油气储运工程毕业设计（论文）-天然气利用现状及其发展.doc

分类号 单位代码 11395 密 级 学 号 学生毕业设计（论文） 题 目天然气利用技术现状及其发展 作 者 院 (系)化学与化工学院 专 业油气储运工程 指导教师 答辩日期2011年5月 日 榆 林 学 院 毕业设计（论文）诚信责任书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在导师的指导下独立，是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰撰写写过过的的研研究究成成 果果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论论文文作作者者签签名名 ： 年年 月月 日日 摘 要 在当今社会，天然气是重要的一次能源。它是一种高效、清洁、资优的能源。开 发和利用能够改善我国的能源结构。我国的天然气资源十分丰富。天然气的快速发展 对我国经济社会发展、能源结构调整、城市现代化意义重大。本文在此背景下，结合 当前天然气利用技术现状与最新发展动态，介绍了几种典型的技术，如化工、发电、 城市燃气、燃料电池。重点介绍了天然气发电和制甲醇，本文最后对当前天然气利用 技术存在的一些问题作出分析并提出一些建议。 关键词：一次能源；天然气发电；天然气化工；天然气制甲醇 论文类型：综合研究 ABSTRACT In today,natural gas is an important primary energy. It is an efficient,clean,gifted energy .Development and utilization can improve our country，s energy structure. Our country，s natural gas resources are very rich.The rapid development of natural gas to our country，s economic and social development,energy structural adjustment,urban modernization of great significance. This paper under the background,combined with the current status of natural gas utilization technologies and the latest developments,introduces several typical techniques such as chemical,power generation,city gas,fuel cells. Focuses on natural gas generate electricity and methanol.in the last,the current natural gas use of technology to analyze some problems and some suggestions. Key words：Primary energy;Natural gas power generation;Natural gas chemical industry;Methanol natural gas Thesis：Comprehensive research 目录 目 录 1 天然气化工技术现状及其发展.1 1.1 绪论.1 1.2 概述.2 1.3 天然气制甲醇的工艺现状及发展前景.2 1.3.1 天然气制甲醇的转化工艺.3 1.3.2 气相法工艺.6 