中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 王亚杰左海滨王京秀白凯凯陈建生荣涛 Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China WANG Ya-jie,ZUO Hai-bin,WANG Jing-xiu.BAI Kai-kai,CHEN Jian-sheng.RONG Tao 引用本文： 王亚杰，左海滨，王京秀，白凯凯，陈建生，荣涛.中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望.工程科学学报，2021， 43(12:1750-1760.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.09.15.006 WANG Ya-jie,ZUO Hai-bin,WANG Jing-xiu,BAI Kai-kai.CHEN Jian-sheng.RONG Tao.Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12):1750-1760.doi: 10.13374-issn2095-9389.2021.09.15.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.15.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铷云母矿资源的综合利用 Comprehensive utilization of rubidium mica ore 工程科学学报.2019,41(4)：447 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.04.004: 热溶煤的燃烧特性 Combustion characteristics of thermal dissolution coal 工程科学学报.2018,40(3)：330 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.03.009 钒资源现状及有机磷类萃取剂萃钒的研究进展 Current status of vanadium resources and research progress on vanadium extraction with organic phosphorus extractants 工程科学学报.2021,43(5)：603 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.09.29.004 机动车来源多环芳烃及其衍生物的排放特征研究进展 Research progress of emission characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives of vehicle exhaust 工程科学学报.2021,43(1)：10htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.08.10.002 铬污染毒性土壤清洁修复研究进展与综合评价 Research progress on remediation technologies of chromium-contaminated soil:a review 工程科学学报.2018,40(11)：1275htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.001 基于最大池化稀疏编码的煤岩识别方法 A coal-rock recognition method based on max-pooling sparse coding 工程科学学报.2017,397)：981 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.07.002

中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 王亚杰 左海滨 王京秀 白凯凯 陈建生 荣涛 Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China WANG Ya-jie, ZUO Hai-bin, WANG Jing-xiu, BAI Kai-kai, CHEN Jian-sheng, RONG Tao 引用本文: 王亚杰, 左海滨, 王京秀, 白凯凯, 陈建生, 荣涛. 中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1750-1760. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.006 WANG Ya-jie, ZUO Hai-bin, WANG Jing-xiu, BAI Kai-kai, CHEN Jian-sheng, RONG Tao. Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1750-1760. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铷云母矿资源的综合利用 Comprehensive utilization of rubidium mica ore 工程科学学报. 2019, 41(4): 447 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.004; 热溶煤的燃烧特性 Combustion characteristics of thermal dissolution coal 工程科学学报. 2018, 40(3): 330 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.009 钒资源现状及有机磷类萃取剂萃钒的研究进展 Current status of vanadium resources and research progress on vanadium extraction with organic phosphorus extractants 工程科学学报. 2021, 43(5): 603 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.29.004 机动车来源多环芳烃及其衍生物的排放特征研究进展 Research progress of emission characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives of vehicle exhaust 工程科学学报. 