自18世纪人类第一次工业革命以来,煤炭的开发和利用对世界工业的进步、人类文明和经济的发展起着巨大的推动作用,被认为是促成工业革命技术加速发展的四大要素之一.根据2014年《BP世界能源统计年鉴》^[1]数据,2013年底,中国煤炭探明储量为1 145亿t,占世界煤炭探明储量的12.8%,储采比仅为31年,远低于世界平均水平.2013年我国煤炭产量37亿t左右,煤炭消费量达36.1亿t,预计2014年我国煤炭消费量将占全球需求量的50%以上.根据国家能源局统计^[2],2013年煤炭消费占一次能源消费的比重为65.7%,仍居主导地位.煤炭资源的可得性、廉价性和相对的丰富性,使其在未来相当长一段时期仍将是我国不可替代的战略性能源.

与石油、天然气等其他能源相比,煤炭是一种低利用率、高污染、高排放的能源.我国煤炭资源的特点是难选煤多,高灰、高硫煤比重大,大部分原煤灰分在25%左右,原煤中约12.8%的煤含硫量高于2%.20世纪发生的大气环境污染事件,如酸雨、气候变暖、臭氧空洞、城市煤烟雾以及光化学烟雾污染等,都与燃煤有关.大气中的主要污染物,如SO₂、NO_x、CO、颗粒物、有机污染物、烟尘、汞等重金属,主要源自燃煤.这些排放物对人类健康和生态环境都造成了不可逆转的损害.国家环境保护部《2013年中国环境状况公报》^[3]显示,全国监测PM_2.5的74个重点城市中,只有3个城市空气质量达标,占比仅4.1%;年平均霾天数为36天,为1961年以来之最;酸雨面积约占国土面积的10.6%;SO₂和NO_x排放量分别达2 043.9万t和2 227.3万t,我国生态环境保护形势十分严峻.世界卫生组织调查报告显示,世界每8个死亡人口中就有1人死于糟糕的空气质量.

随着我国经济社会的快速发展,人们深刻认识到能源消费量不断增长导致能源资源紧缺的同时,对生态环境的诉求更是越发强烈.2010年以来,国家将节能环保和新能源产业放在七大战略性新兴产业的高度进行培育.虽然近年来非化石能源消费比重有所增长,但至2013年仅占比9.8%.国务院《节能减排“十二五”规划》^[4]和国家发展与改革委员会《煤炭工业“十二五”发展规划》^[5]要求,2015年全国能源消费总量控制在40亿t标准煤,单位GDP(国内生产总值)能耗下降16%,SO₂和NO_x排放量分别控制在2 086.4万t和2 046.2万t.因此,当前煤炭工业节能减排面临着十分严峻的形势和挑战,煤炭工业节能减排是煤炭工业未来可持续发展的必由之路.

我国是世界最大的煤炭生产与消费国,并且在相当长时期内以煤为主要能源的生产和消费结构不会发生改变,因此我国也成为受燃煤污染最为严重的国家.长期以来,煤炭集约开采程度低、粗放式的生产经营、资源浪费等问题仍然比较突出,煤炭平均回采率只有40%左右,仅为发达国家的一半;同时,与煤炭共生的资源损耗很大,每开采1 t煤约损耗与煤炭资源共生、伴生的铝矾土、硫铁矿、高岭土、耐火粘土、铁矾土等达8 t^[6];煤炭产业整体性差,开发粗放,浅加工,利用低,废物利用少,未从开采、加工和利用的全生命周期,以系统工程的高度,从经济社会环境多维度考虑煤炭资源的集成优化利用;环境污染严重,在开采、洗选、加工、储运、利用等过程中产生大量废水、废气、固体废弃物等,对大气、水、土壤、地质地貌等生态环境造成破坏.