1.3.3 天然气超临界合成甲醇技术及碳酸二甲脂(DMC).6 1.3.4 天然气制甲醇的发展前景.6 2 天然气发电技术现状及其发展.8 2.1 世界天然气发电概况.8 2.2 我国天然气发电现状.9 2.3 发电技术概况.11 2.4 天然气电和常规火电污染物排放比较.13 2.4.1 燃煤电站污染物排放计算.13 2.4.2 天然气发电污染物排放计算.13 2.4.3 两者对比.14 2.5 天然气电站环境影响评价.14 2.6 天然气联合循环发电.15 2.6.1 天然气联合循环的基本理论.15 2.6.2 天然气联合循环的分类及优缺点.19 2.7 天然气热电冷联产(BCHP).22 2.8 天然气发电 SWOT 分析.23 3 其他天然气利用技术现状及其发展.24 3.1 天然气制合成气新工艺、新催化剂.24 3.2 天然气制取低成本合成油.24 3.3 国内外非烃气的利用技术.24 3.3.1 天然气中氦气和氮气的综合利用技术.24 3.3.2 天然气中二氧化碳气的利用技术.24 34 天然气直接合成芳烃技术.25 4 结论.26 参考文献.29 致谢.31 天然气利用技术现状及其发展 1 1 天然气化工技术现状及其发展 1.1绪论 地球上有丰富的天然气资源，天然气在一次能源结构中占有相当大的比例，由于 它不仅高效，而且清洁，是一种前景非常好的能源，天然气是低碳烃的混合物，以甲 烷为主，通常不含 C10以上烃类。按来源分，天然气可分为三类，即凝析气井气(湿气)、 纯气井生产的气井气(干气)和油田生气。随油田不同油田伴生气的气量相差较大。天 然气按组成可分为干气和湿气，一般将甲烷含量大于 90%的天然气称为干气， 低 90% 的叫湿气。湿气中乙烷、丙烷、丁烷及 C4以上烃类占有一定数量。近年来，专家预测 到 21 世纪中叶， 天然气在世界能源结构中的比例将从目前的 25%增加到 40%，而石油 将由现在的 34%降到 20%。由于能源生产结构的变化必然导致能源利用和消费结构的变 化。因此，天然气利用的开发显得尤为重要。 目前，天然气的利用按用途主要分为化工利用、发电和燃料三大类，也可以分成 两大类，即能源和化工原料，在世界天然气利用比例结构中工业燃料占 29%-30%，发电 占 20%-23%，民用燃气占 23%-25%，化工原料占 6%-8%，其他占 2%，在今后的 20 年， 我国的能源消费弹性系数为 0.45-0.50，石油为 0.5，煤炭为 0.3，天然气为 0.9，一 次电力为 0.5-0.6，由此可知，天然气的消费速度增长最快，年平均增长速度达 9%-10%。 在世界天然气消费结构中，天然气的化工利用的比例比较低，主要是因为天然气 是一碳原料，一次加工范围小，并且由于一次加工范围小使得其二次加工范围也小。 天然气化工产品有合成氨、甲醇、甲胺、芳烃、乙炔、氯代甲烷、二硫化碳、炭黑等， 而主导产品是合成氨和甲醇，全球天然气化工产品的年总产量在 11.6 亿 t 以上。在我 国天然气主要是用于合成氨和甲醇。合成氨技术成熟，工艺发展的主要方向是降低能 耗，甲醇的合成主要是采用低压法有英国的 ICI 和德国的 Lurgi 工艺。主要工序为天 然气转化-甲醇羟基的合成-精制。在天然气转化方面有优点的技术有丹麦的 Topsoe 二 段转化、美国的 Kellogg 一段转化、英国的 ICI 二段转化。国内低压法合成甲醇技术 成熟，生产企业众多，但规模不大，最大的装置是上海焦化厂，能力 20 万吨/a，大多 数在 5-10 万 t/a，生产成本高，竞争力差，主要建在合成氨厂。 