建立以煤气化为核心的多联产系统

山西能源与节站2009年第4期(总第55期)SHANXI ENERGY AND CONSERVATION2009年8月.院士论坛1建立以煤气化为核心的多联产系统倪维斗(清华大学,清华-BP清洁能源研究与教育中心,北京100084)摘要:通过对中国能源需求分析和发展趋势预测,指出了煤炭是中国未来相当长时间内所依赖的主要能源。根据对中国能源- -次消费的预测,提出了中国能源产业发展的出路在于建立以煤气化为核心的多联产系统。介绍了煤炭现代化对中国能源发展战略的意义以及可持续发展的能源系统一IDDD+ N原则。关键词:煤气化;多联产;能源产业;发展;出路中圈分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1674-3997- (200)04-0001-04Poly Generation System Based on GasificationNI Wei-dou(Tsinghua BP Clean Energy Research & Education Center , Beijing 100084, China)Abstract: An analysis of China ' s energy needs and its trends shows that coal will be the main energy resources China de-pends on in the future. According to one of China' s energy consumption forecasts, the author believes that China' s energyindustry lies in the development of the gas into the core of the establishment of the∞production system. Further introduc-tions are also made about the modernization of coal industry and the significance of China's energy development strategy, aswell as the energy systems for sustainable development: IDDD + Nprinciple.Key words: coal gasification;polygeneration;energy industry;development;way out的出路何在?0引言世界能源领域面临着挑战。如果按照目前燃料1煤炭现代化利用战略方向一 多联产应用的趋势,以常规情景考虑,人类将在耗尽化石燃除了加速发展核电和可再生能源以外,煤炭利料之前,首先耗尽“大气”。因此,能源问题将会威胁用的可持续发展或现代化的煤炭利用技术,即通过.人类的生存。煤(或石油焦)气化和化工反应一次通过方式实现电人类活动所引起的气候变化,将抵消人们在防力、液体燃料、化工产品供热、合成气等的联产。这治疾病、减少贫困、防止战争和保持生物多样性等方就是煤炭现代化利用的战略方向一多 联产。面所做的所有努力。这已经是不争的事实。煤基多联产,具体来讲就是以煤、渣油或石油焦为此,能源资源的开发利用可有效地促进社会、为原料,气化后生成粗合成气,再经净化的合成气用经济的可持续发展,保证人类正常的生存。来实现电、化、热、气的联产,即在发电的同时,联产无论从能源资源状况,还是环境保护的要求,都包括液体燃料在内的多种高附加值的化工产品、城在呼唤煤炭开发利用的现代化!中国能源产业发展市煤气等。它是将清洁煤发电和煤化工技术耦合的能源系统。其中的清洁煤发电技术被称为整体煤气收稿日期:009.07-0化联合循环(简称IGCC)发电,是洁净的煤气化技术作者简介:倪维斗,1932年生,男,浙江宁波人,1962年毕业与高效的联合循环枯术的结会于苏联列宁格勒加里宁工学院动力机械工程专业，副博士，中国煤化工Iccc发电和煤1990年获荣誉科学博士学位,中国工程院院士,清华大学教化工CN M H G气化之后产生的授,博士生导师,清华一BP清洁能源研究与教育中心主席。