煤炭高效清洁利用技术是解决当前能源资源紧缺和环境污染困境的重要途径,也是世界各国煤炭工业节能减排的主导技术之一.20世纪90年代以来,我国一直高度重视发展煤炭高效清洁利用技术,经过多方多年的努力,我国在煤炭节能减排技术研发、推广和应用等方面取得了显著的成效.

煤炭加工技术是指采用物理、物理化学、化学或微生物等方法将原煤脱灰、降硫,并加工成质量均匀、用途不同的分品种的洁净煤,是实现煤炭高效、洁净利用的源头技术,主要包括煤炭洗选、型煤、水煤浆技术等.发达国家煤炭洗选始于20世纪30年代,到90年代已实现高灰高硫原煤100%入洗,平均洗选率达50%以上,近年来已达到100%.在工艺和方法上,美、澳等发达国家普遍采用块煤重介和跳汰分选、细粒煤螺旋分选、煤泥浮选、精煤脱水、干燥工艺等,应用重介质旋流器、螺旋分选机、摇床等设备,自动化程度高,选煤厂处理能力大,效率达95%以上^{[7, 8]}.我国煤炭洗选晚于发达国家20多年.改革开放以来,我国煤炭洗选有了长足的发展,20世纪末全国原煤入洗率为22%,近年来煤炭洗选率达到60%左右.重介选煤、跳汰选煤等工艺有了较大提高,自主研发的跳汰机、重介质分选机旋流器、浮选机等已接近国际先进水平,无压重介质旋流器、旋流静态微泡浮选柱的研制使提升分选技术得到了发展,XJM-S型机械搅拌式浮选机达到国际先进水平.但整体选煤厂自动化程度不高,处理能力不大,平均洗选率为85%左右,与发达国家有较大差距.

型煤是由粉煤或低品位煤加工制成的具有一定强度和形状的煤制品.20世纪初,德国开始利用年轻褐煤采用高压无粘结剂成型工艺生产褐煤砖后,陆续有热压成型工艺、褐煤成型两段炼焦工艺、弱粘结煤或不粘结煤生产型焦工艺等,并迅速普及推广,而且从未停止对型煤技术的研究.目前,生物质环保型煤技术已日趋成熟.我国从20世纪中叶开始型煤研究,工业燃料型煤研究还处在起步阶段,尚未形成规模.目前工业和民用型煤开发已经形成了具有我国特点的粘结剂、低压集中成型工艺和集中配炉前成型工艺,其中民用型煤技术已经达到国际水平,但尚需普及推广.生物质型煤、环保固硫型煤、型煤粘结剂及烟煤型煤技术等方面也取得了进展,民用型煤、动力型煤、气化型煤等已形成一定规模^{[9, 10]}.当前,我国正重点围绕环保型煤、生物质型煤、低变质程度烟煤型煤技术等方面开展研究.

水煤浆是20世纪70年代爆发石油危机时兴起的代油新型煤基液体燃料.80年代美、澳、日、法等发达国家已开发超低灰煤、化学煤、精细水煤浆等技术.我国于20世纪80年代初开始研究水煤浆技术,经过近30年的科技攻关,已研发出高性能水煤浆添加剂,一磨机高浓度制浆工艺,低阶煤环保型水煤浆、贫煤贫瘦煤石油焦制备低挥发分煤浆、褐煤制备气化煤浆、精细油水煤浆,以及水煤浆液态化-悬浮燃烧、压缩空气雾化精细水煤浆燃烧、流化-悬浮燃烧、多重配风旋风燃烧、催化燃烧及水煤浆低温低氧燃烧等技术,整体技术水平已达到国际先进水平^[11].针对我国低阶煤储量丰富的特点,经过多年的努力,研发出高效节能的低阶煤制备高浓度水煤浆技术.该技术将多破少磨、分级研磨和优化级配的理念成功融入到制浆工艺中,将选择性磨机和超细磨机结合,提高了煤浆堆积效率,扩大了制浆原料煤的范围,成浆浓度进一步提高.该技术在国内成功推广,已形成年产1 000万t的规模^[12].

