多联产系统能源梯级利用的机理课件

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1、煤气化多联产系统煤气化多联产系统报告人：岳晨报告人：岳晨多联产系统概念及实质?多联产概念多联产系统是指利用从单一的设备（气化炉）中产生的“合成气”（主要成分为COH2），来进行跨行业、跨部门的生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料、以及用于工艺过程的热和进行发电等（中国洁净煤技术网）。?是否应当发展、什么是多联产、煤电化、煤化电、串联、并联、采用IGCC是多联产，其他气源？?多联产系统可以综合解决我国能源领域五大问题。能源供应、液体燃料短缺、环境污染、温室气体排放以及农村能源供应和能源结构调整。?多联产系统的实质是化学能和物理能的梯级利用?目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是

2、煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况?多联产系统分类?关键科学问题与技术?多联产系统机理研究进展主要内容全球能源结构及污染形势全球能源结构及污染形势00.050.10.150.20.250.30.350.4200120102030石油煤天然气核能水能可在生能源其他2001石油煤天然气核能水能其他全球能源结消耗构20001年全球电力生产结构中国发电的能源结构及预测00.10.20.30.40.50.60.70.80.9200120102030煤石油天然气水能核能其他中国的污染形势0102030405060美美国国俄俄罗罗斯斯日日本本德德国国英英国国意意大大利利中中国国印印度度总量(

3、亿吨/年)人均（吨/年）1999年部分国家CO2排放对比中国近年的SOx及NOx排放量?目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况?多联产系统分类?关键科学问题与技术?多联产系统机理研究进展主要内容煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势燃煤带来的污染现状燃煤排放物占总排放的百分比SO285酸雨82粉尘70NOx60CO71CO285燃煤过程带来的污染已经对环境造成了严重的危害。环境压力以及可持续发展，要求必须改变目前这种高能耗的能源利用模式。我国的能源结构以煤为主的特点。多联产的各单项工艺比较成熟。而煤基多联产对能源能够充分利用，利用尽量少的能源

4、创造尽量多的物质财富。煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势电厂甲醇等化工品生产硫酸厂石油开采等化肥厂生活区煤基多联产系统合成尾气煤气、热水电力NOxSOx煤基多联产系统的美好构想煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势CO2多联产渐进发展战略（1）?第一期：基于渣油的多联产建立纯氧气化技术，在多联产配置中使用渣油建立纯氧气化技术，在多联产配置中使用渣油?第二期：以煤为基础的早期多联产特别强调联产高价值化学产品和工艺过程特别强调联产高价值化学产品和工艺过程?第三期：推广以煤为基础的多联产合成燃料和电力联产?第四期：包含氢气和电能联产在内的多联产氢气和电能成为主导能源载体

5、，温室气体近似零排放普林斯顿大学研究员 Williams 纯氧气化多联产综述 十五规划能源领域的战略思考2000年5月多联产渐进发展战略（2）?第一期：IGCC电厂不回收CO2?第二期：富CO或H2的一次通过甲醇、电联产系统?第三期：化石燃料制氢系统中减排CO2或结合水煤气转化技术的IGCC燃烧前回收CO2?第四期：煤气化SOFC混合循环减排CO2张斌 多联产能源系统CO2减排的研究 清华大学博士论文 2005年7月?目前世界及中国的能源及污染形势目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况国内外多联产系统的发展概况?多联产系统分类?关键科学问

6、题与技术?多联产系统机理研究进展主要内容重整制氢氢气分离高温高压气化炉高温燃料电池氧气分离高温高压热交换器先进循环SS蒸汽电热水CO2（去埋藏），污染物（H2S，PM，碱金属）煤空气O2O2O2Vision 21能源系统能源系统煤气H2目的：改善能源结构满足多元需求保障能源供应启动了3个示范工程探索不同的联产系统可用多种原料低成本高效率多联产模块式组合合近零排放近零排放国外多联产系统的发展概况04年年1月，NETL发发布了清洁煤技术路线（CCTR）为了示范Vision 21计划的各项技术，美国政府于2003年宣布了FutureGen项目。计划10年投资10亿美元来攻关单项技术。国外多联产系统的

7、发展概况Coal Energy Application For Gas,Liquid,Electricity目的：减少CO2排放增强国际竞争力促进循环社会构建摆脱传统单一技术对新流程的创新和发展国外多联产系统的发展概况?欧盟在其FP6计划中，启动Hygen基础研究项目，发展电、热、氢联产系统，并考虑 CO2捕集、利用和封存相结合。?加拿大2001年制定2020洁净煤技术路线，将联产作为洁净煤技术的战略选择。?澳大利亚CO2CRC技术路线中，将IGCC与煤基发电、合成气、生产氢气及 CO2埋藏作为发展方向。?新西兰、英国、德国等国家对多联产的发展普遍关注。国外多联产系统的发展概况国内多联产系统的