合成 气用来推动燃气轮机发电和生产化工产品,这长期从事热力涡轮机系统和热动力系统动态学方面的研究，个比例可以调节,并且生产化工产品的弛放气可以目前,主要从事以煤气化为核心的多联产能源战略研究。2009年第4期山西能源与节能2009年8月进人燃气轮机发电,资源可以吃干榨净。天然气、煤单产和联产制甲醇不同技术系统的比较。煤基多联产相比纯IGCC发电具有更好的经济年空气分寓，成r合成气[{天然气性、更高的能量效率以及更加灵活的运行操作性。热/电/冷商业楼字资源和环保呼唤煤的现代化利用,多年来的技术进动在气化了-高温净化十一七联产[住宅石油焦步也提供了煤现代化利用的大好时机。我认为煤现生物质TCCC代化利用的战略方向之一-就是以煤气化为核心的多蒸汽→变换反应+化工产品一L or CCC联产。LCO:+H,该技术特点是:a)动力/化工过程耦合,b) 2个气体分离00;7过程均得到简化,c)经济性/可靠性都得到提高。之TH所以可以得到上述效果,是由于联产高附加值液体燃料降低了产品成本,简化了生产系统,降低了投资热/电/冷|大规模悉料藻类强化石油和和运行成本。联产JL发电电池埋存干冰化工生长课层气开来以发电250 MW/a,生产甲醇40x10* t/a的多多联产产品:联产模式为例，分别按并、串联系统组合,进行联产1.城市煤气5.化工产品 6.氢气7.纯CO,2.电力3.热/冷4.液体燃料系统变负荷特性案例分析(见表1、表2)。圈1资源/能源/环境-体化能源系统表1电力甲醇多联产系统变负荷运行特性对比分析表3天然气煤单产和联产制甲醇的对比分析并联联总功率输出E.250 MW天然气|煤制天然气和|天然气和|最低电负荷πmin_40x 10* t/a单产/联产制甲醇甲醇煤联产制煤联产制.甲醇设计动化比λ070%设计分流比Yo0.9天然气|水煤煤浆气化干煤粉气工艺部分氧|浆气+天然|化+天然设计转化率0。0.53化重整化气部分氧;气部分氧合成单元容量盈余度ρ98.28%51.37%化重整化重整设计动化比λo13.2%20.0%5050表2电力甲醇多联产系统变工况特性对比天然气x108耗量Nm/a4.33|-3.322.74系统结构B联负荷调节参数分流比循环比煤耗量x10*/a_- _ 70.33 20.56 30.04 _CO2排放量x10t/a| 7.48 99.67 24.7039.07负荷调节能力(相同Ao,p)较强较弱煤与天然气热值比0.500.89发电单元燃料寓CO气体,成| 富H2气体，氢碳比热效率59.33 45.93| 54.8353.01气属性(变换系|分不随电负荷 |随电负荷降低有略Nm2/t867664548统)变化微升高耗量.MeOH煤耗量[ t/t MeOH1.410.410.60不变换系统发电单元燃气为富CO气氧耗Nm/tMeOH_ 520| 689600581合成单元是否|不影响发电单|体,随电负荷降 低，CO2排放量/t MeOH 0.15 1.99 0.490.78包变换的影响元燃料气咸分|氢碳比降低;变换 系统燃料气成分随电由此可见，多联产模式是综合解决中国能源问负荷降低更稳定题的重要方案。由于联合生产多种产品,提高生产热效率随发电单效率,有助于减少能源总量需求,采用高硫煤拓展煤变化范围小变化范圈小元负荷的变化炭资源的利用,缓解能源总量要求。基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工利用煤炭大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合技术耦合的,集资源.能源、环境一体化的能源系统成油和氢等替代燃料,还有助于缓解石油进口压力,(见图1),具有包括电力和化工产品的多种产品输解决液体燃料短缺问题。出,所以多联产是推动IGCC发展的重要途径。总之,把建立以煤气化为核心的多联产系统作多联产系统还是多维度梯级利用系统,其过程为中国能源产业发展的战略方向,结合中国以煤为相互耦合,实现能量流、物质流、有效能等的总体优主的中国煤化工统，开创新型工业化,达到氢碳比合理优化利用、尽量减少“无谓"的化化道:展具有很大的潜学放热过程、热量的梯级利用(过程内部和燃气/蒸CH. CNMH G、液体燃料短缺等汽联合循环)、压力潜力的充分利用(高压反应、各种问题的重要战略方向。膨..... .