2021, 43(1): 10 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.10.002 铬污染毒性土壤清洁修复研究进展与综合评价 Research progress on remediation technologies of chromium-contaminated soil: a review 工程科学学报. 2018, 40(11): 1275 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.001 基于最大池化稀疏编码的煤岩识别方法 A coal-rock recognition method based on max-pooling sparse coding 工程科学学报. 2017, 39(7): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.002

工程科学学报.第43卷.第12期：1750-1760.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1750-1760,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.006;http://cje.ustb.edu.cn 中国HyperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 王亚杰，左海滨⑧，王京秀四，白凯凯，陈建生，荣涛 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室.北京100083 区通信作者，左海滨，E-mail:zuohaibin@ustb.edu.cn,:王京秀，E-mail:jingxiuwang@ustb.edu.cn 摘要作为一个煤炭大国，煤炭在我国的能源结构中占据重要地位.然而，煤炭的过度使用不可避免的造成了环境污染和 温室效应等问题.因此发展洁净煤技术是解决煤炭利用问题的重要方式，对于我国经济的可持续发展至关重要 yperCoal(HPC)是通过溶剂萃取技术得到的一种煤衍生物，由于具有低灰、低水、高热值、高反应性、良好热塑性、环境友好 等特性，在洁净煤技术中有着重要的应用.基于此，本文指出了目前我国对HP℃的应用研究现状，并详细阐述了本研究团队 在配煤炼焦和制备石墨电极领域的突破性研究进展.然而，目前HPC在推广和应用过程中还存在一些问题.在未来，还亟需 解决HPC的规模化生产问题，并对HPC的萃取机理和作用机制开展更加深入的研究. 关键词lyperCoal:清洁煤：灰分；溶剂萃取；煤衍生物 分类号TQ536 Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China WANG Ya-jie,ZUO Hai-bin.WANG Jing-xi,BAI Kai-kai,CHEN Jian-sheng,RONG Tao State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,ZUO Hai-bin,E-mail:zuohaibin@ustb.edu.cn:WANG Jing-xiu,E-mail:jingxiuwang@ustb.edu.cn ABSTRACT China is the world's largest coal-producing country;coal is very important to Chinese energy structure.However,the excess use of coal has caused serious environmental pollution and the greenhouse effect.Therefore,an indispensable way to solve this coal utilization problem is the development of clean coal technology,which is also essential for the sustainable development of China's economy.HyperCoal(HPC),a coal derivative obtained by solvent extraction with the properties of low ash content,low moisture,high calorific value,high reactivity,good thermoplasticity,and environmental friendliness,has excellent application in clean coal technology. In terms of combustion,HPC can be used as an advanced fuel for fuel cell and chemical cycle combustion for improving combustion efficiency.Regarding gasification and liquefaction,HPC can be used in the integrated coal gasification combined cycle technology to reduce catalyst loss and equipment damage.In terms of coking coal blending,HPC can be used as an additive in the coking process and a binder for hot-pressed coal briquettes,which can increase the strength of coke and replace scarce coking coal resources such as fat and main coking coals.In the preparation of high-grade carbon materials,HPC can be used to prepare the pitch-based carbon fiber,activated