目前天然气利用技术主要有下面两点： 天然气做化工原料主要用来生成合成氨、甲醇，从 20 实际 70 年代起，我国从 美国、法国、德国等国家先后引进了 17 套生产氨的大型装置，主要有以气态烃为原料 的凯诺格工艺合成氨装置、凯诺格 MEAP 节能工艺、ICI.AMV 工艺等，技术水平起点较 高；而以天然气为原料的甲醇装置普遍存在规模偏小，生产分散，技术水平起点低， 与发达国家相比较，中国甲醇的产量和消费均处在低水平，并且 90 年代以后以各种原 料生产甲醇的装置的产能增加加快(现已达到 230104t)，造成很多装置开工率不高 榆林学院毕业论文 2 (生产量现为 150104t)4，经济效益不佳。甲醇是一碳化学母体，是一种重要的基本 化工原料，随着国家经济的发展以及环境保护意识的增强，甲醇及其下游产品的需求 将会不断地增加。 天然气发电，随着天然气燃气-蒸汽联合循环发电装置单机的容量的不断扩大， 天然气发电在未来将有广阔的发展前景。天然气发电与其他火电相比，具有明显的特 点：对环境污染小，天然气由于经过净化处理，含硫量极低，每亿度电排放的 SO2仅是 普通燃料电厂的千分之一；热效率高，普通燃煤电厂热效率高限为 40，而天然气燃 气-蒸汽联合循环电厂的热效率目前已达 56，这主要是联合循环将燃气透平与蒸汽透 平进行了有机结合，从而提高了燃料蕴藏的化学能与机械功之间的转转换效率；燃气- 蒸汽联合循环电厂开停车方便、调峰性能好。 天然气的利用技术已引起人们的广泛关注，近年来国内外一些科技研究院在这方 面做了不少工作，已取得显著的成果。本文根据对天然气利用技术的现状及其发展的 介绍以及对天然气利用技术的分析，提出一些对天然气利用技术发展的一些建议。 1.2概述 我国天然气化工研究开始于 50 年代末，一些研究单位对天然气化工领域进行了全 面的研究开发，至 60 年代已取得一批科研成果并逐步用于生产。但由于种种原因，若 干年来，我国天然气化工的发展主要还是依靠引进技术，先后引进大型合成氨和尿素 装置 4 套，乙炔及醋酸乙烯装置 1 套，二硫化碳装置 1 套等。国内研究单位着重开发 催化剂、助剂等消化引进配套研究项目，缺乏组织总体工艺、关键设备及试验工程的 研究开发。目前我国天然气化工还没摆脱引进技术的局面。随天然气勘探开发及供应 形势的好转，国家计委制定了天然气(合成气)综合利用的科研攻关计划，组织中科院、 高等院校、原化工部和石油天然气总公司的专业队伍，对国际上致力开发的重要项目 都安排了研究课题。中科院主持的天然气综合利用项目取得了重要进展，总体水平与 国外水平接近，个别项目居国际先进水平。 合成氨和甲醇是天然气化工利用耗气量最大的产品。美国化工用气量 (化工燃料 气除外)的 77%用于生产合成氨， 15.9%用于制造甲醇。国外天然气制合成氨及尿素的 技术已基本定型。制甲醇技术的改进主要集中在浆液合成(提高单程转化率) 和造气 (降低投资)两个方面，目的是降低装置投资费用和产品成本。针对降低造气工艺的投 资，提出了天然气部分氧化制合成气的研究方向。为了充分利用天然气环保优势和资 源，大力开发面向 21 的新技术、新工艺，在首先将天然气(甲烷)转化为合成气的基础 上，再以间接(通过合甲醇或二甲醚)或间接的方式制备乙醇、乙二醇、乙酸和乙烯等 基础化学品或者合成液体燃料。 1.3天然气制甲醇的工艺现状及发展前景 目前，随着石油资源的日益衰竭和石油价格的持续上涨，以天然气为原料转化制 汽车燃料和其它化学品新工艺的开发这一问题就显得尤为重要。天然资源丰富，可使 天然气利用技术现状及其发展 3 天然气工业在最近的 5080a 得以持续发展，使天然气化工有很大的发展前景。甲醇 是天然气化工最主要的产品之一，它不仅可以作为燃料，也是生产众多重要化工产品 的原料，因此甲醇在天然气转化为液体燃料和化工产品中扮演了十分重要的角色。 