富氧燃燒節能減排耦合煤炭分級分質高效利用在火力發電廠的應用前景

武愛民 郝轟宇

（內蒙古能源發電準大發電有限公司，內蒙古 準格爾 010399）

2020 年9 月22 日，習總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。習總書記提出“碳達峰、碳中和”目標，是黨中央做出的重大戰略決策，不僅是一個應對氣候變化的目標，更是一個經濟社會發展的戰略目標，體現了我國未來發展的價值方向，對構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局意義深遠重大，是一項重大的政治任務。

“碳達峰、碳中和”目標任務的提出，使煤炭利用面臨著高碳減排的新挑戰,發電行業作為碳排放大戶（2019 年發電行業二氧化碳排放量占全國碳排放的46%），碳減排任務首當其沖。

一、技術概述

燃煤火電富氧燃燒耦合煤炭分級分質清潔應用綜合生態鏈技術以燃煤火電為平臺，以富氧燃燒綜合節能減排技術（節油、靈活性、降氮）為基礎和紐帶，以煤炭分級分質技術為支撐，以分子吸附制氧技術為拓展。

開拓性的應用富氧燃燒綜合節能減排技術為燃煤火電調峰、節能、減排、增效，應用煤炭分級分質技術為富氧燃燒綜合節能減排提供輔助燃料，同時產生煤氣（或天然氣）、焦油、焦炭（清潔型碳）等新能源產品；火力發電鍋爐為整體項目解決環保排放問題，從而實現循環經濟、節能減排，具體技術關系如下：

（一）燃煤火電需應用富氧燃燒綜合節能減排技術進行調峰、減排、節能、增效，降低污染物排放，在此過程中富氧燃燒綜合節能減排技術需輔助物料——煤氣、氧氣；

（二）煤炭分級分質清潔應用綜合生態鏈技術、吸附分離制氧技術分別為富氧燃燒綜合節能減排技術提供輔助物料——煤氣、氧氣，同時生產清潔型碳、低溫焦油、煤氣（人工天然氣）等產品；

（三）燃煤火電作為平臺將上述過程中所產生的污染物充分消納在鍋爐及已有環保設施中，同時燃煤火電可提供電力和蒸汽供煤炭分級分質清潔應用技術、吸附分離制氧技術使用。

二、技術創新點

（一）非焦煤通過特有的復合型粘結劑改質，改質后的非焦煤經中低溫一體化熱解分質裝置，低能耗低排放制焦炭、低溫煤焦油、煤氣，實現對任意煤種的高效清潔利用。

（二）褐（偽）煤或其他低階原煤，可配入一定比例低灰煤與復合型粘結劑后熱解分質，生產低溫煤焦油、煤氣、機制炭（或清潔型碳、半焦）等產品，清潔型碳、半焦可替代民用散煤實現清潔利用；

（三）無煙煤、煙煤等通過復合型粘結劑改質后進行熱解分質，生產低溫煤焦油、煤氣、冶金焦炭等高附加值產品，焦炭可用于鋼鐵行業、鐵合金、電石等行業；

（四）任意煤種分級分質過程產生的煤氣及附屬物作為富氧燃燒綜合節能減排技術輔助物料，為燃煤鍋爐調峰、減排、節能、增效；熱解分質過程產生煙氣通過電廠環保處理裝置處置；

（五）任意煤種分級分質過程產生的煤氣，可進一步利用分子吸附分離技術，分離煤氣中的甲烷等生產人工天然氣。焦炭可進一步與蒸汽反應制取氫氣、或天然氣、或碳氫類化合物。低溫煤焦油可進一步加氫制造汽油、柴油。

三、原理及工藝

（一）技術原理

煤炭分級分質清潔應用技術利用任意低階粉煤，配合特有復合型粘結劑成型后經新型清潔炭水分離，送入立式外燃內熱一體爐低溫無氧熱解提質；經過預熱、熱解、冷卻，生產清潔型碳（焦炭）、煤焦油、煤氣；

（二）低階煤熱解分質油氣炭工藝流程

1.任意低階煤按比例配入復合型粘合劑，經原煤改質綜合系統改質為具有結焦性的煤料，熱壓成型，并在新型清潔炭水分離裝置中充分烘型煤的水分，實現炭水分離，分離出的水為清潔的低溫蒸餾水，烘干水分后的型煤進入立式外燃內熱一體爐預熱、熱解，實現整體運行過程無有害廢水排放。