物质的充分利用(如,CO2)。表3给出了●2●2009年第4期倪维斗:建立以煤气化为核心的多联产系统2009年8月生能源),应采取使各种能源相互取长补短、相互配2煤炭现代化利 用战略的意义合、发挥各自优势的战略布局。2.1实施煤炭现代化战賂刻不容缓国家的能源系统应当是个有机的整体,是各种从2010年至2050年燃煤发电装机容量预测不同能源的转换、输送,并以各种不同形式或产品服(见图2)可知,今后10a,大量的资金将投向电力产务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。业。这些投资所采用的技术路线将决定中国到20203.1转换整合化年前,满足电力需求所采用的煤炭利用模式。打破不同行业间的界限。通过对发电、化工、冶金等生产中的物质流和能量流进行充分集成与优化,改变传统的工艺过程,达到能源、环境、经济效益号12-口2000年以前量最优化的目的。在多输人、多输出系统中,每种能源心10-口2000年 以后新增容量必须发挥其特殊长处。另外,将可再生能源当作一种有份额的一次能源“插人”到整个能源系统中,根据不同可再生能源的特点,确定其在整个能源系统中的战略地位。对2000 2005 2007 2010 2015 2020 2030 2050于可再生能源的利用一定要从国情与各地区的具体.年份團2燃煤发电装机窖预测图情况出发,因地制宜,因时制宜,因用制宜,把“合适目前,正值新一轮电力建设高潮,现在兴建的电.的能源放在合适的地方”。.厂将决定2020年及以后的煤炭利用模式。希望能根据广义能源系统利用的原理,必须考虑可再够将这些新增容量中的相当一部分转向现代化发电生能源与化石能源的集成利用。例如,生物质和煤方式。错过这一时期,今后再实施煤炭现代化战略的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气(建筑能将更为困难。源供应)、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规如果延误过渡到以煤气化为核心的多联产技术模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的时机,将会显著地增加将来中国治理空气污染的的集成.....成本,造成难以控制未来石油进口的局面,大大增加将天然气、煤气化、焦炉煤气、煤层气、可再生能源(风能、太阳能、生物质等),通过不同过程的物质、减排温室气体的成本。压力、温度等的耦合,其能源效率提高的潜力为15% ~2.2煤炭现代化战略的优势煤炭现代化战略是以煤为原料,充分利用高硫20%。3.2 需求精细化煤,解决资源短缺和能源总量需求问题的。其污染按不同的用能需求、需求的不同层次和动态变排放水平接近天然气联合循环,可满足最严格的环化,为能源供应、规划和配置提供指导。保要求。另外,还可以生产清洁液体燃料,缓解石油例如,把高温能源提供给需要高温的工业;把进口压力和城市污染。与IGCC相比,经济，上具有中、低温能源,用于建筑物冷和热的供应。竞争力,发电成本接近带脱硫脱硝装置的燃煤蒸汽对电的需求而言,应当根据高/低电压的不同需电站。在生产过程中CO2富集,具备低成本实现求,以稳定或相对稳定(允许一定范围的波动)的电CO2减排的可能性。利用煤气化合成气制造二甲醚,性质类似LPG,力需求,调配电力供应。对交通的需求,按照城市公交城际客车、市郊可解决农村分散用能的问题,提高碳资源的利用率客车一有固定的行车路线、出租车一 相对 较短和增值率,实现煤的全价利用。这些都是符合中国的行驶距离家用轿车一各 种动力,电动、混合动能源状况和社会发展要求的。力、“插电(Plug - in)”,进行能源配置。3可持续发展的能源系统及IDDD+N原则对供给稳定性的需求,区分稳定地供给,大多数的工业过程一定要求电网供电;允许一定波动的供基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工应,如,电解铝或水、海水淡化以及其他允许较大的技术耦合的能源系统,具有包括电力和化工产品的波动化工生产过程,则可以用非并网风电或其他不多种产品输出。稳定的中国煤化工21世纪是多元化时代,具体体现在能源供应多多样化地供应才元化,转换多元化,分散、集中多元化,终端应用供应能更大YHCNM HG.