8、发展概况上海焦化总厂在上世纪90年代初开始建设三联供系统（供城市煤气、化工产品、热电）。食品级CO2蒸汽外供甲醇城市煤气膨胀发电H2供双氧水CO供醋酸变压吸附CO冷箱德士古气化净化甲醇CO2N2三液产品参混富氧炉空分UGAS焦炉尾气焦炉气N2O2电力上海焦化厂的多联产系统?目前世界及中国的能源及污染形势目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况国内外多联产系统的发展概况?煤气化多联产系统分类?关键科学问题与技术?多联产系统机理研究进展主要内容?串联流程研究?并联流程研究煤气化多联产分类?按照流程分类并联流程串联流程选自：倪维斗李政 以煤气化为

9、核心的多联产能源系统 煤化工 2003年2月 第1期麻林魏等 动力工程 2004年8月 第24卷 第4期?按照气化形式分类按照气化形式分类?采用完全气化方式?采用部分气化（浙江大学提出的多联产）?采用焦炉煤气（太原理工大学提出）?采用多种气源或不同原料煤气化多联产系统分类煤完全气化的多联产系统煤完全气化的多联产系统煤完全气化蒸汽重整净化合成气IGCC/GCC合成化工产品合成液体燃料其他热电冷联产气体分离H2利用CO2捕集与埋存煤部分气化的多联产系统煤部分气化蒸汽重整净化合成气IGCC/GCC合成化工产品合成液体燃料其他热电冷联产燃烧炉热电冷联产灰渣提取钒等贵金属水泥建材气体分离H2利用CO2捕

10、集与埋存依据煤的不同组分和不同转化阶段的反应性不同，实现分级利用。采用焦炉煤气的多联产系统采用焦炉煤气的多联产系统(1)连续封闭三段炉CO2分离CO2CH4重整脱硫合成脱焦油等净化回收热能回收蒸汽发电筛焦煤燃烧废气合成气甲醇二甲醚焦油电能焦炭50的焦炉煤气冷煤气低温焦炭循环冷却煤气冷却热煤气冷煤气焦炉煤气太原理工大学提出的煤焦化多联产系统太原理工大学提出的煤焦化多联产系统采用焦炉煤气的多联产系统采用焦炉煤气的多联产系统(2)1981年，浙江大学提出煤的热、电、气多联产方案设想，八五攻关资助建立了一套1MW热态试验装置，实现的关键技术是流化床燃烧室与气化炉之间有大量的物料循环而没有气体串通。技术

11、缺点：由于高温煤气压缩困难，采用了冷却后压缩的方式损失了煤气的显热。浙江大学开发设计的循环流化床热电气多联产试验装置浙江大学开发设计的循环流化床热电气多联产试验装置采用多种气源或者不同燃料的多联产系统采用多种气源或者不同燃料的多联产系统前处理系统热风炉换热气化制合成气气化净化还原竖炉化工产品生产除尘铁矿煤渣油海绵铁氨及化肥甲醇二甲醚煤、电、化、冶金多联产系统煤、电、化、冶金多联产系统?目前世界及中国的能源及污染形势目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况国内外多联产系统的发展概况?多联产系统分类?关键科学问题与技术?多联产系统机理研究进展主

12、要内容多联产系统的科学问题?多层次经济与环境的全生命周期分析?复杂系统的稳态和动态特性?多目标的最优控制与运行?复杂系统运行的安全性?多方面外界条件的限制资源的数量和质量，开采的难易，市场的供需，环保标资源的数量和质量，开采的难易，市场的供需，环保标准和收费准和收费多联系系统的关键技术?煤炭燃料气化技术?合成气转化为清洁燃料和优质化工产品技术?燃气轮机技术?燃料电池技术?高温气体脱尘除硫技术?气体分离技术?氢气存储和基础设施管道材料?CO2的处理和应用燃料气化技术煤炭燃料气化技术?分类湿法、干法气化常用的Texaco用于水煤浆气化Shell气化炉用于干煤粉气化纯氧、空气气化由于空气气化的合成气

