1、以煤气化为核心的多联产系统,倪维斗中国工程院院士清华大学清华-BP 清洁能源研究与教育中心指导委员会主席中国教育部科学技术委员会主任2018年7月,1,内容,能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向多联产煤炭现代化利用战略的意义,2,内容,能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向多联产煤炭现代化利用战略的意义,3,世界能源领域面临的挑战,如果按照目前的燃料应用趋势（按照常规情景）, 我们将在耗尽化石燃料之前先耗尽“大气”。恐怖主义不会威胁到高科技生活方式下我们的生存能力，但是能源会。人类活动所引起的气候变化将抵消所有我们在防治疾病、减少贫困、防止战争和保持生物多样性
2、等方面所做的所有努力。,4,中国在能源领域面临的五大严峻挑战,总量需求的巨大压力20002020年，GDP翻两番，能源需求翻一番，要求能源弹性系数为0.5；而最近3年，这个系数为1.3以上。发展中高能耗重化阶段不可逾越。液体燃料短缺环境污染严重温室气体排放90年代30亿吨/年2008年60亿吨/年农村能源供应城镇人口平均用能是农村人口的3.5倍,5,内容,能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向多联产煤炭现代化利用战略的意义,6,我国能源需求前景分析,亿吨标准煤,来源：中国可再生能源发展战略研究，中国工程院咨询研究项目，2008,7,可再生能源的发展趋势（中间方案）,8,可再生能
3、源的发展趋势（常规方案）,9,中国石油需求预测,国内外不同机构对中国石油需求预测,我国原油产量,2050年，我国石油进口5.6亿吨，占世界贸易总量32.5亿吨的17.23%。石油贸易量难以任由我们想要多少就有多少！,10,天然气需求预测,11,一次能源消费预测（中间方案）,2050能源消费总量：52 亿tce,2005-2050总煤耗量：455 亿tce,12,一次能源消费预测（中间方案）,2050能源消费总量：63 亿tce,2005-2050总煤耗量：733 亿tce,13,一次能源消费预测（常规方案）,2050能源消费总量：52 亿tce,2005-2050总煤耗量：590 亿tce,1
4、4,一次能源消费预测（常规方案）,2050能源消费总量：63 亿tce,2005-2050总煤耗量：793 亿tce,15,一次能源消费预测, 来源：替代能源研究，国务院能源办公室，2007,2050能源消费总量：63 亿tce,2005-2050总煤耗量：1158 亿tce,16,电力预测,2050能源消费总量：63 亿tce,2005-2050总煤耗量：1158 亿tce,17,煤炭需求预测,2050能源消费总量：63 亿tce,2005-2050总煤耗量：1158 亿tce,18,煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题,处理气体的体积流量对比,处理气体的质量流量对比,大型燃煤电厂，60万、
5、100万KW等级的机组利用超超临界蒸汽参数，效率4345%。若采用尾部烟气脱CO2，效率下降11个百分点，即效率变成3234%。要得到相同的有用点，需要消耗更多的煤，形成恶性循环。,烟气流量1141m3/s149,1atm,合成气流量7m3/s207,27.2atm,烟气流量3493t/h149,1atm,合成气流量363t/h207,27.2atm,19,不可改变的事实,煤现在是、将来仍是我国能源的主力。70%50%煤炭是中国最重要的能源，生产和消费的数量大、比重高，短期内难以替代。煤用于发电的比例将越来越大。从目前的50%上升到70%以上，绝对量的增加更大。煤的直接燃烧已引起严重的环境污染
6、。70%80%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。,20,不可改变的事实（续）,车用液体燃料短缺根本上还得从煤基替代燃料上找出路。石油缺口：2007年1.79亿吨，2010年2.5亿吨粮食乙醇：生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一部分液体燃料短缺问题。 煤基替代燃料煤炭对我国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，生产几千万吨的替代燃料，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成为我国能源发展的战略方向。,21,不可改变的事实（续）,再生能源在2020年前不可能解决
