第1章　低热值煤发电

1.1　低热值煤的资源化

1.1.1　低热值煤

（1）煤炭资源特征

我国是煤炭资源比较丰富的国家，煤炭是我国的基础能源，在一次能源结构中占70％左右。2011年我国煤炭总产量达到32亿吨。我国目前已探明煤炭储量10997亿吨，而预测煤炭总资源量将超过50000亿吨。国家在“十一五”期间重点集中建设和开发了占地面积共25085km2的十三个大型煤炭基地，这些基地的保有煤炭储量近万亿吨。

我国煤炭资源分布极广，在全国26个省（自治区、直辖市）均发现有煤炭资源并进行开采。但煤炭资源分布很不均衡，在秦岭-大别山以北地区，保有煤炭资源储量占全国总储量的90％左右，其中65％的资源集中分布在山西、陕西、内蒙古三省区；而在秦岭-大别山以南地区保有煤炭储量仅占全国总储量的10％，其中的绝大部分则集中分布在云南和贵州两省。若根据煤炭资源、市场等情况，可将全国划分为煤炭调入区、煤炭调出区和煤炭自给区三个功能区。我国经济最发达的东部十个省区的保有煤炭资源储量只占全国的5％，煤炭资源分布与经济发展程度呈逆向分布，这就造成了煤炭运输数量大、距离远的现状，使得煤炭运输成为我国煤炭供给的一大瓶颈。

煤炭通过洗选加工，质量将会提高，这就实现了优化产品结构、改善铁路运力、降低运输成本的目标，在此基础上实现按质分级利用，是煤炭绿色开采和高效利用的有效途径，也是煤炭工业结构调整和产业转型的重要内容。2011年已经建成并投产的在役选煤厂达到1800多处，年处理能力15亿吨，入洗原煤总量14.5亿吨：其中炼焦煤选煤厂1100余处，年处理能力8.5亿吨；动力煤选煤厂700余处，年处理能力6.5亿吨。通过洗选，减少交通运力占用1614亿吨·公里，减少运费支出145亿元。规划到2020年在13个大型煤炭基地中，将会新建选煤厂400座，改扩建74座，届时原煤入洗率将达到70％。在原煤生产、洗选过程中，不可避免地会产生大量的煤矸石、煤泥和洗中煤等低热值煤。

（2）低热值煤特征

煤矸石（收到基低位发热量大于4.8MJ·kg-1）、煤泥和洗中煤等，可以混合中热值煤（收到基低位发热量小于18MJ·kg-1），形成收到基低位发热量不大于14MJ·kg-1的入炉燃料，称为低热值煤。

煤矸石是在煤炭形成过程中与煤共生、伴生的岩石，是煤炭生产和洗选加工过程中产生的固体废物，曾被看成是“工业垃圾”。煤矸石包括煤矿在建设期开凿巷道排出的矸石、原煤生产过程中掘进巷道排出的煤矸石、原煤出井后进入选煤厂进行洗选分离排出的洗矸。其中煤矿开凿巷道排出的矸石一般没有热值，只有在穿越煤系地层时才会排出少量含煤矸石。掘进巷道和半煤岩巷道会排放出大量含有煤炭的掘进矸石。选煤厂排出的洗矸是在井下开采中，煤层中间的夹矸、煤层的顶和底板脱落混入的炭质页岩类岩石。我国东部老矿区和其他部分矿区深部煤层本身含灰量大，原煤灰分有的超过50％，一些炼焦煤品种煤层灰分超过60％的也在开采，导致原煤灰分很高，洗选排矸量很大。这些固体废物如果堆存，将形成每座占地1500亩（1亩=666.7m2，下同）的煤矸石山100余座。这些矸石都是炭质页岩类矿物，是煤炭在成煤期地质变化而混入的，形成炭和黏土共存，无法避免，本身也有一定的热值。目前，十三个大型煤炭基地重介质选煤占洗选方式的50％以上，跳汰法选煤占30％左右。目前，重介质选煤洗矸热值一般都控制在6MJ·kg-1之内，跳汰选煤洗矸热值在8MJ·kg-1以下，炼焦煤选煤厂浮选尾矿热值可以达到12MJ·kg-1左右，这些煤矸石均可用作燃料。各地区的具体情况因煤炭资源赋存状况和煤质、煤种不同，差别比较大［1］。

