1.2　洁净煤化工技术

1.2.1　煤化工原理

煤炭转化是指用化学方法将煤炭转化为气体或液体燃料、化工原料或产品，主要包括煤炭气化和煤炭液化。作为实现煤炭高效洁净利用的一种途径，煤炭转化不仅广泛用于获取工业燃料、民用燃料和化工原料，也是诸如煤气化联合循环发电、第二代增压流化床联合循环发电（即增压流化床气化-流化床燃烧循环联合发电）以及燃料电池等先进电力生产系统的基础。在煤炭转化过程中，煤中大部分硫将以H2S、CS2和COS等形式进入煤气。为了满足日趋严格的大气污染物排放标准，并保护燃用或使用煤炭转化产物的设备，需要进行煤气脱硫。与烟气脱硫相比，煤气脱硫对象是气量小、含硫化合物浓度高的煤气，因而达到同样处理效果时，煤气脱硫更加经济，且易于回收有价值的硫分。

1.2.2　煤气化技术

煤的气化是指用水蒸气、氧气或空气作氧化剂，在高温下与煤发生化学反应，生成H2、CO和CH4等可燃混合气体，称作煤气。煤气可用作城市民用燃料、工业燃料气（工业炉窑、冶金、玻璃等工业的加热炉煤气）、化工原料（制取合成氨、合成甲醇及合成液体燃料的原料气），以及用于煤气化循环发电等。由于除去了煤中的灰分与硫化物，煤气是一种清洁燃料。

根据煤气化的发展过程，煤气化技术可分为三代：第一代煤气化炉型有固体排渣鲁奇（Lurgi）加压移动床，温克勒（Winkler）常压流化床等；第二代气化技术的炉型有德士古（Texaco）熔渣气流床，液态排渣鲁奇炉、西屋干排灰流化床等；第三代气化技术包括催化气化和闪燃氢化热解法等。煤气化过程中，硫主要以H2S的形式进入煤气。大型煤气厂一般先用湿法脱除大部分H2S，再用干法脱净其余部分。煤气湿法脱除H2S的主要方法见表1-2。

表1-2　煤气湿法脱硫（H2S）

干法常用氧化铁脱除H2S，主要反应为：

我国已成功掌握了年产8万吨合成氨的德士古炉设计、制造及运行技术；我国引进鲁奇气化炉技术，成功地完成了产气量160×104m3/h的依兰煤气工程和产气量54×104m3/h的兰州煤气工程。但是，我国使用较多的煤气化技术是固定床和二段空气气化炉等。

1.2.3　煤液化技术

煤液化是将固体煤在适宜的反应条件下，转化为洁净的液体燃料和化工原料的过程。煤和石油都以碳和氢为主要元素成分，不同之处在于煤中氢元素含量只有石油的一半左右，相对分子质量大约是石油的十倍或更高。如褐煤含氢量为5％～6％，而石油的氢含量高达10％～14％。所以，从理论上讲，旨在使煤转化为液态的人造石油的煤炭液化只需改变煤中氢元素的含量，即往煤中加氢使煤中的碳氢比（11～15）降低到接近石油的碳氢比（6～8），使原煤中含氢少的高分子固体物转化为含氢多的液、气态化合物。实际上，由于实现提高煤中含氢量的过程不同，从而产生出不同的煤炭液化工艺，大体分为直接液化、间接液化和由直接液化派生出的煤油共炼三种。但煤液化成本较高，使其应用受到限制，发展缓慢。

1.2.4　水煤浆技术

水煤浆（coal water mixture，简称CWM）是20世纪70年代发展起来的一种新型煤基流体洁净燃料。它是由煤、水和化学添加剂等经过一定的加工而制成的一种流体燃料。其外观像油，流动性好，储存稳定，运输方便，能用泵输送，雾化燃烧稳定。既保留了煤的燃烧特性，又具备了类似重油的液态燃烧应用特点，可在工业锅炉、电厂锅炉和工业窑炉上作代油或代气燃料。另外，德士古气化炉亦可用水煤浆做原料造气生产合成氨。

水煤浆是由煤浆燃料派生演变来的，世界上关注煤浆燃料已有数十年的历史了。煤浆燃料是以细的煤粉同水或其他液体状化合物调制而成的，能用作燃烧的燃料。主要有煤油混合物（COM）、煤甲醇混合物（CMM）、煤水混合物（CWM）和煤油水混合物（COWM）等。煤水混合物即水煤浆作为燃料，从发展的种类和用途上又可分为多种，见表1-3。

表1-3　水煤浆的种类和用途

水煤浆在加工制备过程中可以达到部分脱灰甚至深度脱灰，也可以脱除部分硫，这为在燃烧过程中实现低污排放提供了有利条件。水煤浆的燃烧温度一般比燃煤粉的温度低100～200℃，有利于降低NOx的生成量和提高固硫率；采用雾化燃烧方式有利于燃烧器和炉内配风的合理布置和调节，使细粒的煤粉燃烧完全，降低烟尘的排放量等。因此，燃用水煤浆在改善大气环境方面有着巨大的潜力。

一般来说，原煤通过洗涤过程可脱除约10％～30％的硫，这与其直接燃烧相比，SO2排放量已明显减少。另一方面，由于水煤浆以液态方式输送，这给加入石灰石粉和石灰与煤浆均匀混合并进行脱硫创造了条件。美国Carbogel公司发展的一种煤浆加石灰石粉技术的试验结果显示，SO2的排放明显减少，SOx脱除率约50％，如果再加上水煤浆制备过程中的硫分降低，总脱硫率可达50％～75％，效果十分可观。该技术为干法脱硫，使用方便。此外，Toqan对水煤浆燃烧火焰中加入钙的脱硫进行了研究，实验结果表明活性较高的醋酸钙［Ca（C2H3O2）2］比氢氧化钙具有更高的脱硫效率，当Ca/S比为2时，醋酸钙的脱硫效率可以达到80％，而相应的氢氧化钙只有50％的脱硫率。