1.3.1天然气制甲醇的转化工艺 当前，用天然气制甲醇合成气的工艺总体上可分为 3 个大类，一类是蒸汽催化转 化，其中包括传统蒸汽催化转化、联合蒸汽催化转化和预转化工艺；第二类是以部分 氧化为核心的转化工艺，包括非催化部分氧化和催化部分氧化(自热式转化)；第三类 是热交换器型转化工艺，其中以 ICI 和凯洛格的换热型器式转化器为代表。 （1）蒸汽催化转化工艺。天然气的传统蒸汽转化应用最广，在全世界该工艺占 80 %以 上。在传统蒸汽转化过程中，天然气在转化炉管内发生剧烈的吸热反应，反应热由管 外燃烧各种燃料供给。在高温和镍催化剂作用下，甲烷与蒸汽反应生成 H2、CO 和 CO2。转化用催化剂的活性元素是金属镍，均匀分布在 CAl 和 CaAl 或 MgAl 载体 上。甲烷与蒸汽转化的基本反应为： CH4+H2OCO+3H2 CO+H2OCO2+H2 （1.1 ） 但是传统蒸汽转化工艺存在如下问题：高水/碳比将使反应过程消耗更多的能量， 一方面是消耗过多的工艺中压蒸汽，这样增加了原料气加热器和转化炉上端的热负荷 及燃料的消耗；另一方面在热量回收和冷却段也会增加换热器的换热负荷以及冷却水 的消耗。高温操作虽然有利于转化反应，但高温会带来热量传递问题，增大了转化 炉管的热通量，这将使转化炉管的使用寿命缩短，对转化炉管材质提出更高要求。 虽然低压操作对反应有利，但却提高了整个装置的投资费用，同时增加了合成气压缩 功耗。传统蒸汽转化的改进型是向系统中补碳，若能将 CO2加入转化炉前或炉后，则可 以有效改善转化气的气质，提高甲醇产量，降低产品的能耗经过专家研 5 究表明，无 论是将二氧化碳加在转化炉前或转化炉后，对整个装置的能量消耗而言，其差别甚微。 （2）联合转化工艺。联合转化工艺的提出源于上世纪 70 年代的能源危机和剧烈 的市场竞争，是一种可降低甲醇产品能耗的工艺。该工艺是将传统的蒸汽转化和自热 式转化工艺结合起来即称之为联合转化工艺，它可使甲醇产品的能耗大幅度地降底。 上世纪 80 年代后期率先由 Lurgi 公司开发的联合转化工艺，在第一段常规蒸汽转化反 应器后串联一个二段加氧转化炉进行自热转化，总 O2/C 为 0.350.45。该工艺最大优 点是降低了一段蒸汽转化反应器的出口温度，从而可以将转化压力升高到 0.350.45MPa，与单独用蒸汽转化工艺相比，后续过程压缩机规模可减少 50%，同时 可以满足甲醇合成中要求的 H2/CO，消除了 H2的过剩，达到了节能目的。联合转化与 传统蒸汽转化能耗的比较见表 1.1。 榆林学院毕业论文 4 表表 1.11.1 2500t/d2500t/d 甲醇装置联合转化与蒸汽转化能耗甲醇装置联合转化与蒸汽转化能耗 类别传统蒸汽转化联合转化 单耗/GJ.t-132.329.7 转化炉出口压力/Mpa1.93.7 出口温度/875780 物质的量/mol2.73.02.05 (H2+CO2)/(CO+CO2)- 合成气压缩功耗260130 （3）预转化蒸汽转化工艺。预转化蒸汽转化工艺最先由英国气体加工协会提出， 并用于富油田气和相关的(富甲烷气)装置。该工艺采用一种高镍含量的催化剂来实现 部分原料的绝热转化，因此也相应缩小了辐射室的尺寸。首先采用传统方法对原料天 然气进行脱硫处理；再将混和原料气(天然气 + 蒸汽)预热到约 500进入单层绝热预 转化催化剂床，在此 C2以上的烃类被转化成 CH4、CO 和 H2的混和物；最后，该混和物 再进入位于转化炉对流段的第二级预热器，被再加热到 620，进入装有转化催化剂的 炉管内进行深度转化。 本工艺的优点是环保效益好，因取消了空气预热器，降低了烧嘴燃烧空气的温度， 故大幅度地减少了 NOx 的排出。与传统蒸汽转化工艺相比，本工艺可降低 NOx 排出量 33%左右。另外，降低了转化炉的热负荷，同时先转化了 C2以上的烃类物质，防止或减 少转化催化剂上的析碳；还起到硫保护作用，有利于防止传统蒸汽转化炉管的热带和 催化剂的硫中毒，延长转化催化剂的使用寿命，提高活性；并可降低水/碳比。