煤炭在能源利用中的环境挑战及硫化物问题

尽管存在着环境问题以及其他燃料带来的竞争压力，煤炭预计仍将在世界未来能源利用中保持主要份额^[9]。最近几年，由严重依赖化石燃料造成的环境后果受到全球范围内越来越多的关注（特别是气候变化）^[23]。煤炭毫无疑问是产生温室效应的一个因素。煤炭燃烧释放的主要温室气体（GHG）是二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）、固态微粒和汞。全球最大的人为温室气体排放源是来自化石燃料燃烧产生的二氧化碳——《京都议定书》数据显示二氧化碳大约占GHG总排放量的75%^[9]。

提高能源效率、从化石燃料向低碳型能源转变曾一度被当作是减少二氧化碳排放的惟一现实的方法^[24]。在目前和可预见的未来，煤炭仍将是全球电力供应的主要成分。火电站排放的温室气体主要来自化石燃料的燃烧，在燃料供应链中其他环节也释放了大量的温室气体。国际能源署（IEA）温室气体研发方案为减少温室气体的排放做了很多研究。这些方法包括减少新的、现存的发电厂二氧化碳的排放，减少其他温室气体的排放，如煤炭开采中排放的甲烷。

二氧化碳是一个非常稳定的化合物^[26]。由于二氧化碳在所有长寿命气体中辐射性极弱，使得其在最近二十年中从60%增加到63%^[27]。大气中二氧化碳浓度从工业革命前的2.8×10^-4到2005年的3.79×10^-4。从优化控制角度看，2100年大气中二氧化碳浓度应该限制在5.86×10^-4，到2200年限制在6.85×10^-4。2050年以后，大气中二氧化碳浓度产生的经济最优和气候限制间的许多矛盾将随之而来^[29]。二氧化碳在大气层的浓度如图2.2所示。大气中二氧化碳的增长受二氧化碳总源汇控制，而总源汇主要包含两个人为因素产生的二氧化碳量：

图2.2 政策规定的大气中二氧化碳的浓度^[29]

（1）从化石燃料燃烧和工业过程所排放的二氧化碳；

（2）土地利用变化产生的二氧化碳，主要是开荒。2005年的一个关于大气二氧化碳源汇趋势的调查显示，这两个人为因素产生的二氧化碳增长量分别是7900×10⁶和1500×10⁶t/年碳量，前者在最近几年增长很迅速，后者基本保持稳定^[30]。(www.xing528.com)

化石燃料燃烧排放的二氧化碳是导致气候变化的主要环境威胁。目前，煤炭燃烧产生的二氧化碳占全球化石燃料燃烧排放量的30%～40%^{[9，11，16，31]}。早先的IPCC报告包含了未来二氧化碳排放预测^[32，33]，最新的IPCC报告包含了一些具体的二氧化碳排放预测，2020年工业化国家和发展中国家的二氧化碳排放如表2.2所示^[34]。

表2.2 2020年工业化国家和发展中国家排放的二氧化碳

二氧化硫溶解在水蒸气中形成酸，再与其他气体和固体颗粒相互作用产生对人类以及环境有害的硫酸盐和其他的物质。释放到空气中的65%或13Mt/年以上的二氧化硫来自于发电站，特别是火力发电站^[35]。最近，从煤炭中去除硫的问题变得非常重要。因为环境和技术问题，煤炭中存在的硫化物限制了其工业应用。但是，高硫煤炭可以通过物理、化学、生物技术脱硫升级。现有去除煤炭中二氧化硫的方法主要分为两大类：在燃烧中去除二氧化硫和燃烧结束后在废气中去除二氧化硫^[9，36]。

氮氧化物的排放导致了对流层臭氧的形成，进而间接加剧了温室效益，但同时也增加了大气中的OH，这将会缩短甲烷及其他温室气体的生命周期，进而减少了温室效应。臭氧的产生及浓度与氮氧化物排放之间的关系很大程度取决于当地的大气化学成分，然而，相对于氮氧化物来说，一氧化碳不具有全球变暖的潜势，这在任何地方都一样^[37]。虽然氮化物来自于自然资源，但是它主要由化石燃料的燃烧所排放。燃烧煤炭、石油、天然气及相关的固定和移动燃料资源所排放的氮氧化物占全球总排量的42%。用于人类活动的发电站的氮氧化物排量大概占25%，其中只有一部分是通过燃烧煤炭所排放^[38]。

发电厂中的汞以三种化学状态或组分混合排放：汞元素蒸汽、氧化汞，吸附在固态颗粒中。每个发电厂的情况各不相同，主要取决于所用煤炭的类型和电厂的污染控制装置^[39]。近10年中，环保署（EPA）对火力发电厂中汞的排放进行了广泛评估，以便采取有效的控制措施。EPA指出美国工业由于利用煤炭每年排放汞51.6t。为了降低火力电厂中汞的排放，已经做了相当大的努力来研究高效、低成本技术。