多联产系统能源梯级利用的机理课件.ppt

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1、煤气化多联产系统,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,CO,H2,），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

2、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,全球能源结构及污染形势,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,2001,2010,2030,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,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,2001,2010,2030,煤,石油,天然气,水能,

3、核能,其他,中国的污染形势,0,10,20,30,40,50,60,美,国,俄,罗,斯,日,本,德,国,英,国,意,大,利,中,国,印,度,总量(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,SO,2,85,酸雨,82,粉尘,70,NOx,60,CO,71,

4、CO,2,85,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,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,NOx,SOx,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

5、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,?,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，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

6、,?,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,?,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,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,S,S,蒸汽,电,热水,CO2,（去埋藏），污染物,（,H2S,，,PM,，碱金属）,煤,空气,O2,O2,O2,Vision 21,能源系统,煤气,H2,目的：

7、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,近零排放,国外多联产系统的发展概况,04,年,1,月，,NETL,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。,国外多联产系统的发展概况,Coal Energy,Application,For,Gas,Liquid,Ele,ctricity,目的：,减少,CO2,排放,增强国际竞争力,促进循环社会构建,摆

8、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）。

9、,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,CO2,N2,三液产品,参混,富氧炉,空分,U,GAS,焦炉,尾气,焦炉气,N2,O2,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,?,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,?,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,为核心的多联,产能源系统,煤,

10、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,?,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,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,

11、提取钒等贵金属,水泥建材,气体分离,H2,利用,CO2,捕集与埋存,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,(1),连续,封闭,三段,炉,CO2,分离,CO2,CH4,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,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

12、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,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,?,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,多联产系统的科学问题,

13、?,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,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

14、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,德士古,Destec/,Dynergy,Shell,Prenflo,电站名称,Tampa,（美）,Wabash,River,Demkolec,荷,兰,Puertollano,西班牙,进料方式,湿法,湿法,干法,干法,炭转化率,96,98,98,98,98,气化炉可用率,80,85,90,95,95,待考验,气化炉可用率,80,85,90,95,95,待考验,净功率,/MW,250,261.6,253,300,示范电站效率,41.6,（,38.5,）,37.8(38.8),43,43,效率（,

15、LHV,）,0.43,有可能,能达到,容易达到,容易达到,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,合成气转化为清洁燃料和优质化工产品技术,?,合成工艺（,F,T,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,?

16、,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,$2000,4000/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,。

17、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（,HSMR,）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

18、。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,?,多喷嘴对置式水煤浆气化技术（兖矿、

19、太原理工）,?,甲醇低压羟基合成（兖矿）,?,煤间接液化的低温,F,T,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

20、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,300,400MW,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,?,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,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

21、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,1.73,0.93,0,1,2,3,4,5,6

22、,7,三联产（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,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,?,生命周期评价,LCA,（,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、,输出及其潜在的环境影响的汇编和评价。,环境性能的研究,0.0,0.2,0.4,0

23、.6,0.8,1.0,0,10000,20000,30000,40000,50000,Y,-,直,接,减,排,成,本,X-削,减率,小规模,中规模,大规模,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,Y,-,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

24、,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,多联产系统性能的综合评价,0,1,2,3,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,Y,-,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 Techno-Economic Analysis for the Production,o

25、f 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,1999.1,TEE,分析案例,Technological,Economi,Environmental,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，,PC,FGD,性能最差。,结论,?,国家发展多联产的目的是实现资源的有效,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,

26、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,