在超超临界发电技术方面,我国已经投运的600℃超超临界燃煤机组达100台,超过8 000万kW,数量和总容量居世界第一.截至目前,我国在超超临界发电方面,已经具备制造100万kW、25 MPa、600℃等级发电机组的基础和能力,但600℃超超临界机组核心元件材料全部依赖进口,同时我国在耐高温材料基础方面的研究与发达国家有较大差距^[13].2010年起,我国成立了“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”,设立了“国家700℃超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示范”项目,旨在对700℃超超临界燃煤发电技术进行研究,攻克技术难关,实现700℃超超临界燃煤发电技术的自主化.这标志着中国加入了世界开发700℃超超临界火电技术的行列.由华能集团等单位共同组织600 MW 700℃超超临界燃煤示范电站的方案研究.该示范项目采用燃煤空冷机组,汽机侧的蒸汽参数为35 MPa/700℃/720℃.2013年已完成了锅炉炉膛的初步选型和特性参数选取,同时完成了汽水流程设计、受热面布置以及烟气余热设备的设计等工作,部分取得了阶段性成果^[13].

在大型循环流化床方面,自2007年国产首台300 MW循环流化床机组投入运行以来,我国大型循环流化床燃煤锅炉技术取得了迅速发展.目前,我国突破了600 MW超临界循环流化床锅炉启动调试、机组合理运行、性能及其测试等关键技术,掌握了超临界循环流化床升负荷过程湿-干态转换及超临界转换点的特殊性.2013年我国自主研发的世界首台最大容量600 MW超临界循环流化床锅炉成功投入运行.该锅炉可使用价格低廉的劣质煤,无需加装额外烟气处理装置,性能优于国外相关技术,发电效率比亚临界循环流化床锅炉约高4%,标志着我国在循环流化床燃烧及工程技术领域达到了世界领先水平.另外,针对燃用劣质燃料、大型超临界循环流化床(CFB)锅炉系列、节能型CFB锅炉技术也在进行研发^{[14, 15]}.

目前,在洁净煤发电领域中整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)发电技术被普遍认为是最具竞争力和发展前景的燃煤发电技术之一.自20世纪80年代中期第一台整体煤气化联合循环电站投运以来,经过近40年的发展,全世界已建、在建IGCC电站近30座,在役纯发电IGCC电站为5座.目前投入运行的单机容量最大的IGCC机组为300 MW,位于西班牙.现在IGCC发电技术正处于第二代技术的成熟阶段.20世纪80年代初期,我国开始跟踪IGCC技术的发展,90年代开始启动IGCC示范项目的可行性研究,2007年将其列为洁净煤发电示范工程,2009年正式开工建设,2012年265 MW机组建成投产发电,形成了具有自主知识产权的两段式干煤粉加压纯氧燃烧气化炉技术等多项新技术、新工艺.该技术比国外的水煤浆气化技术和干煤粉气化技术有着更高的转化效率,并将该项自主技术出口^[15].

煤基清洁燃料技术指煤制清洁气体燃料、煤制油和化工品技术.“十五”以来,国家专门立题支持了多项技术内容的开发,在煤制天然气、浆态床费托合成、煤加氢液化、煤制烯烃等方面进行了工业示范及产业化,并且煤制烯烃、浆态床费托合成、煤加氢液化等工业技术达到国际领先或先进水平.我国从20世纪70年代末开始进行煤炭直接液化技术的研究和攻关,在日本NEDOL工艺、美国HTI工艺和德国IGOR工艺的基础上,我国开发出煤直接液化工艺技术,并建成世界唯一的百万吨级煤直接液化装置,经过了工业化规模和长周期运行的验证,代表了世界煤直接液化技术的领先水平.我国煤炭间接液化技术的研究始于20世纪50年代初,重启于80年代,目前已具备建设万吨级规模生产装置的技术,在关键技术、催化剂的研究开发方面已拥有了自主知识产权,自主研发的煤炭液化技术已达到世界先进水平.国内首个采用煤间接液化制油项目(16万t·a^-1)实现年产油18万t,吨油煤耗、水耗及催化剂产油能力、产品选择性等指标优异,处于国际前列.目前国内已投入示范运行的煤制油项目有5个,总规模近200万t.煤制油技术成熟度和经济可行性已经得到验证,正式进入了商业化开发阶段.目前,我国共有煤制油在建、拟建商业化或示范项目10个,全部15个项目投入运行后,预计将实现煤制油总产能年产1 800万t.另外,我国已经开发出kW级燃料电池堆技术,煤炭气化与燃料电池联合的相关研究正在进行中.

