以煤气化为核心的多联产能源系统

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1、以煤气化为核心的多联产能源系统-资源/能源/环境整体优化与可持续发展 清 华 大 学 倪 维 斗 李 政一、按现有的技术我国的能源系统是不可持续的1. 人 均 用 能 将 不 断 提 高目前我国人均用能还处于相对低的水平，约 1000kg/ 人年，比起 美国的 人均用能 11000kg/ 人年，日 本、德 国、俄 罗斯等国的 5000-6000kg/ 人年，尚 有很大差距。当然，我国由于人均资源贫乏，国土环境容量有限，决不可能 去追求高能耗，而是应该有我国特殊的生产与生活方式，尽量节俭。但是， 随着社会和技术的发展以及人们对生活水平不断提高的企盼，人均用能肯定 要不断增加。按 不同机构所作的预

2、测，在 2030-2050 期间，我 国人均用能将 为 2500-3000kg/ 人年， 这是不以人的主观意志和行政命令为转移的。2. 按 目 前 技 术 的 延 续 ， 资 源 、 环 境 将 无 法 承 受 ， 例 如 ：我国人均电力装机容量只有 0.2 kW ，达到真正的小康水平人均至少要 1.0 kW ,即比目前要增力口 5倍，达至I约14-16亿 kW,届时C02、S02、NOx、 TSP 的排放量都相应大大增加。即 使按脱硫率 95% ， 并安装了先进的低 NOx 、燃烧器和脱硝装置， 其 污 染 程 度 还 是 十 分 可 观 的 ，比 起 整 体 煤 气 化 联 合 循 环 和

3、 天 燃 气 联 合 循 环 有 较 大的差距。对中国来说，至 2030-2050/ 人年，不 管按那种情景分析，煤在一 次能源中还是要占 50%以上，且将来的煤主要用于发电，可能要占整个煤生 产的 80%以上（目 前用于发电的煤为煤总产量的 33%）。从而，无论从 SO2 NOX 和悬浮颗粒的排放，还 是从温室气体 CO2 的排放的角度看，用 目 前的 的 技 术 都 是 不 可 持 续 的 。此外 ，湿法 脱 硫 后 所 得 的 低 质 量 石 膏 形 成 大 量 的 白 色二次污染。世 界 上 城 市 化 的 进 程 不 可 逆 转 ， 大 城 市 的 污 染 问 题 将 变 得 越 来

4、 越 严 重 ， 汽 车 所 排 出 的 CH 、 CO 、 NOX 和 经 光 合 作 用形 成 的 5 微 米 以 下 的 微 颗 粒 仍 是城市的主要污染源。尽管汽车发动机的性能在不断改善，例如：美国总统 亲 目 抓 的 PNGV 规 划 （Partnership for a New Generation of Vehicles）， 欲 达至 的耗油量目 标是 3 升/百公里， 但即 使这样 ， 由于大城市人口集中， 百人 汽车占有量增加，汽车尾气仍是一个大问题。这个问题在中国尤其突出，目 前在世界十大污染严重城市中，中国占了 7 个，其中北京很不光彩地名列第三。3. 我 国 石 油 、

5、 天 然 气 资 源 相 对 贫 乏我国的石油的采储比不至 15，比世界平均值 40 要低得多。天然气前景 虽 然较 好 ，近来 年 发 现 不 少 的 气 田 ，并准 备 从 哈萨 克 斯 坦 ，西伯 利 亚 引 入 天 然 气，但 就 总量 而 言 ，仍不能 大 幅 度 地 改 变 我 国 能 源 结 构 。正 在计 划 中 的 西 气东输计划（管线达 4200 公里， 投资 1000 多亿）也只是输气 120 亿 m3/ 年，占整个能源的 1.2%（目 前天然气占一次能源的 2%），在 2030 能占 10% 已 是 最 乐 观 的 估 计 了 。多种 预 测 表 明 ，我国 石 油 产

