韩雅文,刘固望,蒋 立,周凤英,闫 强
(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心,北京 100037;3.中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037;4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037)
煤炭清洁利用技术进展与评价综述
韩雅文1,2,刘固望2,3,4,蒋 立2,3,4,周凤英2,3,4,闫 强2,3,4
(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083;2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心,北京 100037;3.中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037;4.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037)
煤炭是中国能源安全的基石,在相当长时间内煤炭在一次能源的消费中仍将占据较大比例。为降低污染物与温室气体排放,发展煤炭清洁利用技术是中国的必然选择。本文简要介绍了煤炭清洁发电技术、新型煤化工技术、煤基多联产技术、煤油共炼技术、碳捕获与封存技术及其国内发展现状。在参阅近十年国内外相关文献基础上,对煤炭清洁高效利用技术的评价方法进行了总结,并分类别详细综述了对煤炭清洁利用技术的评价结果。最后,本文对当前的研究现状及研究结果进行了综合性的评述,并对中国煤炭利用的优先发展方向提出了建议。
超超临界燃煤发电;煤基多联产;碳捕获与封存;清洁煤炭
煤炭是中国的主要一次能源,同时也是温室气体(GHG)及大气污染的主要来源。2013年,中国能源消费所产生的CO2排放量为9.023 1×109t,其中超过83%的CO2排放来自于煤炭燃烧。2012年,约93%的二氧化硫排放、70%的氮氧化物排放、67% 的颗粒物排放来源于煤炭消费[1]。为了实现2030年碳排放强度(单位GDP二氧化碳排放量)在2005年的基础上下降60%~65%,中国政府将采取措施控制煤炭消费总量,煤炭在一次能源中的消费比重也将继续呈现下降趋势。然而在未来相当长的一段时时间内,为了维持中国经济的发展,煤炭在一次能源的消费中仍将占据较大比例。国内外相关机构的预测数据显示,到2020年我国煤炭在一次能源中消费比重约为55%~60%,到2040年消费比重将下降到40%~50%之间(表1),因此,为进一步控制中国温室气体的排放和大气污染,煤炭清洁利用技术受到了社会各界的关注。
长期以来我国的煤炭消费集中于电力、钢铁、建材和化工四大行业,煤炭的主要转化路径如图1所示,可见煤炭的新型利用途径主要存在于发电行业和煤化工行业,化工行业在近年来成为煤炭消费的新增长点(图2)。
表1 国内外机构对中国未来煤炭在一次能源中的消费比重预测值
注:中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心数据来自其未公开的发表报告。
图1 煤炭利用路线图
图2 煤炭消费结构变化图(数据来源:公开资料整理)
本文涵盖的煤炭清洁利用技术包括煤炭清洁发电技术、新型煤化工技术、煤基多联产技术、煤油共炼技术、碳捕获与封存技术。本文第一部分将简要介绍各种技术及国内发展现状,第二部分简要介绍常用的评价方法,第三部分详细综述对各种技术的评价结果,第四部分对当前的研究现状及研究结果进行综合性的评述,并对中国煤炭利用的优先发展方向提出建议。
1.1 煤炭清洁发电技术
洁净煤发电技术一般包括两种技术路径,一种是通过改进燃烧方式,提高参数的发电技术,一种是将煤炭气化后用于发电的技术。前者包括超临界燃煤发电(Supercritical Coal-fired Power Generation,简称Super-C)、超超临界燃煤发电(Ultra-supercritical Coal-fired Power Generation,简称USC)、循环流化床燃煤发电(Circulating Fluidized Bed Combustion,简称CFBC)、增压流化床燃烧联合循环发电(Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle Units,简称PFBC)等。后者代表性技术为整体煤气化联合循环发电技术(Integrated Gasification Combined Cycle,简称IGCC)[5]。