缺点是 转化工艺造成了产品的能耗的增加。 表表 1.21.2 2500t/d2500t/d 甲醇装置传统蒸汽转化工艺与预转化工艺的能耗指标对比甲醇装置传统蒸汽转化工艺与预转化工艺的能耗指标对比 类别传统蒸汽转化预转化 T进=490预转化 T进=592 工艺进料3179.603179.603179.60 公用工程302.60302.60302.60 总工艺负荷1192.261192.381192.43 总炉子负荷1494.891495.021495.06 总进料+燃料3447.63640.53528.40 能量单耗33.133.433.86 （4）以部分氧化为核心的转化工艺。Topose 开发的自热转化工艺是将部分氧化的 放热反应和蒸汽转化的吸热反应结合在一个反应器内完成，降低了工艺的投资费用。 与联合转化工艺相比， 其特点是部分氧化再现。传统的蒸汽转化制合成气的生产工艺， 合成气中 H/C 值约为 2.9，这和最佳组成 2.05 相差甚远，造成能耗高。为了使合成气 的 H/C 值接近 2.05，可以采用两种方法，即一段炉加 CO2转化法和二段加纯氧转化法。 一段转化法有以下优点：一段炉的热负荷仅为一段法的 35%45%，因此燃料天然气 耗量明显下降，和传统一段法相比，每 t 甲醇的天然气耗量可下降 10%15%，每 t 甲 醇的能耗下降 2.09GJ，且烟道气中氧化氮的含量也大大减少，使环境得以改善。原 天然气利用技术现状及其发展 5 料天然气一部分通过一段炉，另外一部分直接进入二段炉节省了工艺蒸汽，同时只要 控制纯氧的加入量，便可正确地调节合成气的 R 值达到 2.05 左右，合成气中甲烷含量 降至 0.5%1%左右，大大改善了合成回路的操作。二段纯氧化法的优点是明显的，从 上世纪 80 年代初期以来已有近 20 个装置采用富氧二段转化(用于合成氨)及纯氧二段 转化(用于甲醇装置合成氨装置)。选择二段纯氧转化需配套建设空分装置以提供 99.9% 以上的纯氧。20 世纪 70 年代后期空分装置由于采用了分子筛及铝板式换热器，大大提 高了装置的可靠性，而且操作周期均超过 8000h。 (5)非催化部分氧化转化工艺。非催化部分氧化工艺中，反应温度在 13501450 之间，以保证甲烷转化完全，并减少炭黑的产生。其反应方程式为： CO+2H2CH4+O2 CH4+O2 CO+2H2 2 1 （1.2） 该转化气的 H2/CO 比在 1.8 左右，不适合直接作甲醇合成用，须经 CO 变换 CO2脱 除才可用于甲醇合成。本工艺和前文所述自热式催化部分氧化工艺相似，反应温度高， 反应器要采用耐高温材料，其操作压力可从 1.93MPa 提高至 3.79MPa 运行，节约了转 气的压缩功耗。不同工艺的典型能耗、效率及投资对比分别见表 1.3、表 1.4。 表表 1.31.3 不同工艺典型能耗及热效率比较不同工艺典型能耗及热效率比较 类别天然气/m3.t-1燃料/m3.t-1总能耗/GJ.t-1热效率/(%) 传统转化865.436.232.361.7 联合转化801.028.029.767.1 自热催化转化887.5-31.862.6 非催化部分氧化813.06832.062.4 表表 1.41.4 不同工艺投资额对比不同工艺投资额对比/ /（% %） 类别设备材料工程费安装费及杂费总计 传统转化62.51225.4100 联合转化56.712.921.491 自热催化转化5413.519.486.9 非催化部分氧化581520.394.3 (6)热交换型转化工艺。通过前人研究发现，在甲醇装置中两段转化的一段炉所需 热量与离开二段炉工艺气所携带热量相差不多，利用来自二段自热式转化炉的热量替 代向管式蒸汽转化炉供热的直接燃烧方式，既可较好地利用热能，又能节省投资。