托合成、煤直接液化、甲烷化、大型甲醇合成、大型氨合成、甲醇制乙烯和丙烯、合成气制乙二醇技术等关键技术装备；突破高效气体净化和分离技术，掌握年产醇（氨）百万吨以上的大型低温甲醇洗技术。

目前，我国600℃超超临界机组数已居世界首位，机组发电效率超过45%。具有自主知识产权的1000MW级直接空冷机组已投入运行；300MW级亚临界参数循环流化床锅炉（CFB）已大批投入商业运行，600MW级超临界CFB正在开发建设。用于分布式热电冷联产的100kW和MW级燃气轮机关键技术已取得重大研究成果；具有自主知识产权气化技术的250MW级IGCC机组开始建设示范项目；燃煤烟气捕集12万吨/年CO2示范装置已投入运行。

中科院是我国煤炭利用及转化技术的领军机构。中科院过程工程所开展了煤炭热解拔头联产煤焦油、热解气与热电的研究，在河北建立了10吨/小时的工业中试平台，在新疆建立了万吨级褐煤提质技术示范；山西煤炭化学所在流化床灰熔聚工业应用、FT合成、混合醇合成等方面形成了技术示范能力；工程热物理所是我国循环流化床锅炉技术的主要提供单位，同时是我国研发燃气轮机、发展IGCC的重点研究单位；大连化学物理所在催化剂开发与催化工艺的研究方面形成了世界领先的许多成果。多个研究所在CO2捕集、封存及利用方面形成大量积累。

4 未来发展目标

根据《中国至2050年能源科技发展路线图》，预计到2020年，我国大多数洁净煤利用技术将进入规模化商业应用阶段，基于先进燃烧技术的高效发电技术趋于成熟，CO2捕集和封存技术成熟并逐步走向规模化商业应用。

至2035年，我国所有煤炭的洁净和高附加值利用技术进入规模化商业应用，大型气化剂绿色转化技术贡献率占到煤炭资源应用技术的50%以上，新型煤燃烧和发电技术的贡献率占煤炭发电应用技术的80%以上。煤的使用增速不断降低直至向不增长或负增长转变。

1 Survey of Energy Resources 2010.http://www.worldenergy.org/publications/3040.asp.

2 美国洁净煤发电技术发展现状.http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=6703.

3 李桂菊.美国未来零排放燃煤发电项目最新进展.中外能源，2009，14（5）：96-99.

4 国家能源局能源节约和科技装备司.700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述（二）.2010-11-01.http://www.chinaequip.gov.cn/2010-11/01/c_13585438.htm.

5 国家能源局能源节约和科技装备司.700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述（三）.2010-11-03.http://www.chinaequip.gov.cn/2010-11/03/c_13589053.htm.

6 Japan Coal Energy Center.Clean Coal Technologies in Japan.2007-01.http://www.brain-c-jcoal.info/cctinjapanfiles/english/cct_english.pdf.

7 Hiroyuki Kondo.IGCC,IGFC and CCS in Japan.2008-03-31.http://www.asiapacificpartnership.org/pdf/CFE/meeting_melbourne/IGCCIGFC&CCSinJapan-Kondo.pdf.

8 www.australiancoal.com.au/coal21.html.

9 http://canmetenergy.nrcan.gc.ca/clean-fossils-fuels/cleancoal/810.