carbon,and graphite electrodes,which considerably improves the performance of carbon materials.Therefore,HPC is valuable in the clean and high-value utilization of coal.On this basis,this paper pointed out the current research status of HPC application in China and elaborated the breakthrough with considerable research results of our team concerning coking coal blending and the preparation of crystalline graphite.However,currently,there are still some problems in the spread and the application of HPC.In the future,large-scale production issues need to be urgently solved,and in-depth research on the extraction mechanism and the action mechanism of HPC should be conducted. KEY WORDS HyperCoal;clean coal;ash;solvent extraction;coal derivative 收稿日期：2021-09-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574023)

中国 HyperCoal 清洁高值化应用研究现状与展望 王亚杰，左海滨苣，王京秀苣，白凯凯，陈建生，荣    涛 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， 左海滨，E-mail: zuohaibin@ustb.edu.cn; 王京秀，E-mail: jingxiuwang@ustb.edu.cn 摘    要    作为一个煤炭大国，煤炭在我国的能源结构中占据重要地位. 然而，煤炭的过度使用不可避免的造成了环境污染和 温室效应等问题. 因此发展洁净煤技术是解决煤炭利用问题的重要方式 ，对于我国经济的可持续发展至关重要. HyperCoal（HPC）是通过溶剂萃取技术得到的一种煤衍生物，由于具有低灰、低水、高热值、高反应性、良好热塑性、环境友好 等特性，在洁净煤技术中有着重要的应用. 基于此，本文指出了目前我国对 HPC 的应用研究现状，并详细阐述了本研究团队 在配煤炼焦和制备石墨电极领域的突破性研究进展. 然而，目前 HPC 在推广和应用过程中还存在一些问题. 在未来，还亟需 解决 HPC 的规模化生产问题，并对 HPC 的萃取机理和作用机制开展更加深入的研究. 关键词    HyperCoal；清洁煤；灰分；溶剂萃取；煤衍生物 分类号    TQ536 Research status and prospect of clean and high-value utilization of HyperCoal in China WANG Ya-jie，ZUO Hai-bin苣 ，WANG Jing-xiu苣 ，BAI Kai-kai，CHEN Jian-sheng，RONG Tao State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, ZUO Hai-bin, E-mail: zuohaibin@ustb.edu.cn; WANG Jing-xiu, E-mail: jingxiuwang@ustb.edu.cn ABSTRACT    China is the world ’s largest coal-producing country; coal is very important to Chinese energy structure. However, the excess use of coal has caused serious environmental pollution and the greenhouse effect. Therefore, an indispensable way to solve this coal utilization problem is the development of clean coal technology, which is also essential for the sustainable development of China’s economy. HyperCoal (HPC), a coal derivative obtained by solvent extraction with the properties of low ash content, low moisture, high calorific value, high reactivity, good thermoplasticity, and environmental friendliness, has excellent application in clean coal technology. In terms of combustion, HPC can be used as an advanced fuel for fuel cell and chemical cycle combustion for improving combustion efficiency. Regarding gasification and liquefaction, HPC can be used in the integrated coal gasification combined cycle technology to reduce catalyst loss and equipment damage. In terms of coking coal blending, HPC can be used as an additive in the coking process and a binder for hot-pressed coal briquettes, which can increase the strength of coke and replace scarce coking