13、含有的大量氮气对后续的煤化工工艺带来很大的困难，且用于燃气轮机发电的燃气时容易产生氮氧化物。项目项目德士古Destec/DynergyShellPrenflo电站名称电站名称Tampa（美）（美）Wabash RiverDemkolec 荷荷兰兰Puertollano西班牙西班牙进料方式进料方式湿法湿法干法干法干法炭转化率炭转化率9698989898气化炉可用率气化炉可用率8085909595待考验待考验气化炉可用率8085909595待考验净功率净功率/MW250261.6253300示范电站效率示范电站效率41.6（38.5）37.8(38.8)4343效率（效率（LHV）0.43有可能能

14、达到容易达到容易达到容易达到存在的问题存在的问题喷嘴耐火砖寿命短，热回收和黑水处理系统待改进黑水处理系统待改进供料系统待改进进合成气转化为清洁燃料和优质化工产品技术?合成工艺（FT合成）一次通过法液相催化反应工程与技术，目前一次通过的CO转化率只有10。各产品的新工艺流程?新的环境友好的催化剂和催化工程、反应工程目前主要是铁基和钴基催化剂，铁基用于高温合成，钴基用于低温合成燃气轮机技术联合循环和多联产系统的核心设备，其技术水平是国家科技、军事及综合国力的重要标志。?新颖总能系统和系统设计技术?新材料和隔热涂层?冷却技术?气动热力学设计技术?低污染燃烧技术燃料电池技术?成本过高目前是$20004

15、000/kW,目标是降低到$400/kW。?提高各项性能指标单位体积的发电能力、燃料气中的杂质适应能力强，燃料适应性强、运行周期提高至 8000h。?容量扩大至少从目前的1MW发展到50MW级，甚至100MW级。高温气体脱尘除硫技术?目前的高温除尘设备只能作预除尘。高温陶瓷过滤器是目前普遍看好的除尘设备。碱蒸汽、高温腐蚀及磨蚀、漏气等限制了其寿命。?干法脱硫相对湿法有优势气体分离技术?空气分离产生氧气，合成气分离出 H2和CO2。成本和分离出高纯度的H2有待研究。目前一般的过滤流速不超过2m/s，计算可以得到10t/h的给煤条件下，需要陶瓷膜直径为7.7m。制造工艺存在困难。?膜反应器（HSM

16、R）是比较看好的技术，可以从合成煤气中分离出高纯度的 H2。氢气存储和基础设施管道材料?储运和分配是应用上的瓶颈低价格的氢存储我国的碳纳米管和纳米石墨储氢超级活性炭吸附储氢镁基复合材料储氢CO2的处理和应用?尽量开辟CO2的应用领域地质封存强化石油开采开采煤层气作为化学原料，促使植物和海藻生长多联产关键技术在我国的研究现状与发展趋势多联产系统总体上处于初级阶段。国家 973和863项目对煤气化、煤气净化、燃气发电、燃料和化学品合成等单元技术给予了支持。国家基础研究发展计划支持项目（973项目）煤的热解、气化和高温净化过程的基础性研究大规模高效气流床煤气化技术的基础研究国家高技术研究发展计划支持

17、的项目（863项目）新型水煤浆气化技术（兖矿集团、华东理工大学等）干煤粉加压气化技术（西安热工院、煤科总院等）循环硫化床加压煤气化（中科院工热所）煤天然气联合气化制备化工合成气（中科院过程所）非溶渣溶渣两段式煤气化炉（清华大学）燃气轮机重大专项（黎明公司、东安公司等）已经取得的成果已经取得的成果?多喷嘴对置式水煤浆气化技术（兖矿、太原理工）?甲醇低压羟基合成（兖矿）?煤间接液化的低温FT合成（兖矿）?36MW的燃气轮机燃烧室的改造设计（兖矿）?2000年，我国研制出首台QD128轻型燃气轮机（黎明公司与沈阳发动机研究院等）四大能源集团未来的研发、攻关单项技术?兖矿集团多联产系统集成优化，开发具

18、有自主知识产权的燃气轮机。?神华集团开发煤炭直接液化技术及巨型甲醇合成。在内蒙乌海的煤、焦、化、电一体化项目已经开工建设。?华能集团“绿色煤电”目标是：开发煤气化制氢和氢能发电为主，并进行CO2分离和处理。参与投资研发“FutureGen”项目。?华谊集团四大能源集团未来的研发、攻关单项技术?华谊集团重点研究多联产系统的优化集成；建成300400MW电力、100万吨/年液体燃料及化工产品的联合生产商业化系统；大规模实现多联产应用，并实现温室气体CO2近零排放。?目前世界及中国的能源及污染形势目前世界及中国的能源及污染形势?煤基多联产是煤炭清洁利用的必然趋势?国内外多联产系统的发展概况国内外多联