7、主要问题风电：装机1亿kW，折合满负荷2500小时，约为火电的1/3，相当于火电3300万kW，是9.5亿kW总装机容量的3.5%。太阳能：热发电最多几万kW示范，光伏发电，不会比风电多。生物质能：可利用的农作物秸秆3亿吨标煤，可利用的森林3亿吨标煤，总量相当有限。不同于国外大农场，绝大部分生物质资源是高度分散的(中国小农经济)。人均耕地少，人均秸秆占有量少。绝对不能照搬外国的做法。由于我国能源消费总量的急剧增长，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前可再生能源在份额上不能解决我国能源的主要问题。,资源和环保呼唤煤的现代化利用！,22,内容,能源领域
8、面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向多联产煤炭现代化利用战略的意义,23,出路何在？,除了加速发展核电和可再生能源以外；煤炭利用的可持续发展或现代化的煤炭利用技术（非直接燃烧方式）； 通过煤（或石油焦）气化和化工反应一次通过方式实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气等的联产 。 这就是: 多联产,24,整体煤气化联合循环（IGCC）,25,多联产系统的简单阐释：一次通过法制甲醇,特点：1、动力/化工过程耦合2、两个过程均简化3、经济性/可靠性提高原因：联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，可以简化系统，降低投资和运行成本，提高系统可靠性,26,并联联产系统变负荷特性案例分析,分流
9、比=去发电单元的合成气/总合成气量通过调节分流比调节发电单元和合成单元的负荷分配来实现要求的发电负荷,27,电力、甲醇并联联产系统,设计：30万t甲醇/a和250MW发电量（总功率）的系统S1,电网要求其最低稳定运行发电负荷为80%,设计分流比0.6,设计动化比1.2,盈余度11%,合成单元额定容量33.3万/a,28,串联联产系统变负荷特性案例分析,循环比=循环气/新鲜气,29,电力、甲醇串联联产系统,设计：30万t甲醇/a和250MW的系统S1,电网要求其最低稳定运行发电负荷为80%,设计转化率44%,设计动化比1.15,盈余度19%,合成单元额定容量36万/a,30,250MW、40万t
10、甲醇/a的多联产系统变负荷运行特性对比,31,多联产系统变工况特性对比,32,设计合成单元容量盈余度对系统设备总投资的影响,由于合成单元设备投资在多联产系统总投资中所占的比重不大，因而盈余度的影响力不大。,33,多联产是推动IGCC发展的重要途径,IGCC发展了几十年，虽然技术在不断的成熟，系统的可靠性在不断增强，但是还有很多问题存在，其自身的一些缺陷仍然是阻碍其发展的关键。比投资费用高，经济上仍然无法与常规燃煤电站相竞争；系统还不够成熟，运行经验不够，可靠性、可用率有待进一步提高；操作不够灵活，一般只能用作基本负荷电站。基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工技术耦合的能源系统，具有包括电
11、力和化工产品的多种产品输出。,34,多联产：资源/能源/环境一体化能源系统,多联产产品：1、城市煤气2、电力3、热/冷4、液体燃料5、化工产品6、氢气7、纯CO2,35,多联产：多维度梯级利用,过程相互耦合，实现能量流、物质流、 流(Exergy)等的总体优化氢碳比合理优化利用（若是一股脑烧掉太可惜）尽量减少“无谓”的化学放热过程（Shift）热量的梯级利用（过程内部和燃气/蒸汽联合循环）压力潜力的充分利用（高压反应、各种膨胀）物质的充分利用（如CO2）,36,天然气、煤单产和联产制甲醇,37,天然气和煤联产,天然气制备合成气3个重要反应：CH4+H2O CO+3H2 （1）CO+H2O CO
12、2+H2 （2）CH4+O2 CO2+H2O （3）煤制合成气（CO+H2）重要反应：CO+H2O CO2+H2反应（1）在1000的高温下进行，需要CH4燃烧提供热量。,38,煤焦化、气化、及变换气体组分情况,引自：张培璋，上海华谊（集团）公司,39,多联产具有捕捉CO2 的天性,多联产是 可持续发展的, 技术上有良好继承性和可行性, 有良好经济效益 和 环保性能，是实现未来CO2捕捉和埋存的途径，它对于中国乃至世界都具有非常重要的战略意义。不需要特殊的技术突破, 同现有技术是连贯一致的。富集的 CO2 容易捕捉和分离，易与天然气化工过程衔接, 即多联产具有捕捉CO2 的天性。这是中国CO2