煤泥和洗中煤是煤矿生产的原煤经选煤厂加工后排出的较其原煤发热量低的煤炭。进厂时原煤中的细粉煤和原煤在洗选过程中煤粒间经过摩擦等机械破碎、被水浸泡泥化等作用而形成的一部分很细的煤岩末，统称煤泥。煤泥分原生煤泥和次生煤泥，原生煤泥是指原煤在地下开采和运输过程中被破碎的粉末；次生煤泥是指煤炭在湿法分选过程中，由于洗选工艺造成的机械破碎粉和经水浸泡泥化的煤岩末，通过浮选回收部分细粒精煤后，剩下的固体物质进行压滤脱水得到的煤泥。煤泥热值一般在10～14MJ·kg-1之间。洗中煤是原煤在洗选过程中，由于没有充分破碎解离形成的半煤半岩颗粒产品。洗中煤含灰分较高，一般都在35％以上，热值多在10～16MJ·kg-1，差别很大［2］。

次杂煤是煤矿对少数有一定热值的垃圾类物质的统称。主要来源于井下巷道遗撒、轨道和其他缝隙散落、清理水沟、井下水仓的淤泥煤岩末，以及地面堆存中铲除的地皮等，各煤矿数量都不大，一般每年在几百吨到上千吨之间。

（3）低热值煤产量

目前我国每年排放洗矸2.5亿吨，高灰煤泥6000余万吨。到2020年，13个大型煤炭基地每年将产生5.36亿吨可用于发电的低热值煤，折合标准煤1.62亿吨。低热值煤应该就地消化利用，否则大量灰分通过远距离运输进入消费环节，既浪费交通运力，又会造成消费环节的不必要损失。

山西、蒙西、陕西、宁东、陇东、贵州和新疆（以下简称七地区）煤炭资源储量丰富，除贵州外，均开采条件好，矿区规模大，主要以大型和特大型煤矿为主，未来我国煤炭增长和调出主要依靠这些地区。“十二五”期间七地区低热值煤产量大，外运不经济，就地消纳困难，但可以作为建设电厂的燃料，因此七地区是低热值煤发电发展的规划重点。

七地区所辖的42个矿区均在国家大型煤炭基地内，规划到“十二五”末期，原煤产量均在1000万吨以上，且煤矸石等低热值煤产量大且集中，详见表1-1。

截至2010年，七地区42个矿区原煤产量15亿吨，原煤入洗量9.45亿吨，产生低热值煤0.83亿吨，其中煤矸石0.40亿吨，煤泥0.25亿吨，洗中煤0.18亿吨。详见表1-2。

①1cal=4.1868J，下同。

2015年，预计七地区42个矿区（基地）原煤产量25.33亿吨，原煤洗选量19.07亿吨，产生低热值煤1.59亿吨，其中煤矸石0.79亿吨，煤泥0.48亿吨，洗中煤0.32亿吨。配入约46％的中热值煤后，可产生3亿吨发热量为14MJ·kg-1的发电燃料，详见表1-3。

1.1.2　低热值煤的资源化

（1）资源化利用途径

低热值煤最好的利用途径之一是发电，发电的主要实现方式是（CFB）锅炉机组。煤矸石除用作发电外还可以用于提取化工品、生产建材、生产农用肥料，以及用于沉陷区回填、筑路等。我国低热值煤发电和煤矸石建材已在工业化道路上不断发展，而在化工利用方面目前尚处于研究和示范阶段。

国外一般原煤产量较小，荒地多，人口少，低热值煤炭利用的问题不是很突出。除中国和俄罗斯外，其他主要产煤国家包括美国、澳大利亚、德国、南非等，都是将煤矸石、洗矸和煤泥等低热值煤直接堆存在地面适当地点，然后压实绿化，很少利用。而我国原煤生产数量巨大，相应的低热值煤炭排放数量大，矿点多，占用空间大，问题十分突出。