6、 量 今 后 只 能 基 本 维 持 现 有 水平或略有增加（1.6-2.0 亿吨/年）。目 前我国对液体燃料的需求不断增加 2000 年已进口 4000 万吨， 预计在 2005 年将是 9000 万吨， 2010 年将达至 1.6 亿吨。这些数目 是相当惊人的， 一方面要消耗大量的外汇， 使国家经济 受 国 际 油 价 的 影 响 和 冲 击 ， 另 一 方 面 从 能 源 安 全 角 度 也 是 十 分 严 重 的 。 近 年来进口石油又引发了一个新的问题，即所购买的廉价高硫原油，用我国目 前普遍使用的催化裂化装置和工艺，炼制出的汽油、柴油在含硫方面离国际 标准有很大差距，要彻底改变炼制

7、工艺和装备则需要数以千亿计的资金。4. 再 生 能 源 （ 主 要 是 风 能 、 太 阳 能 、 生 物 质 能 ）再生能源固然是清洁能源，应当在政策、机制和技术上加大力度，加速 推广。但由于这类能源能源密度小，单位功率价格高，随机性大，要在整个 能源中占较大的份额是不太可能的，若有 10% 已是最乐观的预测了。因而，从中国的现实出发，在一次能源以煤为主的情况下，如何构建资 源、能源、环境整体化的可持续发展能源系统，是从现在就要开始重点研究 并逐步实施的战略性问题，也就是说，如何从国家多个行业集成的高度把清 洁利用煤这篇大文章做好。二、以煤气化为核心的多联产系统是可持续发展能源系统的重要组成

8、部分 从全世界范围来讲，工业的发展，化石能源的大量应用，已经给我们共 同的家园-地球，带来了严重的环境恶化的后果，且还面临更严重的挑战。 因而，各个国家、各个工业部门都在寻求资源消耗少，能源转化效率高，总 体排放少的系统。美国能源部（DOE）提出的Vision 21（展望21）能源系统（见图1）,其基本 思想是以煤气化为龙头，利用所得的合成气，一方面用以制氢供燃料电池汽 车用,另一方面通过高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转 换成电能, 能源利用效率可达 50%-60% , 排放少, 经济性比现代煤粉炉高10%。Shell公司提出Syngas Park （合成气园）的概念，它亦以煤

9、的气化或是 石油和渣油气化为核心,所得的合成气用于 IGCC 发电、用一步法生产甲醇 和化肥， 并作为城市煤气供给用户（ 图 2） 生态工业园的研究正在不断深入人心并取得成果，生态工业是指仿照自然 界生态物质循环的方式来规划工业生产系统的一种工业模式。在生态工业系 统中，各个生产过程不是孤立的，而是通过物料流、能量流和信息流互相关 联的，一个生产过程的废物可以作为另一个过程的原料而加以利用。生态 工业追求的是系统内各生产过程从原料，中间产物、废物到产品的链接和耦 合， 从而达到资源、能源、投资的最优利用， 以及对环境最友好。美国一些著名大学，如MIT，耶鲁大学、普林斯顿大学都在积极开展生态工

10、业 的 理 论 和 实 践 的 研 究 。 近年来人们提出绿色化学的概念，即用化学的技术和方法去减少或消灭那 些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产 物、副产物等的使用和产生，因而从源头上根除污染，而不是在有害物质产 生后再进行尾部处理。绿色化学已列入日本?quot;新阳光计划和欧洲、拉美 等国的绿色化学与技术科研计划。 在石化企业中建立 IGCC 动力站， 燃用厂内生产的廉价重质渣油、 沥青、 石油焦或 Orimulsion 油， 它既能为化工流程生产提供合成原料气， 又能用 于提供合成气生产所需的电能和蒸汽，使电能、热能的生产过程与化工过程 有机地结合起来，使所

11、生产的化工产品和电能的成本降低。这类装置在全世 界已有数十套，而且还在进一步发展。其中比较典型的是意大利 ISAB 公司 装置，它的输出功率为522MW （见图3）从这些例子看出，由于能源问题面临资源与环境的双重压力，全世界都 在寻求解决问题的有效途径。但由于长期以来各工业部门所管辖领域之间的 分隔，例如：发电、动力、石化和化工甚至于冶金，都在本行业内单独寻求 最优解，实际上这些局部最优并不一定是整体最优。多联产系统正是从整体 最优角度、跨越行业界限，所提出的一种高度灵活的资源/能源/环境一体化 系 统 。 其 基 本 思 路 可 用 图 4 表 达 。其要点为：1） 以煤或石油焦或高 硫重渣