煤制烯烃即煤基甲醇制烯烃,是比较公认的第二个新型煤化工路径.目前国际上使用的煤制烯烃技术主要包括美国及挪威开发的MTO技术和德国开发的MTP技术.我国在吸收借鉴国外技术的基础上,研制出甲醇制取低碳烯烃DMTO、DMTO-Ⅱ工业化技术^[16].对MTP技术的研发也取得了进展,“流化床甲醇制丙烯FMTP”技术研发运行成功,产生了具有世界先进水平和自主知识产权的新型煤化工技术.目前,我国已投入运行7个煤(甲醇)制烯烃装置,总产能达326万t·a^-1.

我国对乙二醇的进口依赖一直在70%以上.无论是国内还是国外,都在采用煤制乙二醇技术.国外乙二醇生产的技术主要是利用合成气-草酸酯-乙二醇的生产工艺.我国煤制乙二醇的研究始于20世纪80年代,2009年20万t·a^-1煤制乙二醇项目投产结束了只能采用石油技术路线生产乙二醇的历史.目前草酸酯合成法是比较成熟的煤制乙二醇间接合成技术,很多科研机构也在不断研制新型设备^[17].目前正在研发的高压生产草酸二甲酯工艺同与之配套的第三代羰化、加氢催化剂将在合成气制乙二醇大型工业化和工程放大中进行示范应用,有望突破煤制乙二醇大型规模化的瓶颈,还可用于草酸及草酸酯的大型化改造中.目前,我国已建成7套合成气经草酸酯路线制乙二醇项目,产能共计110万t·a^-1.预计2014年煤制乙二醇产能将达208万t·a^-1.此外,还有30多个项目处于建设、前期工作和计划中,预计2017年煤(合成气)制乙二醇产能将达到672万t·a^-1.

近年来,我国以煤气化油电联产和IGCC发电工程为依托,开展了大型煤气化、合成气低污染重型燃气轮机、煤基液体燃料、系统优化集成、运行及控制等关键技术的研发与示范;建设了IGCC绿色煤电、新型水煤浆气化、费托合成技术、清洁能源动力技术研究基地和煤基合成油IGCC联产研发基地,取得了一系列创新性成果.这标志着我国在以煤气化为基础的多联产及IGCC关键技术研发和工业示范方面取得了重大进展,具备了相关技术自主研发、系统集成和工程成套能力.

我国燃煤烟尘的治理始于20世纪70年代初,最初使用的是惯性、旋风等机械式除尘器.目前,主要采用湿式除尘器、静电除尘器或布袋除尘器.近年来,有学者针对燃烧后不能被捕获的超细微颗粒物提出电袋耦合技术、团聚技术和水汽相变脱除技术.在对SO₂的治理时燃烧前脱硫技术中的物理洗选技术得到大规模应用,燃烧中包括燃用固硫型煤、炉内喷钙加尾部增湿活化脱硫和循环流化床技术等.燃烧后脱硫常见的有石灰、石灰石、氧化镁法等脱硫工艺.国外已开发出上百种烟气脱硫技术.目前,我国对20 t·h^-1及以上燃煤工业锅炉烟气的治理主要采用一级除尘十二级脱硫装置,并配备脱硫除尘监测系统^[18].在氮氧化物治理方面,通过烟气回流降低燃烧区局部温度以及采用分层供风两段燃烧等措施降低氮氧化物排放,主要的脱硝方法为选择性催化还原法(SCR)等,同时在锅炉上安装低氮燃烧器、脱氮装置等.此外,还发展了几种多污染物协同控制技术,如活性焦一体化技术、有机催化烟气综合清洁技术和氧化吸收协调控制技术等^[19].在脱汞方面,有以活性炭吸附为代表的吸附法、利用现有脱硫除尘装置的脱汞法、电晕放电等离子体脱汞法、电催化氧化联合处理脱汞法以及SCR技术等^[20].我国主要采用湿法脱硫装置去除氧化态汞,利用除尘装置除去大部分颗粒汞,但对不溶于水的气态汞效果不显著.