换 热型转化工艺以 ICI 和凯洛格公司的两种流程最具代表性。 转化交换器系统。该系统构想是基于凯洛格开式管式转化交换器在单元设备的 冷端设一管板，物料进入单元设备的顶部，向下轴向通过填有催化剂的管内，从管内 出来与从自热式转化炉来的气体混合，混合后的物流作为壳层的加热介质向上通过单 元设备的壳层。 榆林学院毕业论文 6 本工艺最大的优点是操作弹性，大容易调节合成气的气质，减少了占地面积以及 NOx 的排放量和对环境的破坏，从而大大减轻了操作强度和维修强度 。 换热型 LCA 流程。在 ICI 的换热型 LCA 流程中，天然气转化反应所需热量由二 段高温转化气提供。此流程的关键设备是一个热交换器，在管内装有转化催化剂，管 外为二段炉来的高温工艺气。 工艺特点6是投资省，热利用率高，一段转化炉的温度较低，占地面积小。因降 低了直接用于加热用的燃料气，其节能效果十分明显。总之，天然气转化工艺作为制 造合成气的核心工艺是制造多种基础化学品如氨、甲醇等的基础，因而受到各研究机 构的高度重视，也是一个非常活跃的研究领域。 1.3.2气相法工艺 ICI 低压甲醇合成流程由 H2、CO、CO2及少量 CH4组成的合成气经过变换反应以调 节 CO/CO2比例，然后用离心压缩机升压到 5Mpa，送入温度为 270冷激式反应器，反 应后的气体进行冷却分离出甲醇；未反应的气体经压缩升压与新鲜原料气混合再次进 入反应器，反应中所积累的甲烷返回转化炉制取合成气。低压操作意味着出口气体中 甲醇浓度低，因而合成气的循环量增加。但是，要提高系统压力，设备的压力等级也 得相应提高，这样将会造成设备投资加大和压缩机的功率提高。热稳定性和温度分布 是反应器设计的两个至关重要的参数，所以设计时应该使反应气体分布尽可能均匀， 以防止催化剂床层局部过热，导致催化剂烧结失活。低压工艺生产的甲醇中含有少量 水、二甲醚、乙醚、丙酮、高碳醇等杂质，需蒸馏分离才能得到精甲醇。 1.3.3天然气超临界合成甲醇技术及碳酸二甲脂(DMC) 我国生产甲醇的企业很多。但甲醇生产装置技术水平差异较大。部分新建的较大 规模的装置具有国外 80 年代末、90 年代初的水平。多数企业规模较小，低产出高耗能， 在 55830.74GJ/t 之间，生产成本则普遍较高，大多在 1000-1300/元，有些甚至高达 1400 元/t 元。导致企业无法承受，急待降低成本，否则在经济全球化的今天，一些老 甲醇企业将会倒闭。针对国内天然气制甲醇生产企业的实际情况，较大地降低生产能 耗，将甲醇平均生产能耗降至 28GJ/t 的水平，是目前的重点研究课题。一些研究机构 现已开始进行研究和攻关。 国内碳酸二甲脂的合成方法主要有甲醇氧化羰基化法、光气法和酯交换法。甲醇 氧化羰基化法国内技术差距较大；光气法所用的原料光气有剧毒，且 DMC 产品质量较 差。短期内将被淘汰；酯交换法以 CO2为原料，实现对 CO2的循环利用。中科院山西煤 化所开发的反应分离一体制 DMC 的酯交换法生产工艺，采用一种新型反应器，在该反 应器中集环加成和酯交换两步反应于一体，同时实现 DMC 与甲醇的直接分离。目前已 完成室内试验，实现工业化还需要在催化剂与反应器匹配、反应器优化、反应工艺过 程优化等方面做大量工作。 天然气利用技术现状及其发展 7 1.3.4天然气制甲醇的发展前景 （1）世界甲醇市场的供求现状。2002 年世界甲醇生产能力达到 3848.1104t/ a ，需求量为 3064.5104t/d ，开工率为 79.8%。在 2005 年生产能力为 4294104t/a ，需求量达到 3481104t，开工率为 81%。预计到明年年全世界还约有 2250104t 的 甲醇装置将投产，到那时全世界甲醇生产能力将达到 5299104t，需求量达 4564104t/a，开工率为 86%才能保持供需平衡。