截至2015年底,我国有82台1000 MW的超超临界机组已投产。截至2014年底,我国已使用循环流化床锅炉3000台,总容量100 GW,其中300 MW的65台;2012年,250 MW的煤气化联合循环发电示范厂在天津建成投产(根据公开资料整理)。目前大容量、高参数的燃煤机组还未成为我国发电的主力,因此我国的燃煤机组存在巨大的节能减排潜力。
1.2 新型煤化工技术
新型煤化工主要指的是以煤为原料合成清洁能源或者化工产品,包括煤制甲醇、烯烃、乙二醇、天然气以及油等产品。主要技术路径为煤炭气化技术(图3),我国新型煤化工发展现状与对应技术见表2,由表中各化工产品的市场份额可知,煤制甲醇、煤制乙二醇的生产技术较为成熟,而煤制油、煤制气、煤制烯烃则仍然处于示范阶段。
图3 主要煤炭气化技术
新型煤化工产品煤炭气化技术案例市场占比煤制甲醇水煤浆气化技术新奥鄂尔多斯煤制甲醇2013年,我国以煤为原料的甲醇产能占总产能的66%[6]煤制天然气碎煤加压气化技术内蒙古大唐克旗煤制气项目水煤浆煤炭气化技术内蒙古汇能煤制气项目2014年,煤制气产量9.7亿m3,占天然气生产量的0.74%,消费量的0.52%煤制油粉煤加压气化技术神华直接液化项目粉煤加压气化技术内蒙古伊泰煤间接液化项目2014年,煤制油产量1.2Mt,占石油产量的0.57%,消费量的0.23%煤制烯烃水煤浆气化技术神华包头煤制烯烃项目2014年,煤制烯烃2.37Mt煤制乙二醇粉煤加压气化技术阳煤深州煤制乙二醇项目2014年,煤化工路线的乙二醇生产能力约占总生产能力的33.2%[7]
注:除标注外,其他资料来源与中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心调研资料。
1.3 煤基多联产技术
“煤基多联产技术”是以煤为原料,集煤气化、化工合成、发电、供热、废弃物资源化利用等单元构成的煤炭综合利用系统。主要技术路径仍然是煤气化,核心是煤化工和发电的有机结合,生成甲醇、二甲醚、合成油等洁净燃料或其它高附加值化工产品,并生产电力或开展热、电、冷联产[8]。另一方面,在煤气化整个工艺过程中可以以较小成本的增加捕捉高浓度、高压的CO2,满足未来CO2减排的需要[9]。
到2015年,我国煤基多联产系统总体上已经进入工业示范早期,但尚未得到大规模的工业应用。技术的逐渐成熟将为该系统大范围的推广打下良好的基础。
1.4 煤油共炼技术
煤油共炼是在煤直接液化技术的基础上发展起来的一种煤与重油共同加工的技术。目前开发的煤油共炼技术通常是煤化程度较低的烟煤与重油的共同转化技术。开发煤油共炼技术的主要原因是煤直接液化技术与重油的加氢裂化技术具有十分相近的反应条件,而煤直接液化技术存在明显缺点,且这些缺点在煤和重油共同转化的情况下能够得到改善甚至消除[10]。
2015年1月,延长石油集团投资在陕西省靖边县建设的45万t/a煤油共炼试验示范项目投料试车成功,工艺流程全线打通。同年,该项目的装置通过了中国石油和化学工业联合会组织的技术鉴定。该技术总体达到世界领先水平(根据公开资料整理)。
1.5 碳捕获,使用与封存
碳捕获与封存(Carbon Capture and Storage,简称CCS)是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。它的突出优点是能够实现化石能源使用的CO2近零排放。当前,碳捕获与封存技术(CCS)又在向碳捕获、利用与封存(CCUS)的理念转化。虽然CCUS技术不只是针对煤炭的利用,但是CCUS技术能实现煤炭的清洁发展,因此在本文中也作为煤炭清洁利用技术来介绍。
近年中国CCS发展迅速,2014年已跃居世界第二。2010年建成的华能上海石洞口电厂CO2捕集项目,是目前全球最大的燃烧后CO2捕集示范工程,年产纯度99.9%的CO210万t,占上海CO2用量的2/3。2012年,神华10万t/a CCS项目建成投产,从煤炭直接液化生产线捕集的CO2,注入深 1 000~3 000 m的碱水层中封存,到 2014年已封存4万多吨。神华 CCS是目前全球最大的煤基全流程CCS项目(根据公开资料整理)。
为探究这些技术是否能够真正实现煤炭的清洁高效利用,并选择煤炭的最佳利用途径,学者们试图从经济、环境、技术等各个方面来评价技术的可行性。