目前我国正在使用的工业锅炉总量约有57万台,容量达290万蒸t·h^-1,年用煤量6.0～6.5亿t,占我国煤炭消费量20%以上,仅次于发电用煤^[21].国内早在20世纪70年代就曾开发过煤粉工业锅炉应用技术,但因煤粉制备、锅炉自动控制、布袋除尘等配套技术不成熟或价格昂贵,专用装备的加工工艺落后,最终放弃了对该技术的研发和应用.90年代,煤粉工业锅炉有了初步进展,如PW型旋流式小型煤粉锅炉.2000年,开发出0.7~7.0 MW CWNS型锅壳式煤粉锅炉(也称金水锅炉)^[22].近十余年来,我国在借鉴发达国家相关技术的基础上,成功研发出高效、节能、清洁煤粉锅炉技术,燃尽值达98%以上,锅炉效率达90%以上,比传统锅炉节煤30%~50%,节电20%.利用高倍率灰钙循环稀相烟气净化技术、低温燃烧环境与均匀的温度场分布、袋式除尘技术等,SO₂排放质量浓度≤100 mg·Nm^-3,NO_x排放质量浓度≤200 mg·Nm^-3,烟尘排放量≤10 mg·Nm^-3甚至更低,无分散地面排放造成的二次污染问题^[12].目前,单机容量最大蒸吨达64 t·h^-1,该技术已经在全国推广应用,已建设完成近200台套、1 000 t·h^-1的规模.

我国对煤层气开发利用起步较晚,20世纪80年代后期开始进行煤层气勘探开发试验,将煤层气作为一种能源进行研究.经过多年努力,我国在煤层气开发利用的理论和技术方面已取得实质性突破与进展,取得了一定成就,初步实现了煤层气的规模化开发和利用.研发了井下水平定向钻孔钻进及多分支水平井钻完井等重大核心技术,组建了煤层气开发利用国家工程研究中心、煤与瓦斯治理国家工程研究中心以及煤层气产业技术创新战略联盟,不断完善煤层气开采和利用技术^[23].2011年我国实现煤层气产量达115亿m³,实际利用53亿m³,预计2015年实现煤层气产量300亿m³.20世纪80年代,美国开始进行煤层气的勘探和开发,目前已形成世界上最成熟、最完备的煤层气开发技术体系.加拿大、澳大利亚等在借鉴美国经验的基础上,开发了一系列新技术,如水力压裂改造技术、煤中多元气体驱替技术、连续油管压裂技术、水平井分段压裂技术、U型井技术、多层扩孔技术、大排量氮气泡沫压裂技术、利用二氧化碳回收煤层气技术等,水力压裂改造技术在我国也得到了很好的应用^{[24, 25]}.