2.型煤在一體爐內低溫無氧熱解分質油/氣/炭，分離后的清潔型碳（焦炭）向下蠕動進入干法熄焦冷卻段，實現冷卻過程無有害廢水產生。

3.冷卻后的清潔型碳（焦炭）經出料口排出爐體，經皮帶送至堆場；

4.低階煤分級分質高效提質過程中產生的荒煤氣利用焦油船循環水噴灑冷卻，實現煤氣、焦油液分離，分離出的煤氣一部分供系統燃燒自用，燃燒后的煙氣進入電廠環保處理裝置，另一部分供鍋爐富氧燃燒使用，實現燃煤發電鍋爐節能、減排、增效，從而確保無廢氣排放；

5.分離下來的焦油在焦油船沉淀分離，在經過焦油蒸餾提取高純度低溫煤焦油，焦油船長時間運行沉淀的焦油渣及含氨水，定時送入成型工段，最終進入清潔型碳（焦炭），實現無固廢排放。

（三）鍋爐側富氧燃燒工藝

通過富氧燃燒綜合調峰節能減排技術，以實現燃煤火電節能減排增效為目的，結合零排放的低階煤熱解分質油氣炭技術，利用煤資源生產煤氣以及制氧技術生產氧氣輔助富氧燃燒的技術路線，實現燃煤火電機組節能、減排、增效。

1.在保證機組長時間連續、安全、穩定運行的前提下，使電廠總體達到節能、減排、增效目標；

2.有效控制爐膛出口、SCR 入口NOx 濃度，減少SCR 運行成本；

3.應用煤氣富氧燃燒使整體發電標煤耗降低，降低發電成本，提高市場競爭力；

4.提高機組深度調峰能力，實現機組≤30%額定負荷調峰，消納可再生能源；

5.實現鍋爐節油；

6.增強機組燃料靈活性，安全穩定地使用劣質煤，實現發電原煤多樣化，降低發電成本。

以富氧燃燒節能減排綜合技術為基礎，科學、高效地引入“煤干餾”與“制氧”技術等工業裝置，使用低熱值煤氣作為輔助燃料、利用空氣生產氧氣參與富氧燃燒節能減排，使氧氣與低熱值煤氣成為燃煤火電不可或缺的“生產資料”，能夠達到電廠環保、節能、增效的目的，為電廠增加巨大的經濟收益，達到國家環保及相關政策要求，符合國家可持續發展方針。

四、與傳統煉焦的區別

（一）根據傳統煉焦原理、工藝路線、環保性能及國標行業定義；煉焦是指采用主焦煤等原料在煉焦爐的操作活動，包括配煤、粉碎、搗固、裝料、在煉焦爐內靜態煉焦（預熱、熱解）、推焦、熄焦、篩焦，生產焦炭、焦油、煤氣的煉焦操作。

煤炭分級分質清潔利用技術是將任意原煤配入特有復合型粘結劑后熱壓成型、清潔炭水分離、在一體爐內由上而下蠕動分級分質（預熱、熱解、冷卻），生產清潔型碳（焦炭）、焦油、煤氣的煤炭加工操作；

（二）從原料上煤炭分級分質清潔利用不需要使用主焦煤、肥煤、氣煤等煉焦專用煤種；

（三）從設備上無煉焦爐；

（四）從工藝上無煤氣凈化、無水熄焦；

（五）從環保上不需要單獨建設煉焦行業環保處理裝置，即可實現無廢氣、無廢水、無粉塵、無固廢排放。

綜上，該技術耦合燃煤發電、富氧燃燒為一個整體，達到無廢氣、無廢水、無粉塵、無固廢排放，同時為燃煤發電節能、減排、增效。煤炭分級分質清潔利用、燃煤發電、富氧燃燒是一個不可分割的整體。

富氧燃燒在發電側的靈活性調峰技術，使燃煤火電鍋爐達到30%額定負荷率及以下調峰，可充分消納可再生能源；燃煤發電富氧燃燒耦合煤炭分級分質清潔應用綜合生態鏈技術，突破了煤炭行業、電力行業、化工行業單一鏈條式發展格局，有效解決煤炭利用三高問題；煤炭高效熱解分級分質制清潔能源富氧燃燒零碳排放發電技術，大規模生產水煤氣用于替代燃煤發電企業原煤燃燒，大幅度降低火力發電碳排放，結合純氧燃燒技術，實現燃煤火電零碳排放，達到提前實現“碳達峰、碳中和”。有效緩解我國貧油、少氣的現狀，減少年原油、天然氣進口量，為國家戰略物資提供儲備，深度符合國家環保及能源發展產業政策，為我國相應能源領域的能源戰略安全保駕護航。開創了任意煤種中低溫成焦成炭的技術新途徑，是火力發電企業當下首選的靈活性改造技術。