经济评价中,常见煤炭清洁利用技术经济性评价指标为初期投资成本(土地、土建、设备及安装等)、运行费用(燃料成本、人工成本及检修维护费用等)、政府补贴、内部收益率等。
环境评价中全生命周期评价法(Life Cycle Assessment,简称LCA)得到了广泛的使用。研究对象包括三类;全生命周期资源消耗和能源消耗、全生命周期环境影响、全生命周期成本(将所有消耗和环境代价用货币衡量)。
技术评价包括技术可行性、技术成熟度、技术未来发展潜力的评价,除了定性的分析,可以使用火用分析、本土化率、技术学习曲线对以上三者进行定量的研究。
综合评价法通常是对煤炭清洁利用技术的多个指标进行统一评价。常见的分项指标有技术指标、经济指标、环境指标、社会指标等。综合评价法先定义一个总目标,在计算出分项指标的前提下,应用层次分析法或者模糊综合评价法建立综合评价模型。
3.1 煤炭清洁发电技术对比
大多数学者认为超超临界燃煤发电是中国近期经济可行、减排效果良好的发电路径。研究重点是对亚临界燃煤发电(Sub-C)、Super-C、USC、CFBC、PFBC、IGCC中的几种进行对比,周亮亮(2011)基于能值理论,建立了涵盖能源消耗、资源消耗、环境影响和生命周期成本在内综合评价模型,Xiaoye Liang 等(2013)应用全生命周期评价模型对能效、和多种环境影响因子进行了定量的评估并简单对比了投资成本,结果均认为USC的可持续性最高(表3)。
表3 煤炭清洁发电技术评价结果
注:由文献[11]、文献[12]、文献[27]整理获得,全生命周期边界见原文。GWP:全球变暖;AP:酸化;EP:富营养化;ODP:平流层臭氧损耗;POCP:光化学氧化剂形成;HTF:人体毒性。
Tarrant J.Falcke等(2011)则从其他方面说明了USC的可靠性,研究认为IGCC的全生命周期水耗比超超临界燃煤发电要高,并且IGCC发生火灾与爆炸及中毒事件的风险性也较超超临界燃煤发电要高[11,12-13]。基于成本经济性的考虑,USC投资成本远低于IGCC,致使综合评价的结果是USC为当前洁净煤发电最好的技术路径选择。但也有研究者从长远考虑,提出了发展USC的弊端。吴磊(2012)认为,发展USC很可能会造成对高碳生产方式的锁定。此外,USC由于提高了煤电的效率,间接促进了煤炭的消费并对包括可再生能源在内的其他清洁能源形成了挤出效应,反而削弱了煤炭清洁发电的碳减排效果[5]。
3.2 煤制清洁燃料与替代能源的对比
多数研究重点对煤制天然气与其替代能源(燃煤发电、常规天然气、液化石油气等)进行了经济、环境、技术等方面的评价。一些研究应用全生命周期评价法、针对不同的使用途径(烹饪、发电、生产蒸汽、汽车燃料)衡量煤制天然气的全生命周期能效与环境影响因子。由于之前的研究肯定了煤制气对SO2、NOX的减排作用[14-15],所以常见的是温室气体排放的比较。Yanjun Ding 等、Chi-Jen Yang 和Robert B.Jackson、Hengchong Li 等、龚梦洁等基于全生命周期法,虽然所选择的比较对象不同,但是均认为煤制天然气不能完成节能并减少碳排放的任务[16-19]。但是这并不意味着煤制天然气的生产工艺就应该停止发展。多数学者认为煤基多联产技术就是未来煤炭清洁利用的方向。王灵梅等(2006)运用能值分析理论进行了可持续性分析。结果表明,多联产能源系统的可持续性较Super-C、PFBC IGCC电厂显著提高[20]。Sheng Li等先后从多个角度证明了煤基多联产的可行性,他利用火用分析证明了煤制天然气电力联产系统比煤制甲醇电力联产系统更为可行;利用技术成熟度、技术学习曲线建立模型,结果显示煤制天然气与电联产其成本降低的速度快于IGCC;利用全生命周期法对能耗、碳排放、投资成本等进行了核算,并与替代能源进行对比,认为虽然单产煤制气不能实现碳减排的目标,但是煤制气与电联产是未来中国值得推广的发展方向[21-23]。相关数据见图4。
图4 煤制清洁燃料与其替代途径全生命周期评价部分数据图(注:图中数据来源于文献[18]、文献[21]、文献[27],或由其中的数据计算获得)
煤制烯烃煤制天然气煤制油煤制乙二醇煤制尿素煤制甲醇煤制二甲醚产品平均成本5000元/t1.5元/m34300元/t3450元/t1100元/t--所能承受最低油价(美元/桶)60-5050--60消耗1t煤的水耗(t)4.3~8.91.5~2.32.0~3.83.5~5.6-3.5~8.23.9~8.5技术成熟度低温甲醇洗、甲醇合成为引进技术甲烷化为引进技术硫回收为引进技术硫回收为引进技术--低温甲醇洗、甲醇合成为引进技术主要风险技术成熟度、环境政策风险技术成熟度、环境政策风险技术成熟度、环境政策风险技术成熟度、环境政策风险交通运输条件、环境政策风险--