可再生能源才一体化。能在能源系统中起到较大的作用,也为车用替代燃中国能源种类繁多(煤、油气、核、风能等可再料(甲醇、二甲醚)的生产和基础设施规划打下基础。2009年第4期山西能源与节站2009年8月对于不同的终端用户应当根据当地具体的条件使用模块化布局,机动灵活,就地满足用户要求,减少热合适的能源，从而消除能源转化和运输(或传输)过能多次转化和输送,便可把能源利用效率从40% ~程中不必要的环节。50%提升到80% ~85%。3.3供给多样化3.5快速发展 的网络信息技术多样化的能源形式，如,煤、石油、天然气、核能、立足从目前传统的电网过渡到“智能电网水能、太阳能光伏、太阳能热、风能(大、中、小规模)、(SmartGrid)”,进而在大城市范围内发展成“智能电生物质等可再生能源。各种能源都具有自身的特/气网(Smart Electric/Natural Gas Grid)"。性,应当在整个能源系统中确定它们各自合适的“位在能源利用转换整合化.需求精细化、供给多样置" ,发挥长处,各得其所。化、布局分布化的基础上，再加上实现调度、控制和能源供给系统中,需要重点研究的不是各种能管理的网络化,按IDDD+ N原则对现有系统进行源能做什么,而是它们在整个能源系统中应该做什改造转化,建设新的能源系统,具体方案见图3。么，并尽量用较少的能耗代价满足终端用户精细化.IDD+N )的需求。基本原则:集中且高能量密度的能源应当集中利用和转化(高效率、低污染),并利用现存的基动态总量控制，全生命周期分析,合适能源放在合适地方础设施(如电网、天然气管网等)连接到终端用户;分调度、控制、管理网络化散且低能量密度的能源应当分散利用,如农村地区的能源供应。数据网络在线数据数据数据地省国能源多样化利用的基本原则是:平公搜集传感监利分析挖掘预测a)优质能源用于发电;中、低质能源,应当梯级利用,避免能源转化过程中不必要的环节。尤其要厂-能源供盂衡布局分布化能源需求侧1全盘规划和考虑品种各异的煤炭资源如何利用的问终端导向，集散结合题,哪些煤种用于气化,哪些煤种用于发电。经过仔供给多样化←Hl 需求精细化细研究,把合适的煤种用在合适的位置上。转换整合化b)可再生能源能量密度低和随机性分布强。打破行业界限，3最优例如,生物质高度分散和运输困难,应根据当地具体能源化石能源、可再生热:高溫、低温、中温情况，因地制宜,就地利用。能源、高能量密度、i电:高压.低压.交直流c)在供给多样化中,高品位能源高品位利用;低低能量密度、分散、|交通:公共交通、集中.优质.中.低家庭驾车品位能源低品位利用,并尽量减少能源损失。质、高品位、低品位3.4布局分布化圄3建设新型能源系统的结构围分布式供能系统是中小规模的终端导向的能源未来,对新型能源系统实现调度、控制、管理网.系统。能源在当地进行生产、转化和供应,满足终端络化,使其达到灵活、可控、可靠、在线静态和动态的用户多样化的需求。优化组合,将快速发展的信息技术,用于促进新的可a)能源在距离和形式上与终端用户密切结合,持续能源系统的建立。如,数据搜集、网络传感、在能量转化传输等环节效率高、能量损失小。线监测.数据分析数据挖掘、数据预测(特别是可再b)中小规模的能源系统(微型燃气轮机、内燃生能源),建立起覆盖面广的能源信息平台和多层次机热泵、风电、太阳能光伏、太阳能集热器等)与不优化的网络。同形式的蓄能系统相结合。廉价且方便的大、中、小.按照小、中、大、地区、省不同级别，进行多层次型蓄能系统(蓄电、蓄热、蓄冷、蓄气等)是节能的关协调优化,实现动态总量控制的目标。在全国、各省键,且急需技术上的突破。市、各地区全面搜集、整合、细分各种需求和供给信c)多种能源资源可资利用,通过能源利用布局息。通过调度、控制和管理的网络化管理,节能潜力的合理调整，能够提高系统能效的潜力,达到20% ~至少有50%以上。30%。3.6可持续发展的能源系统(IDDD+N原则)d)提高能源供应安全性。nology,ET)越来越在广义能源系统中,因地制宜地进行分布式布中国煤化工将发生非常大的变局,采取集中电网、分散电网和离网运行相结合的模革,HCNMHG除了能源技术的.式,将不同种类的能源,以互补和互相结合的方式进进步外,信息技术(IT)的深度介人是必不可少的。行利用。分布式供能系统,可以实现以天然气为燃(下转第6页)料的区域性热、电.