王亚杰等：中国lyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 1751· 我国是一个煤炭大国，煤炭在我国能源结构 和碱洗法等然而，这些方式的脱灰效率普遍 中占据重要的地位.根据国家统计局的数据显示， 很低，脱灰效果并不理想，也容易造成环境污染问 2020年我国的一次能源生产总量为40.8亿吨标准 题.日本神户制钢开发的HyperCoal(HPC)技术， 煤，其中原煤的产量为27.6亿吨标准煤，占比为 利用溶剂萃取技术从原煤中得到一种高性能煤衍 67.6%,而一次电力及其他能源的产量仅为8.0亿 生物，可以将煤的灰分降至0.02%以下目前，HPC 吨标准煤，占比为19.6%：能源消费总量为49.8亿 主要由低阶煤萃取而来，这是因为低阶煤的储量 吨，其中煤炭占能源消费总量的56.8%，石油的占 十分丰富，且萃取率较高.研究发现，HPC具有低 比为18.9%，天然气的占比为8.4%，一次电力及其 灰、低水、高热值、高反应性、良好热塑性、环境 他能源的占比为15.9%.目前，我国煤炭的主要利 友好等特性，是一种非常有潜力的煤衍生物-剧 用方式是直接燃烧发电和工业供热，总体上效率 基于此，本文归纳了HPC在清洁高值利用方 很低，同时造成了严重的环境污染和大量的温室 面的多种应用途径，对目前HPC在中国的应用现 气体排放.据统计，2015年中国燃烧煤炭排放的 状进行了总结和评价，并概述了本科研团队在扩 SO2、CO2、NOx、粉尘排放量分别占全国总排放比 展HPC应用领域做出的努力和取得的重要研究成 例的85%，85%，67%和70%川.大量直接燃煤造成 果，指出了目前HPC在推广和应用中遇到的问题， 的城市大气污染，过度消耗生物质引起的农村生 并对HP℃的未来发展方向提出了独特的见解 态环境破坏，以及CO2温室气体排放是中国的主 1HPC的应用现状 要问题，这已成为国民经济可持续发展的制约因 素.因此，大力发展清洁煤技术，采用污染少、效 1.1燃烧方面 率高的方式将煤炭加工、燃烧和转化不仅有利于 燃煤发电是煤炭的主要利用方式之一，尤其 国民经济的良性发展，也符合我国可持续发展的 是像中国这样的煤炭大国，每年用于电力行业的 战略要求 煤炭超过20亿吨.然而，燃烧煤炭时会产生大量 然而，煤中过高的灰分含量则限制了一些洁 的SO2、NO、烟尘、汞及其化合物等物质，严重污 净煤技术的推广.煤炭灰分不仅会增加运输成本 染大气环境，直接碳燃料电池(Direct carbon fuel 和洗选难度，也会降低使用效率，造成环境污染等 cell,DCFC)是一种可以将煤炭直接转化为电能的 问题.因此，降低煤炭中的灰分含量已成为煤炭清 清洁技术.DCFC是一种特殊类型的高温燃料电 洁高效利用的一个重要课题.煤炭的脱灰技术主 池，它直接使用固体碳作为阳极和燃料，通过氧气 要分为两种，一是传统的物理脱灰，二是精制脱灰四 和碳燃料之间的电化学反应获得能量，并产生电 传统的物理脱灰主要是对灰分进行初步脱除，如 能.DCFC的实际能量转化效率为80%，约为普通 跳汰法、重介法和浮选法等，此过程会产生大量的 燃煤发电站的两倍.然而，煤中可能包含大量杂 煤矸石、粉煤灰和炉渣等固体废弃物.精制脱灰 质，例如A12O3、SiO2、SOx等，这会抑制阳极反应，引 一般是建立在传统脱灰的基础上，主要分为物理 起电池元件的腐蚀等问题，因此，需要对煤进行洁 法和化学法，物理法有密度液洗选、浮选柱浮选、 净化处理.如图1所示，由于灰分低、杂质少，HPC是 选择性团聚法、摩擦静电法等，化学方法有酸洗法 适应DCFC要求的一种有效且廉价的燃料来源9I☒ Electricity Fragmentation Carrier gas CO, ■Ain Anode Cathode Air 困1HPC作为燃料用于直接碳燃料电池的工作示意图 Fig.I Schematic diagram of direct carbon fuel cell using HPC as fuel我国是一个煤炭大国，煤炭在我国能源结构 中占据重要的地位. 