数据来源:由文献[14]、文献[32]、文献[33]整理而得。
3.3 煤化工产品
此类研究多针对新型煤化工技术的成熟度、经济性进行分析,指出煤化工产品盈利时所对应的油价范围,其中焦点问题是对煤制油可行性的判断。
部分研究认为煤制油在低油价背景下应谨慎发展,贾怀东(2013)认为在经济性方面:只有国际油价位于70~80美元/桶以上,项目才能获利。而煤价保持每吨在200~300元之间,才可以保证不亏损,目前投产的煤制油项目基本处于亏损状态[24](中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心调研资料)。环境方面,生产1 t的油品将消耗7~19 t的新鲜水,6~8 t的二氧化碳,给环境带来了巨大的压力(中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心调研资料)。但是,也有一些研究提出了有效建议,朱彬彬认为项目规模越大,所能承受的油价越低,并且对煤制油的税费进行减免能够使煤制油在低油价背景下盈利[25]。魏思策和石磊通过测算全生命周期蓝水与灰水来研究煤制油不同工艺在不同地区对水资源的影响,认为在煤制油产业对当地水资源影响较小的地区更适合大规模发展煤制油产业,也就是说水资源问题可以通过合理的规划而得到解决[26]。此外,碳排放、以及高额水耗问题也可以通过多联产而得到解决。多种煤化工产品的其他评价数据见表4。
关于煤油共炼技术多是对该技术进行描述,很少有研究对其经济性、环境进行详细的评价,或者与其他技术进行对比评价。
3.4 对碳捕获、使用与封存的评价
碳捕获技术虽然可以大大减少温室气体的排放,但是使初始投资增加了约13%~38%,水耗增加约22%~36%,甚至增加了其他环境污染物的排放,目前并不适宜大规模建设[12,27]。刘兰翠等阐述了CCS在捕获、运输及封存环节所遇到的风险[28],Zhaofeng Xu 等以IGCC为例,从资本支出、营运支出、各类成本、净现值等方面详细考察了增加CCS装备的经济性,认为CCS显著的增加了投资、运行及维护的成本,除非对碳排放征税或采取其他有效措施,否则CCS本身是无利可图的[29]。然而问题的存在并不意味着学者们反对该技术的发展,从CCS-CCUS观念的转变,就是人们解决CCS所遇问题的一种思路。Yujia Wu 等比较了CCS用于煤粉燃烧发电和IGCC,结果显示,IGCC+CCS的全生命周期能效更高、碳排放更少。捕获的CO2可以用于提高石油采收率或者是进行地下封存,虽然用于提高石油采收率的全生命周期碳排放虽然高于进行地下封存,但是可以生产更多的石油,带来额外的收入,提高了CCS的经济意义[30]。Qi Li等认为CO2使用技术就是解决中国新型煤化工高碳排放和高水耗的途径。该研究从技术成熟度、经济潜力、减排潜力、风险水平评价了多种二氧化碳使用技术,其中二氧化碳增加石油采收率、提高铀浸出、提高煤层气采收率、提高水回收技术可以使煤化工所产生二氧化碳得到很好的使用。尤其是二氧化碳提高水回收,可以从整体上降低煤化工的水耗。此外,如果全国的碳交易市场成熟,煤化工企业可以把CO2顺利的卖给石油公司或建立合资公司,这样二氧化碳提高石油采收率将会成为第一个盈利的二氧化碳使用技术[31]。
未来中国的一次能源消费中,煤炭仍然占据很重要的地位,鉴于中国所面临的减排压力,煤炭清洁高效利用技术的选择成为了备受关注的重要议题。总结当前国内煤炭清洁利用技术的发展现状以及国内外对各种洁净煤技术的环境经济评价,可以发现以下几点。
1)在煤炭清洁利用的技术中,超超临界燃煤发电技术、煤制甲醇、煤制乙二醇在我国发展的较为成熟,其他技术目前均处于示范阶段。
2)从研究方法上看,对于技术的经济性、成熟性、环境影响以及综合评价均有系统性的评价方法。全生命周期法对环境的研究得到了最广泛的应用,火用分析、学习曲线的应用相对较少。
3)已有的文献在进行技术的综合评价时,往往只考虑到经济、环境、能耗指标,几乎很少有文献能将技术发展的潜力考虑在内。其次在对煤制清洁能源的环境评价中,碳排放最受关注,而对水耗和水污染的评价不足。
4)目前对煤炭清洁高效利用技术的主流看法是:超超临界燃煤发电机组是我国近期可以商业化的选择;单产煤制气、煤制油等煤化工项目要谨慎发展、合理布局,煤基多联产技术,尤其是电力与化工产品联产是未来煤炭利用的发展方向;CCUS技术是实现化石能源近零排放的方法,虽然当前未完全发挥出优势,但必须继续发展。