12、油为原料（后者可以和石化企业结合），用纯 氧 或 富 氧 气 化 后 生 成 的 合 成 气（主 要 成 分 为 ：CO+H2 ）通过 高 温 净 化 可得 到 纯净元素硫；2） 合成气可有多种用 途 部分可用作：城市煤气，分布式热、电、冷联产大型发电（燃料电池或燃气轮机/蒸汽轮机联合循环） 一步法生产甲醇 一步法生产液体燃料（ F-T 液体燃料， 二甲醚） 其它化工产品（ 合成氨、 尿素、 烯烃）另一部分经过蒸汽重整反应：CO+2H2O?CO2+2H2 后，通过气体分离把H2和CO2分开。氢气可用于质子交换膜燃料电池，主要 用于城市交通的车辆，可以达到零排放，从根本上解决大城市汽车尾气污染

13、问题。 长远来看，氢气作为载能体，可作为分布式热、电、冷联供的燃料，实现 当地零排放。3）分离出来的CO2的处理从表 1 看出，气化所得的合成气在净化后再燃烧， SO2 和 PM10 都是没 有问题的， 只要燃烧过程控制得好， NOx 可比常规煤粉炉电厂大大降低。 因此， 问题的关键在于温室气体 CO2 的处理。 由于用这个多联产系统， 所 排放出来的 CO2 不像常规燃煤电站那样渗混在烟气（含有 75%以上的氮气） 中，而是十分清洁的纯CO2 （纯度达99%），这样，应用的范围就大大扩 展了。它可以作为化工原料生产化肥，制造干冰，促进植物生长或用于其它 工业用途。 近年来， 在加拿大 Arb

14、erta 地区， 正在利用 CO2 来强化煤层气（CBM）的开采。实验表明，煤作为一个微孔物质，它对CO2的吸附性要 大于CH4，所以在CO2注入深层煤（2000米以深，在几十年内不准备开采 的），可得到宝贵的CH4，同时又把CO2埋存了。目前世界上针对CO2的 埋 存 （ Seguestration ） 有 很 多 研 究 ， 如 把 它 压 缩 以 后 注 入 深 海 ， 注 入 废 弃 的 矿井，注入地下含水层，。但这个问题还只是一个初步的设想，真正实施 尚需做详细的经济、 技术和环境分析。 不管怎样， 在利用煤时得到纯 CO2 处理起来相对难度要小得多。4）这个系统的最核心一点是所列举

15、的产品（电、 热、 冷、 化工产品）， 它 们的生产过程在多联产系统中不是简单的叠加而是有机的耦合和集成，从而 比各自单独生产可以简化工艺流程，减少基本投资和运行费用，降低各个产 品的价格，调节多个产品（尤其是发电）之间？quot;峰一谷差，使得各流程 优 化 运 行 ， 减 少 污 染 。5）这个系统高度灵活和开放，在中国具体情况下，在煤炭丰富地区，建 立这类系统是十分有利的。在具体实施中，可以按照技术进步和投资大小逐 步推进， 如先实施热、 电、 甲醇联产， 然后再逐步扩大。 图 4中所示的只 是多联产系统的耦合的大框架，各个相关系统之间的详细物质流、能量流、 信息流以及多目标（技术、经济

16、、资源利用、环境）优化，需通过复杂系统 的 研 究 ， 并 根 据 当 地 的 具 体 情 况 ， 加 以 解 决 。 三 、 多 联 产 系 统 中 几 个 可 实 施的耦合示例1. 与 发 电 结 合 的 甲 醇 生 产 工 艺 流 程 的 简 化 常规方法是用液相反应来生产甲醇（图 5）。从 反应过程来看，合成气 进 入 反 应 器 后 ， 有 很 大 一 部 分 CO 需 要 通 过 变换 反 应 ： CO+H2O H2+CO2 来转化为氢气，以达到甲醇合成过程所要求的进料化学计量比： CO+2H2O CH3OH （放热反应）通常，参加反应的一氧化碳只有一小部分（ 10%）可以生成甲醇，大 量未反应的气体需要经分离后，反复、多次进行循环反应，以提高甲醇收率 这样，生产甲醇的工艺流程及设备就较复杂，并要额外消耗分离、循环用的 能量。而在多联