coal resources such as fat and main coking coals. In the preparation of high-grade carbon materials, HPC can be used to prepare the pitch-based carbon fiber, activated carbon, and graphite electrodes, which considerably improves the performance of carbon materials. Therefore, HPC is valuable in the clean and high-value utilization of coal. On this basis, this paper pointed out the current research status of HPC application in China and elaborated  the  breakthrough  with  considerable  research  results  of  our  team  concerning  coking  coal  blending  and  the  preparation  of crystalline graphite. However, currently, there are still some problems in the spread and the application of HPC. In the future, large-scale production  issues  need  to  be  urgently  solved,  and  in-depth  research  on  the  extraction  mechanism  and  the  action  mechanism  of  HPC should be conducted. KEY WORDS    HyperCoal；clean coal；ash；solvent extraction；coal derivative 收稿日期: 2021−09−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51574023） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1750−1760，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1750−1760, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.006; http://cje.ustb.edu.cn

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 ·

·1752 工程科学学报，第43卷，第12期 煤炭在燃烧过程中会排放大量的温室气体 效利用的迫切需求，通过气化和液化的方式将煤 CO2,这是导致全球气候变暖的重要原因之一.传 炭转化为清洁产品受到了广泛的关注.整体煤气 统的CO2减排技术，如吸收、吸附和膜分离等，通 化联合循环(Integrated gasification combined cycle, 常需要消耗大量的能量，才能将CO2从混合气体 IGCC)是一种将煤炭气化技术和高效的联合循环 中分离.化学循环燃烧(Chemical looping combustion, 相结合的先进动力系统，目前已有许多规模在 CLC)是一种低能耗的CO2零排放燃烧技术，可以 50~600MW的IGCC电厂成功运行该系统主 通过组合式反应器设计将燃料的直接燃烧过程分 要由煤的气化和净化以及燃气-蒸汽联合循环发 解，既可以达到相同的净反应热热值，又可以实现 电两部分组成，作为IGCC系统中的重要组成部 CO2的自动分离和纯化，避免了高能耗的气体分 分，煤的气化在低于900℃的温度下，除非进行催 离过程，同时也没有NO产生，因而受到广泛的关 化剂辅助，否则转化动力学通常较慢然而，在 注.CLC由两个相互连接的流化床反应器组成， 煤炭的催化气化过程中，煤中的灰分会与催化剂 分别为空气反应器和燃料反应器，固体氧载体可 发生相互作用，导致催化剂失去活性.因此，煤气 以在空气反应器和燃料反应器之间循环使用.在 化过程中产生的大量粉煤灰和炉渣是导致IGCC CLC中，金属氧化物会提供燃料燃烧所需的化学 电厂发生停机事故的重要原因刀与之相似的是， 计量的氧气，从而产生C02和H0,其中，C02可 在煤炭的液化过程中，焦炭和灰分也会沉积到催 以通过以较少的能量参与冷凝水蒸气而容易回 化剂表面上而导致其失活，反应混合物中矿物质 收，从而以几乎不消耗能量的方式隔离二氧化碳 的存在也会导致固体颗粒的积聚并最终使设备损 目前，灰烬沉积以及灰烬对氧载体的污染是限制 坏，包括液化反应器、分离器和管道等.因此，提 固体燃料CLC发展的一个主要问题.因此，HPC 前将煤中的灰分去除可以提高气化和液化效率， 成为了固体燃料CLC的理想燃料- 减少催化剂的损失和停机事故的发生.于是，HP℃ 1.2气化和液化方面 成为了煤炭气化和液化的理想原料8-24图2为 由于原油价格的不断上涨以及对煤炭清洁高 HPC在IGCC系统中的应用示意图 Gasification island Power island HPC Low-pressure steam Dust Coal Crude gas removal/desulfuriz Syngas Exhaust Waste heat pretreatment Gasifier ation and Gas boiler boiler decarbonization Gas turbine Steam turbine Power power power Oxygen Air generation generation output Air separation device N2 N2 output 图2HPC在IGCC系统中的应用 Fig.2 Application of HPC in IGCC system 1.3炼焦配煤方面 煤消耗计算，我国的炼焦煤储量仅能满足几十年的 焦炭是高炉冶炼过程的关键原料，主要起到还 炼焦需求.特别是自2010以来，国家加大了对土焦 原剂、发热剂、渗碳剂和料柱骨架的作用.焦炭一 窑的清理力度，关停了大量不符合生产标准的炼焦 般由炼焦煤（气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等）通过焦化 企业.焦炭的生产成本大幅增加，给钢铁企业带来 工艺制成.2019年我国的炼焦煤需求量为5.21亿 了巨大的压力.随着钢铁工业的发展和环保要求的 吨，而产量仅为4.59亿吨，远不能满足工业生产的 日益严格，对低灰分、高强度焦炭的需求不断增加， 需要，而且这一差距正在逐年加大.按目前炼焦原 优质焦煤资源短缺和焦炭生产过程造成的污染已