冷联供。按功率需求的大小采用2009年第4期功西红源与节站2009年8月外,还要落实王君省长提出的5个保证,结合本单位研究起步较晚,但在一些煤矿本质安全企业以及安的实际情况,制订相应的行之有效的管理制度,彻底全生产本质安全的研究方面,还是取得了一些成果,扭转山西省煤矿安全生产的被动局面。绝不能让矿在实践中积累了一定经验,取得较好效果,使得安全难频发成为山西负面形象的标签,绝不能让矿难的状况大大好转,百万吨死亡率大大下降。像路安集代价成为山西人民难以拂去的伤痛。团的煤矿,他们对煤矿本质安全的概念、内涵、意义和实际应用与效果以及本质安全管理体系的建设均3“安全发展”要以人为本有一套成功管理方法。以人为本,首先是以广大人民群众的生命健康我们要建设本质安全煤矿,就要在各大中型煤为根本。如果没有安全保障,就谈不上维护人民群矿开展创建本质安全型企业。这是全省煤矿“安全.众的根本利益。因此,以人为本的科学发展观的本发展”的一个重要举措,也是对现有安全管理做法和.质,要求我们煤矿企业从源头上进行治理,从根源上安全生产工作标准进行发展和升华。为此,需要抓探索安全生产根本好转的基本途径，绝不能头痛医好以下工作。a)加快煤矿行业本质安全基础性研头,脚痛医脚。究,注重成果的实用性、针对性,典型引路,从企业的.从多年来煤矿安全生产重特大事故的经验教设计、规划、施工和运行系统等方面防范事故的发训,总结出了许多安全警句格言。“安全连着你我生。b)坚决全面贯彻落实国家对煤炭工业的政策他,群防群治到万家"“任何人抓安全都不越权,怎和法规以及省政府和省煤炭主管部门关于安全生产么抓安全也不过分,安全工作谁抓谁对,怎抓怎管也的有关规定等。c)推进安全科技支撑体系的建设，不越位”等等。不少煤矿把这些安全警句格言,制作切实提高安全技术装备水平,改善煤矿安全生产条成牌匾树立在煤矿井口显要的位置,提醒、警视下井件,实现安全生产根本好转。d)改善生产安全事故人员要高度重视安全。调查处理的方式,通过事故调查处理,促进企业加大落实“安全发展"要以人为本,是坚持立党为公、源头安全管理力度。e)大力推广现有的本质安全技执政为民的必然要求,是落实科学发展观的必然要术、成果,大力推动本质安全化进程。通过召开大型求,是实现好、维护好、发展好广大人民群众的根本研讨会,专题调查研究,举办安全生产论坛,积极申利益的必然要求，也是构建社会主义和谐社会的必报参与国家安全现代管理创新的活动,引导企业实然要求。- -定要按科学发展观的要求，切实把安全施本质安全化。f)加大本质安全宣传力度,宣传本生产的长效机制贯彻好,为山西省“转型发展”“和质安全化成果,大讲安全生产,努力做到各级领导讲谐发展”创造良好的安全环境。安全、管理干部管安全、科技人员论安全,生产一线.工人重安全,职工家属谈安全,努力形成全企业、全4创建本质安全型企业社会关注关心本质安全的氛围,共同应对金融危机，建设煤矿本质安全,在发达国家已有近百年的为经济平稳较快发展、和谐发展,创造出一个良好的发展历史。本质安全的管理体系、理论方法和实践安全生产环境,使山西省煤炭工业可持续发展走上已相当成熟。虽然在我国和山西省,对本质安全的健康的轨道。(上接第4页)励政策、价格政策,提供各种国家资助(立项与资金能源系统是个庞大的系统工程。ET和IT的融.投入),采用可持续能源系统方法(全生命周期分.合已成为必然的发展趋势,尤其是处于能源多样化、析),按照把合适的东西放在合适的地方(Put the需求多样化、供给多样化的条件下,将来可以将ETright thing on the right place)的 核心思想,这样一和IT的融合称之为一-EIT ( Energy Information来,以煤气化为核心的多联产能源利用系统,必将成Technology)。为中国未来能源产业的结构。尽管可持续发展的能源系统设计仍是个渐变过注:撰写本文时,参阅了国家发展计划委员会基程,但只要目标明确,政策清晰,措施果断.将IDDD础产中国煤化工源与可再生能源:+N的原则和要求,分解成各行业、各地区的实施细.1999JHCN M H G开研究小组编写的则,便可建立大小不同的可操作的模板和示范工程。《农业展:c1匹比T四根食习农业发展战略研为实现这个远景规划目标，国家应在多方面加究》等资料。.以引导,向这些模板靠拢,制订必要的规章制度、鼓