根据国家统计局的数据显示， 2020 年我国的一次能源生产总量为 40.8 亿吨标准 煤，其中原煤的产量为 27.6 亿吨标准煤，占比为 67.6%，而一次电力及其他能源的产量仅为 8.0 亿 吨标准煤，占比为 19.6%；能源消费总量为 49.8 亿 吨，其中煤炭占能源消费总量的 56.8%，石油的占 比为 18.9%，天然气的占比为 8.4%，一次电力及其 他能源的占比为 15.9%. 目前，我国煤炭的主要利 用方式是直接燃烧发电和工业供热，总体上效率 很低，同时造成了严重的环境污染和大量的温室 气体排放. 据统计，2015 年中国燃烧煤炭排放的 SO2、CO2、NOx、粉尘排放量分别占全国总排放比 例的 85%，85%，67% 和 70% [1] . 大量直接燃煤造成 的城市大气污染，过度消耗生物质引起的农村生 态环境破坏，以及 CO2 温室气体排放是中国的主 要问题，这已成为国民经济可持续发展的制约因 素. 因此，大力发展清洁煤技术，采用污染少、效 率高的方式将煤炭加工、燃烧和转化不仅有利于 国民经济的良性发展，也符合我国可持续发展的 战略要求. 然而，煤中过高的灰分含量则限制了一些洁 净煤技术的推广. 煤炭灰分不仅会增加运输成本 和洗选难度，也会降低使用效率，造成环境污染等 问题. 因此，降低煤炭中的灰分含量已成为煤炭清 洁高效利用的一个重要课题. 煤炭的脱灰技术主 要分为两种，一是传统的物理脱灰，二是精制脱灰[2] . 传统的物理脱灰主要是对灰分进行初步脱除，如 跳汰法、重介法和浮选法等，此过程会产生大量的 煤矸石、粉煤灰和炉渣等固体废弃物. 精制脱灰 一般是建立在传统脱灰的基础上，主要分为物理 法和化学法，物理法有密度液洗选、浮选柱浮选、 选择性团聚法、摩擦静电法等，化学方法有酸洗法 和碱洗法等[3−4] . 然而，这些方式的脱灰效率普遍 很低，脱灰效果并不理想，也容易造成环境污染问 题[5] . 日本神户制钢开发的 HyperCoal（HPC）技术， 利用溶剂萃取技术从原煤中得到一种高性能煤衍 生物，可以将煤的灰分降至 0.02% 以下[6] . 目前，HPC 主要由低阶煤萃取而来，这是因为低阶煤的储量 十分丰富，且萃取率较高. 研究发现，HPC 具有低 灰、低水、高热值、高反应性、良好热塑性、环境 友好等特性，是一种非常有潜力的煤衍生物[7−8] . 基于此，本文归纳了 HPC 在清洁高值利用方 面的多种应用途径，对目前 HPC 在中国的应用现 状进行了总结和评价，并概述了本科研团队在扩 展 HPC 应用领域做出的努力和取得的重要研究成 果，指出了目前 HPC 在推广和应用中遇到的问题， 并对 HPC 的未来发展方向提出了独特的见解. 1    HPC 的应用现状 1.1    燃烧方面 燃煤发电是煤炭的主要利用方式之一，尤其 是像中国这样的煤炭大国，每年用于电力行业的 煤炭超过 20 亿吨. 然而，燃烧煤炭时会产生大量 的 SO2、NOx、烟尘、汞及其化合物等物质，严重污 染大气环境. 直接碳燃料电池（Direct carbon fuel cell，DCFC）是一种可以将煤炭直接转化为电能的 清洁技术. DCFC 是一种特殊类型的高温燃料电 池，它直接使用固体碳作为阳极和燃料，通过氧气 和碳燃料之间的电化学反应获得能量，并产生电 能. DCFC 的实际能量转化效率为 80%，约为普通 燃煤发电站的两倍. 然而，煤中可能包含大量杂 质，例如 Al2O3、SiO2、SOx 等，这会抑制阳极反应，引 起电池元件的腐蚀等问题，因此，需要对煤进行洁 净化处理. 如图 1 所示，由于灰分低、杂质少，HPC 是 适应 DCFC 要求的一种有效且廉价的燃料来源[9−12] . Fragmentation HPC Carrier gas C C − + CO2 Anode Electricity Air Air Cathode 图 1    HPC 作为燃料用于直接碳燃料电池的工作示意图 Fig.1    Schematic diagram of direct carbon fuel cell using HPC as fuel 王亚杰等： 中国 HyperCoal 清洁高值化应用研究现状与展望 · 1751 ·