13、 减排的战略方向。,40,随着越来越严格的环保规定, 煤气化多联产在经济上的优势将会越来越显著。,41,数据来源：IPCC第三次评估报告。气候变化2001：科学基础，表6.1,CO2是引起温室效应的主要气体,2007年煤炭消费结构,42,CO2减排,CO2排放和温室效应每年全球250多亿吨，中国已达60多亿吨CO2排放，位居世界第一。空气中CO2工业化150年来 280ppm380ppm，目前仍在增加，3ppm/年，20世纪地表温升0.6联合国气候变化框架协议UNFCCC京都议定书。我国2002年加入，第37个签约国。2005年2月16日，正式生效。作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要
14、承担一定量甚至大幅度的CO2减排国际义务，因此我国现代化的能源发展战略必须从现在开始考虑将来中国分阶段减排CO2的问题。,43,世界各国能源引起的CO2排放预测,44,发电减排CO2各方案分析,45,煤炭的高效洁净化利用评价指标研究,引自：徐旭常院士，清华大学,46,煤炭的高效洁净化利用评价指标研究（续）,引自：徐旭常院士，清华大学,47,煤炭的高效洁净化利用评价指标研究（续）,能源可持续发展综合指标值,引自：徐旭常院士，清华大学,48,多联产:综合解决我国能源问题的重要方案,有助于缓解能源总量要求联合生产多种产品，效率提高可以减少总量需求；采用高硫煤拓展了煤炭资源的利用。有助于缓解液体燃料短
15、缺可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料，缓解石油进口压力。彻底解决燃煤污染问题完全消除常规燃煤污染物排放，重金属等痕量污染物脱除更经济。,49,多联产:综合解决我国能源问题的重要方案（续）,有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源问题：为具有天然气管道的城镇提供城市煤气煤制DME可以作为LPG的补充或替代物，很可能是小城镇，尤其是住宅高度分散的农村地区的最终能源解决方案满足未来减排CO2的需要煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2,50,战略方向多联产,多联产能源系统是结合我国以煤为主的特殊条件，是新型工业化道路。自主创新、跨越式发展的潜力很大。目前是一个非常好的机遇，
16、机不可失，时不再来。多联产是解决我国能源、环境、液体燃料短缺等问题的重要战略方向。,51,内容,能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向多联产煤炭现代化利用战略的意义,52,实施煤炭现代化战略刻不容缓,今后10年中，大量的资金将投向电力产业，这些投资所采用的技术路线将决定中国到2020年前满足电力需求所采用的煤炭利用模式。希望能够将这些新增容量中的相当一部分转向现代化发电方式。, 来源：替代能源研究，国务院能源办公室，2007,53,多联产发电未来情景讨论,此分析采用动化煤耗比1:1，动化比如何考虑？发电煤耗：300 g/kWh，运行小时数：5000 h,54,实施煤炭现代化战略
17、刻不容缓（续）,目前正值新一轮电力建设高潮；现在兴建的电厂将决定2020年及以后的煤炭利用模式；错过这一时期，今后实施煤炭现代化战略将更为困难；继续按传统技术模式发展，将导致环境、能源安全、温室气体排放等一系列困难。,55,实施煤炭现代化战略刻不容缓（续）,如果延误过渡到以煤气化为核心的多联产技术的时机，将会：显著增加将来中国治理空气污染的成本；难以控制未来石油进口；大大增加减排温室气体的成本。,56,多联产系统主要关键技术,大型煤气化技术,系统优化集成及控制技术,大型煤气净化技术,大型空分技术,燃气轮机技术,57,燃气轮机是多联产系统中的核心技术,先进制造业“王冠上的明珠”国家重大装备先进制
18、造水平的标志21世纪乃至更长时期内能源高效转化与洁净利用系统中的核心动力以燃气轮机为基础的先进动力循环系统在能源与电力工业可持续发展中有长远的、全局性的、不可替代的战略地位。多联产中采用的燃气轮机主要问题在于：原本设计适用于燃用天然气的燃气轮机燃烧组分复杂的低热值合成气产生时的特殊情况适应燃料组分各异的燃气轮机。,58,煤炭现代化战略的优势,以煤为原料：充分利用高硫煤，解决资源短缺和能源总量需求问题；污染排放水平接近天然气联合循环，满足最严格的环保要求；可以生产清洁液体燃料，缓解石油进口压力和城市污染；与IGCC相比，经济上具有竞争力，发电成本接近带脱硫脱销装置的燃煤蒸汽电站；在生产过程中CO2富集，具备低成本实现CO2减排的可能性；,59,煤炭现代化战略的优势（续）,合成气制造二甲醚：性质类似LPG，解决农村分散用能；耗水量少于常规燃煤蒸汽电站，适于建立大型坑口电厂；提高碳资源的利用率和增值率煤的全价利用；打破行业界限，使燃料、发电等生产系统达到优化集成、降低生产成本，使煤的下游产品多样化；符合我国能源状况和社会发展要求，煤的当地利用，有利于区域经济的发展。,谢谢!,