我国是发展中大国，人多地少，煤炭资源并不很富裕，而且东部矿区大多位于人口稠密的平原熟土区域，所以自建国以后，我国煤炭生产中排放的煤矸石一直在进行消纳利用，目的是减少矸石排放占用的耕地，降低矸石山的自燃引起的无序排放，缓解对环境生态的破坏，同时尽量回收矸石中的热量。部分矿区的煤矸石还有一些特殊成分，如高岭岩、膨润土、耐火黏土、硅藻土，可因地制宜地进行深加工。个别矿区的个别矿点的煤矸石中，含有诸如锗、钒、镓等稀有贵金属元素，可以进行提纯利用。还有少数矿点的煤矸石中含有较高的铝元素，也可提炼和回收利用。

由于低热值煤炭中煤矸石、煤泥和洗中煤的热值和成分存在着比较大的差异，因此对于低热值煤炭的综合利用宜采取分类利用的原则如下。热值在1.2MJ·kg-1以下的煤矸石，已经没有燃烧价值，主要用于填坑造地和道路建设的路基材料，剩余的部分只能是堆存覆土绿化。因此这部分煤矸石应力争不出井，用于井下局部充填置换煤柱，减少煤柱资源损失。对于热值1.2～3.2MJ·kg-1的煤矸石，燃烧非常困难，经济上也不合理，可添加黏土，用于生产内热式煤矸石烧结砖。目前全国已经发展到年产80多亿块标砖的能力，实际产量60亿块标砖左右，年消耗煤矸石1800万吨左右。但是矸石砖的生产受到运输半径的限制，而当地需求不足。热值超过3.2～4.8MJ·kg-1的煤矸石，由于内含热值过高，不能直接100％用于烧砖，需要掺混黏土，否则砖容易过烧变形。对于热值较高（>4.8MJ·kg-1）的煤矸石，由于煤矸石中碳含量较高，难以直接使用，必须先进行脱碳和活化，所以首先利用煤矸石燃烧发电或供热，脱碳和活化的同时回收热量，这也是大量建设煤矸石综合利用电厂的初衷。煤矸石经过低温煅烧后，其中的铝、硅、钙系化合物被活化，适宜用作水泥熟料的混合材料，充分消纳利用了煤矸石。

目前，对热值较高（>4.8MJ·kg-1）的煤矸石，煤炭调入省区基本都作为燃料利用，而在煤炭调出省区，由于产生量大和煤炭供应充足，少部分就地利用，大部分用于沉陷区回填、筑路等。洗中煤和煤泥的热值相对较高，一般掺入到高热值煤中作为燃料销售或就地利用。

（2）低热值煤发电现状

20世纪70年代末80年代初开始，随着鼓泡流化床锅炉的出现，开始采用鼓泡流化床锅炉燃烧煤矸石进行发电，建设了一批单机6MW级煤矸石综合利用电厂，主要为矿区生产和生活提供电能和热能。有力地促进了我国流化床燃烧技术的发展，进而推动了循环流化床（CFB）燃烧技术的发展［3］。目前商业化循环流化床锅炉单机容量已经发展到600MW，而这些循环流化床锅炉主要就是以煤矸石等低热值煤作为燃料的。

经过三十多年的发展，我国的煤矸石综合利用发电技术日臻成熟，产业初具规模。目前全国煤矸石综合利用电厂近400座，投产的总装机容量已达26000MW左右，主要分布在重点产煤区。2010年，七地区CFB电厂总装机容量15000MW，占全国总装机容量的57％，利用低热值煤0.8亿吨左右，而全国煤矸石综合利用电厂共消耗低热值煤约1.3亿吨，相当于节约3500万吨煤炭，相应减少占压土地300hm2［4］。低热值煤发电在节约能源、控制环境污染和生态破坏、缓解土地资源紧缺、减轻生态处置压力，以及减少安全隐患等方面都做出了重要贡献。

对于我国CFB机组，经过近十多年不断地研发和改进，300MW级及以下容量的国产CFB机组已基本成熟，其设计、建设、调试、运行的技术已经不存在大的问题，锅炉及主要辅机产品（高压风机、冷渣器等）运行可靠性也大大提高［5］。作为低热值煤综合利用发电的主要方式，CFB机组能够较好地利用各种热值燃料，在实现低热值煤综合利用方面具有不可替代的作用，是其他类型机组无法比拟的。另外，大型CFB机组在优化我国电源结构、减少发电污染物排放等方面具有一定作用。