在煤炭开采及下游加工过程中产生了大量的煤矸石.目前,我国煤矸石堆放量超过40亿t.在所有的工业废弃物中,煤矸石所占比例最大.因此,煤矸石的资源化利用具有重要价值.传统意义的煤矸石低层次利用伴随着煤矿的开采一直在进行,如翻矸再次选煤、利用煤矸石铺路筑墙等.20世纪80年代以来,对煤矸石的资源化利用创新出了很多途径,例如:煤矸石作为基建材料,用于采空区回填、塌陷区复垦、路基填料及路面基层集料;煤矸石直接作为燃料发电,目前国内煤矸石电厂装机容量已达500万kW,2015年将有一大批煤矸石发电项目建成投产,“十三五”期间全国可新增煤矸石发电装机超过2 500万kW;回收煤矸石中富含的矿物,如硫精矿、高岭石等;以煤矸石为原料生产无机盐类化工产品,生产结晶氧化铝、氢氧化铝、硫酸铝、水玻璃、白炭黑及分子筛等^[26];利用煤矸石生产建筑材料技术已经比较成熟,如水泥、混凝土砌块和陶粒轻骨料等;在农业方面,用于有机肥、农药载体和改良土壤,提高产量;用于加工日用陶瓷产品、釉面砖等.从目前整体来看,煤矸石主要利用途径是发电、生产水泥和烧砖,但利用总量较少,规模不大.

当前,我国正处于产业结构战略调整和经济发展转型升级时期,这对煤炭工业的发展是机遇和挑战并存.我国煤炭工业经过十余年的快速发展,取得了一系列重大成就,为国家和社会进步起着巨大推动作用.煤炭工业节能减排技术伴随着煤炭工业的巨大发展,取得了一系列重大进步,某些方面获得了突破甚至达到了国际领先水平.但是,从整体上看,与发达国家仍相距较远.借鉴发达国家的技术和经验是一条重要的途径,走吸收引进再创新和自主创新相结合的道路是未来发展的方向.

20世纪末,美国开始制定能源及相关问题的技术发展规划,提出了煤炭等相关行业2020年展望和目标的报告.其中,就不同行业的节能目标以及影响人类生活的各种指标制定了比较明确的技术蓝图,对技术研发的机会和价值、关键技术、难点和对教育的需求都做了深入的分析^[27].21世纪以来,美国启动的一系列节能项目,就是依据这些相关技术蓝图实施.这对于我国的节能减排发展,包括煤炭工业节能减排技术的发展,均具有重要的借鉴意义.

我国制定煤炭工业节能减排技术蓝图的目的在于明确煤炭工业节能减排技术研发及应用和未来的发展方向,清晰实现发展目标需要的重大关键技术和需要攻关的高难度问题,建立起技术与产品、市场之间的联系,使煤炭工业节能减排技术的发展能够按既定的路线稳步推进.

毋庸置疑,洁净煤技术是当前乃至今后影响我国煤炭工业节能减排技术发展的主导技术之一,也契合我国产业结构转型升级的发展战略.虽然我国在这方面已经取得了一些实质性突破,并已有成熟的技术和示范应用,但仍无法推动全面深入推广和应用,市场化程度不高.因此,研制煤炭工业节能减排技术发展蓝图不仅包括研发,还包括设计生产、加工制造、推广应用、政府和市场协调推进等方面,是全方位立体的架构设想.从现有的情况来看,我国基本形成了以企业、院校和研究机构三位一体的研发格局,但未来还应加大协作力度,共同发起对重大关键共性技术的攻关,避免重复和人力资源的浪费;在引进吸收国外先进经验和技术方面,不要盲目和急功近利,要选择当今国际先进技术和引进后对我国该领域有重大推动作用的相关技术,避免陷入价格营销和发达国家过时技术的倾销;在技术、产品推广应用方面,国家要尽快建立起推广和应用节能技术与产品的机制,以利于现有的技术和产品发挥作用,形成良性循环,企业得以再次投入进行技术攻关和研发;在政府和市场方面,政府要为企业的技术和产品搭建筹融资平台,对于具有普遍利益和只适合财政买单的技术和产品,政府要加大采购以惠及民生,同时构建灵活规范的市场机制,促进技术和产品的流动,推动其走上市场化良性机制的轨道.