煤炭在燃烧过程中会排放大量的温室气体 CO2，这是导致全球气候变暖的重要原因之一. 传 统的 CO2 减排技术，如吸收、吸附和膜分离等，通 常需要消耗大量的能量，才能将 CO2 从混合气体 中分离. 化学循环燃烧（Chemical looping combustion， CLC）是一种低能耗的 CO2 零排放燃烧技术，可以 通过组合式反应器设计将燃料的直接燃烧过程分 解，既可以达到相同的净反应热热值，又可以实现 CO2 的自动分离和纯化，避免了高能耗的气体分 离过程，同时也没有 NOx 产生，因而受到广泛的关 注[12] . CLC 由两个相互连接的流化床反应器组成， 分别为空气反应器和燃料反应器，固体氧载体可 以在空气反应器和燃料反应器之间循环使用. 在 CLC 中，金属氧化物会提供燃料燃烧所需的化学 计量的氧气，从而产生 CO2 和 H2O，其中，CO2 可 以通过以较少的能量参与冷凝水蒸气而容易回 收，从而以几乎不消耗能量的方式隔离二氧化碳. 目前，灰烬沉积以及灰烬对氧载体的污染是限制 固体燃料 CLC 发展的一个主要问题. 因此，HPC 成为了固体燃料 CLC 的理想燃料[13−14] . 1.2    气化和液化方面 由于原油价格的不断上涨以及对煤炭清洁高 效利用的迫切需求，通过气化和液化的方式将煤 炭转化为清洁产品受到了广泛的关注. 整体煤气 化联合循环（ Integrated gasification combined cycle, IGCC）是一种将煤炭气化技术和高效的联合循环 相结合的先进动力系统 ，目前已有许多规模在 50～600 MW 的 IGCC 电厂成功运行[15] . 该系统主 要由煤的气化和净化以及燃气‒蒸汽联合循环发 电两部分组成. 作为 IGCC 系统中的重要组成部 分，煤的气化在低于 900 ℃ 的温度下，除非进行催 化剂辅助，否则转化动力学通常较慢[16] . 然而，在 煤炭的催化气化过程中，煤中的灰分会与催化剂 发生相互作用，导致催化剂失去活性. 因此，煤气 化过程中产生的大量粉煤灰和炉渣是导致 IGCC 电厂发生停机事故的重要原因[17] . 与之相似的是， 在煤炭的液化过程中，焦炭和灰分也会沉积到催 化剂表面上而导致其失活，反应混合物中矿物质 的存在也会导致固体颗粒的积聚并最终使设备损 坏，包括液化反应器、分离器和管道等. 因此，提 前将煤中的灰分去除可以提高气化和液化效率， 减少催化剂的损失和停机事故的发生. 于是，HPC 成为了煤炭气化和液化的理想原料[18−24] . 图 2 为 HPC 在 IGCC 系统中的应用示意图. HPC Gasification island Gasifier Gas boiler Waste heat boiler Coal pretreatment Crude gas Syngas Exhaust Low-pressure steam Power island Power output Dust removal/desulfuriz ation and decarbonization Steam turbine power generation Gas turbine power Oxygen Air generation Air separation device N2 N2 output 图 2    HPC 在 IGCC 系统中的应用 Fig.2    Application of HPC in IGCC system 1.3    炼焦配煤方面 焦炭是高炉冶炼过程的关键原料，主要起到还 原剂、发热剂、渗碳剂和料柱骨架的作用. 焦炭一 般由炼焦煤（气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等）通过焦化 工艺制成. 2019 年我国的炼焦煤需求量为 5.21 亿 吨，而产量仅为 4.59 亿吨，远不能满足工业生产的 需要，而且这一差距正在逐年加大. 按目前炼焦原 煤消耗计算，我国的炼焦煤储量仅能满足几十年的 炼焦需求. 特别是自 2010 以来，国家加大了对土焦 窑的清理力度，关停了大量不符合生产标准的炼焦 企业. 焦炭的生产成本大幅增加，给钢铁企业带来 了巨大的压力. 随着钢铁工业的发展和环保要求的 日益严格，对低灰分、高强度焦炭的需求不断增加， 优质焦煤资源短缺和焦炭生产过程造成的污染已 · 1752 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

王亚杰等：中国yperCoal清洁高值化应用研究现状与展望 ·1753· 成为制约我国钢铁工业发展的重要因素.因此，提 了很大的可能性Ps-3别目前，HPC在配煤炼焦中的 高低阶煤的性能以部分替代黏结煤成为现代钢铁 应用主要分为两个技术路线，如图3所示.一是传 工业的一个重要课题.我国低阶煤储量大，超过 统的焦化工艺，在配煤时配加一定量的HPC,可在 456亿吨，占全国煤炭资源总储量的56%.然而，这 保证焦炭质量不变的情况下多使用弱黏煤，或在相 种煤由于其高水分、高灰分和不结块性，在焦化工 同配煤结构下提高焦炭反应后强度；另一个是热压 业中难以利用.HPC主要由储量丰富、价格低廉的 成型工艺，将HPC用作热态的黏结剂，利用其热塑 低阶煤萃取而来，而且具有极佳的热塑性和黏结 性在一定温度下和弱黏煤一起成型，这样可以在不 性，这为其替代肥煤、焦煤等稀缺炼焦煤资源提供 使用炼焦煤的情况下获得高强度的热压型煤 HPC Mixture Carbonization Coking Route 1: coal Iron rod (900-1100℃) Weakly ●。caking coal Sample Crucible coke High-temperature tube furnace Universal →testing machine 。 HPC →Indenter Mixture Hot-pressing →Heating furnace Route 2: →Mould Weakly ●。caking coal →Sample(650-450℃) Hot-pressed coal briquette Hot-pressing device 图3HPC用于配煤炼焦的主要技术路线 Fig.3 Main technical routes of HPC utilization for coal blending and coking 1.4制备高级炭材方面 (2)活性炭.