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1、煤的清洁高效利用是中国低碳经济的关键 Clean and Efficient Utilization of Coal Key to Chinas Low Carbon Economy,倪维斗 Prof. Ni Weidou 中国工程院院士 清华大学教授 Academician of Chinese Academy of Engineering 清华-BP 清洁能源研究与教育中心指导委员会主席 President of Advisory Committee, Tsinghua-BP Clean Energy Centre 2019年9月,中国可持续发展面临的五大能源挑战 Five Challen
2、ges of Chinas Energy,能源需求总量巨大且快速增长，供应能力日趋紧张,液体燃料短缺，高度依赖进口，能源安全堪忧,常规环境污染严重,农村和小城镇急需大量清洁、便利的能源服务,温室气体排放量巨大而且迅速增加,可再生能源的发展趋势（常规方案） Development Trend of Renewable Energy, 来源：中国工程院，2008,中国石油需求预测 Prediction of Chinas Oil Demand,国内外不同机构对中国石油需求预测,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！,
3、天然气需求预测 Prediction of Chinas Natural Gas Demand,2010 2050 Accumulate coal consumption: 1110*108 tce,1.8,1.2,0.96,0.68,0.40,一次能源消费预测最可能发展情景 Prediction of Primary Energy ConsumptionPossible Scenario,CO2排放最可能发展情景 CO2 Emissions Possible Scenario,应对全球气候变化，国际上可能留给中国的CO2排放空间已经非常小应及早主动应对而不是被动减排,若要将未来全球温升控制在
4、23摄氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年减少50%左右，只能排放104亿吨(1990年208亿吨)，这也就是届时全球CO2排放的总空间。 即使发达国家承诺减排其中80%，发展中国家整体上也需要比2005年减排36%。 中国正处于CO2排放的上升期，面临国际上对我国CO2排放峰值出现时间和绝对值的要求（譬如2030年80亿吨，2035年90亿吨，2040年100亿吨等），在已经大力强化节能和发展核能和可再生能源的条件下，未来在碳减排上仍将处于被动状态。,不可改变的事实 Some Unchangeable Facts,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
5、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。 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。,煤炭现代化利用多联产 Modernized Coal Utilization Polygeneration Based on Coal Gasification,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 。 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
6、 和 环保性能，具有捕捉CO2的天性，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减排的战略方向。,多联产：资源/能源/环境一体化能源系统 Integrated Resource-Energy-Environment System,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,多联产系统的特点 Characteristics of Polygenerat
7、ion,Polygeneration is the strategic direction for IGCC (Integration Gasification Combined Cycle) development promotion. Multi resources: coal, NG, biomass, waste residues, pecoke; Multi products: heat, power, liquid fuels, other chemicals; Minimization of pollution: SO2, NOx, PM2.5-10,Hg; Flexibilit
8、y of off-design operation It is important for electrical generation Higher energy conversion efficiency and economic benefit The capital investment of IGCC is about twice of the conventional power plant, and polygeneration will reduce the investment by 20% in comparison with the stand-alone plant. T
9、he efficiency will be 1015% higher.,13,多联产：多维度梯级利用 Polygeneration System: to Realize Multi-dimensional Cascade Utilization,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）,14,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。,
10、15,多联产：综合解决我国能源问题的重要方案 Important Strategy to Solve the Problems of Chinas Energy,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。,16,多联产：综合解决我国能源问题的重要方案（续） Important Strategy to Solve the Problems of Chinas
11、 Energy,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,IGCC系统中可以进一步提高效率、降低成本的新的技术发展,采用多个（636个）快速混合式气固两相流的燃料喷嘴 采用干法供煤挤压泵和超浓相气固两相流均匀分配器 优点 与常规气化炉相比尺寸小，气化炉价格可以下降50%，使IGCC比投资费用可下降1025% 气化逗留时间短，升温十分迅速，并高度均匀 气化效率高，使IGCC净效率提高
12、3个百分点 可用率有大幅度提高的潜力,PWR（Pratt Whitney Rockdyne）高温紧凑式气化炉的开发,A.,B. 采用更先进的燃气轮机技术,21世纪中期时IGCC电站的性能期望值,B. 采用更先进的燃气轮机技术,用更大的功率、更高温燃气前温（目前是1427，正在研发的是1700），可以进一步提高IGCC的热效率。按GE9H的燃气轮机所达到的热效率是51%，相当于欧洲AD700（目前尚未工业应用）高超临界蒸汽电站。从某种意义上说，燃气轮机是最能够承受高温的动力机械（是内燃，可以采用强化冷却技术和隔热涂层技术）。,GE9H,GE9H,离子转移膜（ITM， Ion Transport
13、Membrane）制氧设备与系统,目前使用的ASU投资(约占IGCC电站的15%)与耗功(占全功率的1213%)都很大，若采用上述新系统可以： 制氧费用降低1/3，比投资下降79% 使IGCC净效率提高1个百分点,D. 中温干法脱硫工艺的试验成功,目前普遍使用低温脱硫，合成气经过水激冷以后，温度下降到39左右才进行后续的有关工艺，从而损失不少能量。在中温干法脱硫工艺中，脱硫过程在480538温度下进行，从而可以回收更多的合成气中的热量。若将中间脱硫和后续的工艺整合起来（如CO2与H2）的分离，能量利用的效益会更高。,C.,IGCC系统中可以进一步提高效率、降低成本的新的技术发展,PWR高温紧凑
14、式气化炉的开发 采用更先进的燃气轮机技术 离子转移膜制氧设备与系统 中温干法脱硫工艺的试验成功 把上述这些新技术应用于IGCC，可以使IGCC的热效率，单位kW投资有相当幅度的降低，在一定程度上，即使不考虑IGCC有脱碳（Carbon Capture）的先天性优势，它的指标也可超过超超临界蒸汽发电。,考虑到IGCC加上CO2捕集进一步优势,DOE/NETL于2009年发表的修正数据,考虑到IGCC加上CO2捕集进一步优势,几个显著特点 IGCC的比投资和PC差的不是太远 IGCC加上CO2捕集所增加的比投资要比PC小得多,美国若干个单位提供的研究结果,IGCC电站与超临界煤粉蒸汽电站（燃用Pi
15、ttsburgh 8#煤）污染排放的对比关系,几个典型的IGCC和多联产电站 在役商业运行总发电功率：4050 MW,纯发电类型的IGCC 美国的Wabash River IGCC电站 美国的Tampa IGCC电站 荷兰的Buggenum IGCC电站 西班牙的Peuertollano IGCC电站 日本Nakoso空气气化试验电站,多联产型的IGCC 意大利ISAB Energy1999投入 意大利Sarlux/Enron-Sardinia2000年投入 意大利API Energia2001 意大利ENI-Sannazzaro2006 日本Nippon Petrolleum (NPRC)
16、2004,计划中准备建造的IGCC和多联产,美国 53套（含现代煤化工） 特点：功率比较大 630 MW（F级以上），有一半是多联产 美国以外 26套 德国、中国、英国，其中中国占7套（神华有4套） 由于碳税的不确定因素，加上基建成本的不断上升，有一些计划被取消，在文献上报到比较多、正在准备建造的IGCC和IGCC多联产有17套，相当大的驱动力似乎是IGCC在捕集CO2方面的优势。 其中： American Electric Power, Meigs County, Ohio 2012 630 MW BP/Edison Mission Energy, California 2012 500 MW (多联产) Dubai Water and Power Authority 2000 MW (电，海水淡化) Nuon Magnum, Netherland 2011 1200 MW RWE, Germany 2014 450 MW (多联产) Tenask