从世界甲醇的消费结构和预测来看， 今后甲醇的消费结构与目前基本相似：甲醛仍居第一位，约 35%36%：其次为 MTBE， 约占 27%；再次为醋酸约占 7%9%。 目前从总体来讲，世界甲醇的供需基本平衡，但不同地区情况各异。根据目前现 状和今后的预测，加拿大、拉丁美州、东欧、中东、非洲、大洋洲这些国家和地区生 产的甲醇供大于求，是世界主要的出口国或地区；而美国、西欧、亚洲这些国家和地 区生产的甲醇供不应求，是主要进口国或地区。 （2）我国甲醇市场的供求现状。2005 年我国甲醇的产量为 535.64104t，净进 口为 136104t，表观消费 666.2 104t。近几年来我国甲醇装置开工率分别为29： 20002002 年开工率 55.2%56.6%，20032005 年开工率 55%75.8%。由于国内大 多数甲醇装置生产的甲醇无法与国外的甲醇产品相比，特别是与以天然气为原料、规 模大的甲醇装置生产的甲醇相竞争，因此，虽然国内甲醇的生产能力从表面上看已能 满足市场的需求，但因甲醇生产成本高等原因 ，我国甲醇依赖进口的局面还会持续相 当长的一段时间。下面是我国现有市场对甲醇的需求数据，2005 年约为 360104t。20062010 年年均增长率按 45%6%计算，2010 年的需求量约为 435104480104t。根据甲醇的供需情况，20012010 年间把一部分小甲醇装置被 淘汰，在这期间我国甲醇约为 30104150104t/a 的缺口。 榆林学院毕业论文 8 2 天然气发电技术现状及其发展 2.1世界天然气发电概况 全世界的用电需求和发电量持续增长，从 1990 年到 2003 年，发电量的年均增长 率为 2.63%。根据美国能源信息署的预测，世界电力需求将从 2001 年的 13290TWh 增加 到 2025 年的 23072TWh，年均增长率为 2.3%，其中发展中国家的年均增长率为 3.5%。 天然气发电从九十年代初至今迅速增加，1970 至 2001 年间，全世界天然气发电量的年 均增长率为 6.9%。天然气发电在总发电量中所占份额从 1973 年的 12.1%增加到了 2002 年的 19.1%。预计未来 20 年天然气发电将继续增加，美国能源信息署预测，2025 年世 界天然气发电量将比 2001 年增加一倍，发电用天然气的年均增长率为 3.3%（表 2.1） 。 国际能源署（IEA）预测世界天然气消费将从 2002 年的 2.6 万亿立方米增加到 2030 年 的 4.9 万亿立方米，发电用气在天然气消费增加量中占到 59%，发电用气的年均增长率 是 2.3%。 表表 2.12.1 世界发电能源预测（单位：世界发电能源预测（单位：101015 15Btu Btu） 年份20012010201520202025年均增长 率 （2001 2025，% ） 燃煤发电61.173.079.586.996.71.9 天然气发电29.637.744.954.165.23.3 核电26.229.831.431.830.40.6 燃油发电12.214.515.516.717.01.4 可再生能源发电31.538.642.545.949.41.9 总计160.5193.6213.9258.6258.62.0 在 2001 年世界主要国家的天然气市场中，美国电力生产总量 37195 亿 kWh，其中 天然气发电量为 6130 亿 kWh，占 16.5%；天然气总消费量为 6407.12 亿立方米，其中 发电用天然气占 23.23%。 电力工业是俄罗斯最大的天然气用户，其天然气消费量约占全国总消费量的 40%； 发电燃料结构中，天然气的比例占 60%以上。