综上,建议用超超临界燃煤机组替代退役的亚临界发电机组;推动煤制清洁燃料与电力联产项目,并副产多种化工产品,真正实现煤炭清洁高效利用,抵御经济风险并维护能源安全;加强CCUS技术的研究,完善相关制度,使得CCUS技术有利可图。
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Current status and review of clean coal technologies in China
HAN Yawen1,2,LIU Guiwang2,3,4,JIANG Li2,3,4,ZHOU Fengying2,3,4,YAN Qiang2,3,4
(1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;3.Institute of mineral resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;4.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment,Beijing 100037,China)
Coal is a cornerstone for China's energy security.Coal use will continue a major proportion of the primary energy consumption for a long time to come.To reduce pollution and greenhouse gas emissions,the development of clean coal technology is the inevitable choice for China.This paper briefly introduces the clean coal power generation technology,new coal chemical technology,coal-based co-production technology,coal and oil co-processing technology,carbon capture and storage technology and their development situation in China.Based on the related literatures worldwide in last 10 years,the evaluation methods of clean coal technology are summarized and the evaluation results of clean coal technology are reviewed in detail by category.Finally,a comprehensive commentary of the current research features and results are given and priorities of the development trend of coal use in China are proposed.
ultra supercritical power generation;coal-based co-production technology;carbon capture and storage technology;clean coal
2017-04-03 责任编辑:赵奎涛
地质矿产调查评价项目“能源安全综合研究与动态跟踪评价”资助 (编号:DD20160084);地质矿产调查评价项目“全国特种煤资源综合评价与信息系统建设”资助(编号:DD20160189)
韩雅文(1991-),女,山西长治人,博士研究生,主要从事能源经济学和矿产资源战略研究,E-mail:yawenhancugb@foxmail.com 。
周凤英(1964-),女,江苏南京人,副研究员,主要从事矿床学、矿产资源经济及矿产资源战略研究,E-mail:fying64@qq.com。
F407.21
A
1004-4051(2017)07-0081-07