19、产系统的发展概况?多联产系统分类?关键科学问题与技术?多联产系统机理研究进展主要内容多联产系统机理研究调研?倪维斗院士、李政教授领导的团队，做了大量工作，代表了国内多联产系统研究的前沿。张斌博士的研究成果煤科总院徐振刚博士的研究成果多联产系统集成优化研究分类?子系统核心设备（煤气化炉、燃气轮机等）能源转换特性与规律研究。?从系统的角度出发，研究煤基化工和动力多联产系统，揭示多联产系统的特性与规律，对系统进行集成、优化匹配以及动态分析评价。煤气化多联产系统特性与规律研究进展?系统热力性能研究发电效率，一次能耗率，效率，C转化率等?系统经济性能研究投资回收期，内部收益率，单位产品成本?系统环境性能

20、研究排污浓度及数量，生命周期分析（LCA）?技术成熟度以及运行经验?社会影响风险分析（可靠运行时间）?系统综合性能四联产与三联产合成气价格比较1.730.9301234567三联产（美分/KWh（L）电热甲醇合成气四联产四联产基本投资、能源价格和煤耗与分产比较四联产基本投资、能源价格和煤耗与分产比较选自：倪维斗 李政以煤气化为核心的多联产能源系统煤化工 2003年2月第一期存在的问题：系统各种产品的输出数量调整后，单位产品的成本会产生变化。比较的条件存在问题：不是在三联产经济效益最优的条件下和四联产进行比较，因此比较结果可能被夸大。经济性能研究生命周期全过程生命周期全过程?生命周期评价LCA（

21、life cycle analysis）国际标准化组织定义：对一个产品系统的生命周期中输入、国际标准化组织定义：对一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在的环境影响的汇编和评价。输出及其潜在的环境影响的汇编和评价。环境性能的研究0.00.20.40.60.81.001000020000300004000050000Y-直接减排成本X-削 减率 小规模 中规模 大规模0.00.20.40.60.81.0050010001500200025003000Y-边际减排成本X-削 减率 小规模 中规模 大规模电力蒸汽热水业SO2直接削减费用（￥/t）SO2的边际削减费用（￥/t）?排污收费并小于污染治

22、理费用?且排污收费在一定的减排技术下会失效环境性能的研究社会影响研究?系统风险分析选自：曹江 煤气化多联产系统流程设计中的风险分析与避免 毕业设计 2005 年7月多联产系统性能的综合评价?对煤气化多联产系统进行敏感性分析的工作还需要研究不同煤种气化后的成分比例变化比较大，对后续的化工合成、燃气轮机性能都会产生影响。例如系统总能损失、产品的成本、污染排放等。一个简单案例分析一个简单案例分析多联产系统性能的综合评价01230.00.20.40.60.81.0Y-优化结果X-方 案 最 小隶属度法 最 小距离法最小隶属度和最小距离法优化结果比较选自：匹兹堡煤炭会议A Site Specific T

23、echno-Economic Analysis for the Productionof Hydrogen,Electric Power,and Carbon Dioxide from Texas Lignit。多联产系统性能的综合评价技术性指标采用指数法插值经济性、环保性能指标采用线性插值选自：蔡宁生 寥世克 洁净燃煤发电系统综合性能评价初步探索 发电设备 1999.1TEETEE分析案例分析案例TechnologicalEconomiEnvironmental多联产系统性能的综合评价多联产系统性能的综合评价结论：第二代PFBC的综合性能最优，PCFGD性能最差。结论?国家发展多联产的目的是

24、实现资源的有效合理利用、实现环境友好。?我国以煤为主的一次能源结构特点下，发展煤气化多联产不仅非常必要，也很有战略意义。?煤电化多联产发展中，应注重开发自主知识产权的关键技术。?多联产的各项指标的提高是由于通过减少单位产品的能耗实现的，如果煤炭使用总量不减少，LCA后可以得到，SOx和NOx可以通过工艺过程转化为硫酸或者化肥等产品达到减排，并没有减排CO2，因为所有的C最终将全部转化为CO2，因此CO2的大规模捕集和埋存技术不能解决，温室效应随着能耗的增加会加剧。?我认为煤基多联产应当是一种过渡技术，因为煤炭资源在100年内将会消耗殆尽。过渡阶段应当大力发展氢能和可再生能源利用技术，才是最终的目标。探讨探讨