由于具有比容量大、功率密度 基于HPC的一些独特性能，HPC可以用于高 高、循环寿命长、可快速充放电、对环境无污染以 级炭材的制备，如碳纤维、活性炭和石墨电极等 及低温性能好等优点，双电层电容器(Electric (1)碳纤维.碳纤维是一种碳质量分数在90% double layer capacitor,.EDLC)已广泛应用于存储器 以上的高强度高模量纤维，具有耐高温、抗摩擦、 的后备电源、电动工具、太阳能发电和国防等领 导电、导热及耐腐蚀等特性，可作为增强材料与树 域.EDLC是一种蓄电装置，可通过在电极和电解 脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进的复合材 质之间的界面处吸附电解质离子以形成双电层来 料，已在航空航天、体育用品、高端汽车和特殊工 存储电荷.双电层的产生依赖于电解质离子的物 业等领域得到应用.目前，碳纤维主要是由聚丙烯 理吸附和解吸，并且不涉及化学反应，因此可实现 腈前体制造的，而少量的碳纤维是由沥青，尤其是 快速充放电，并且少量多次的充放电并不会使电 中间相衍生而来的但是，由于前体材料的高昂 容显著减小.因此，EDLC电容的大小主要取决于 成本及其相关的加工成本，碳纤维仍然是一种特 电极表面上形成的双电层.其中，具有高比表面积 殊产品，仅在有限的领域得到应用.尽管可通过改 的活性炭是EDLC电极材料的理想选择.HPC的 性这些前体来降低成本，但仍面临沥青产量低、碳 灰分很低，而且来源广泛、价格低廉，非常适合制 化率低和可纺性差等问题.与煤焦油和FCC-DO 备高比表面积的活性炭7-川 等前体材料相比，HPC非常便宜，因为它是煤的直 (3)石墨电极.由于具有高容量、高电压、高 接提取物，同时HPC也具有较高的芳烃含量和较 循环稳定性、高能量密度、无环境污染等优点，锂 低的灰分含量，以及比原煤较高的热值和出色的 离子电池(LB)已广泛应用于各种便携式电子产 热塑性，因此可以用作黏合剂，是制备沥青基碳纤 品，并且已经开始向动力电池方向发展四.LB主 维的有效且廉价的原材料33- 要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成.LIB

成为制约我国钢铁工业发展的重要因素. 因此，提 高低阶煤的性能以部分替代黏结煤成为现代钢铁 工业的一个重要课题. 我国低阶煤储量大，超过 456 亿吨，占全国煤炭资源总储量的 56%. 然而，这 种煤由于其高水分、高灰分和不结块性，在焦化工 业中难以利用. HPC 主要由储量丰富、价格低廉的 低阶煤萃取而来，而且具有极佳的热塑性和黏结 性，这为其替代肥煤、焦煤等稀缺炼焦煤资源提供 了很大的可能性[25−31] . 目前，HPC 在配煤炼焦中的 应用主要分为两个技术路线，如图 3 所示. 一是传 统的焦化工艺，在配煤时配加一定量的 HPC，可在 保证焦炭质量不变的情况下多使用弱黏煤，或在相 同配煤结构下提高焦炭反应后强度；另一个是热压 成型工艺，将 HPC 用作热态的黏结剂，利用其热塑 性在一定温度下和弱黏煤一起成型，这样可以在不 使用炼焦煤的情况下获得高强度的热压型煤. HPC Mixture Mixture Iron rod Sample Coking Route 1: coal Route 2: Weakly caking coal HPC Weakly caking coal High-temperature tube furnace Universal testing machine Indenter Heating furnace Mould Sample Hot-pressing device Hot-pressing Hot-pressed coal briquette (350−450 ℃) (900−1100 ℃) Carbonization Crucible coke 图 3    HPC 用于配煤炼焦的主要技术路线 Fig.3    Main technical routes of HPC utilization for coal blending and coking 1.4    制备高级炭材方面 基于 HPC 的一些独特性能，HPC 可以用于高 级炭材的制备，如碳纤维、活性炭和石墨电极等. （1）碳纤维. 碳纤维是一种碳质量分数在 90% 以上的高强度高模量纤维，具有耐高温、抗摩擦、 导电、导热及耐腐蚀等特性，可作为增强材料与树 脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进的复合材 料，已在航空航天、体育用品、高端汽车和特殊工 业等领域得到应用. 目前，碳纤维主要是由聚丙烯 腈前体制造的，而少量的碳纤维是由沥青，尤其是 中间相衍生而来的[32] . 但是，由于前体材料的高昂 成本及其相关的加工成本，碳纤维仍然是一种特 殊产品，仅在有限的领域得到应用. 尽管可通过改 性这些前体来降低成本，但仍面临沥青产量低、碳 化率低和可纺性差等问题. 与煤焦油和 FCC-DO 等前体材料相比，HPC 非常便宜，因为它是煤的直 接提取物，同时 HPC 也具有较高的芳烃含量和较 低的灰分含量，以及比原煤较高的热值和出色的 热塑性，因此可以用作黏合剂，是制备沥青基碳纤 维的有效且廉价的原材料[33−36] . （ 2）活性炭. 由于具有比容量大、功率密度 高、循环寿命长、可快速充放电、对环境无污染以 及低温性能好等优点 ，双电层电容器 （ Electric double layer capacitor，EDLC）已广泛应用于存储器 的后备电源、电动工具、太阳能发电和国防等领 域. EDLC 是一种蓄电装置，可通过在电极和电解 质之间的界面处吸附电解质离子以形成双电层来 存储电荷. 双电层的产生依赖于电解质离子的物 理吸附和解吸，并且不涉及化学反应，因此可实现 快速充放电，并且少量多次的充放电并不会使电 容显著减小. 因此，EDLC 电容的大小主要取决于 电极表面上形成的双电层. 其中，具有高比表面积 的活性炭是 EDLC 电极材料的理想选择. HPC 的 灰分很低，而且来源广泛、价格低廉，非常适合制 备高比表面积的活性炭[37−41] . （3）石墨电极. 由于具有高容量、高电压、高 循环稳定性、高能量密度、无环境污染等优点，锂 离子电池（LIB）已广泛应用于各种便携式电子产 品，并且已经开始向动力电池方向发展[42] . LIB 主 要由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成. LIB 王亚杰等： 中国 HyperCoal 清洁高值化应用研究现状与展望 · 1753 ·