在其他天然气发电国家中，天然气发电量 占电力生产总量的比例差异相当大，这与其国内资源和能源政策有关。例如土库曼斯 坦、卡塔尔和马来西亚等国，天然气产量相当高，而煤炭和水力资源很少，天然气发 电占电力生产总量的 70%以上；阿根廷和荷兰等国，尽管天然气产量高，但国内还有其 他发电能源，天然气发电量的比例在 40%60%；天然气发电量为电力生产总量 20%40%的典型国家有英国、日本和意大利等；韩国和匈牙利等国上述比例为 10%20%。 随着世界天然气探明储量和开采量的增加、燃气轮机发电技术的进步以及减排二 天然气利用技术现状及其发展 9 氧化碳的要求，发电用天然气消费将持续增加。预计到 2015 年，世界发电装机容量将 从 1995 年 30.8 亿千瓦上升到 2015 年 54.56 亿千瓦，其中天然气发电将增加约 12.4 亿千瓦，达 18.08 亿千瓦，占新增发电能力的 50%，总发电能力将接近煤电水平(18.6 亿千瓦)。天然气发电正成为未来发电的首选燃料。 天然气发电迅速增加的主要原因是天然气探明储量的增加，燃气轮机技术的发展 和环境保护压力的增强等。上世纪九十年代以来世界范围的电力市场自由化改革为燃 气发电提供了发展的机会，较小规模的独立发电商进入市场，而燃气电厂以其投资小， 建设期短，效率高等特点成为独立发电商首选的电厂类型。 世界各国天然气工业、电力工业和天然气发电都处在变化之中，天然气需求迅速 增加，而且需求增加主要由天然气发电所驱动；需求的增加使得国际天然气市场成为 卖方市场，同时，受石油价格影响，天然气价格上涨，波动加剧，而电力市场化改革 使电力价格下降，电力价格波动加剧。所以，尽管普遍预测天然气发电将继续增加， 但是这一预测有着不确定性，其影响因素主要有：较高的天然气价格及其波动，与 其他发电能源尤其是煤炭的竞争；二氧化碳交易价格。2005 年 1 月欧盟排放贸易方 案开始生效，随之而来的是具体实施中的不确定性，如排放量的分配，二氧化碳交易 价格等；未来核电的地位；天然气依赖进口带来的风险等，这些因素使天然气发 电的投资风险加大。但是，受环保因素、资源因素、核电退役因素等多方面制约，很 多国家，尤其是欧洲发达国家，除了天然气发电以外没有更多可行的选择。从另一方 面来说，在市场化条件下，价格波动是必然的，价格涨跌服从长期供求关系，在天然 气资源量满足的情况下，价格上涨使供应增加，需求减少，需求转向替代能源如煤炭， 在市场机制作用下价格又会有所下降。价格的上涨和波动风险也可以通过金融手段来 规避。所以，对未来天然气发电的基本判断是，在发电能源结构中，天然气发电会继 续增加，但是增加的速度会减缓，投资者面临的风险较大。 2.2我国天然气发电现状 1978 年以来，我国发电能源以每年新增 1000 万千瓦装机容量的速度发展。1999 年底，全国装机容量近 3 亿千瓦，其中火力发电装机容量为 2.23 亿千瓦，水力发电装 机容量为 0.73 亿千瓦，核电装机容量为 0.021 亿千瓦。2000 年底达到 3.20 亿千瓦， 预计 2015 年达到 6.358 亿千瓦，2020 年达到 7.901 亿千瓦。 目前在我国电力结构中，火力发电占 75.6%，水力发电占 23.5%，核能发电占 0.9%，还有少量是利用风能、太阳能、地热能和海洋能等新能源及可再生能源发电。 而在天然气发电方面，天然气联合循环发电在中国的发展还处于发展阶段。在此以前， 天然气发电主要应用在紧靠天然气源头的地区以及依靠进口液化天然气 LNG 补充自身 能源匮乏的广东、福建地区，发电容量小，投资规模不大，而且也没有形成一定的商 业运做模式。直到 2002 年前后，随着国家西部大开发战略和西气东输工程的实施，天 然气发电被提上议事日程。根据国家计委的规划，西气东输 120 亿 m3中有 40%用于发 电。按照每 m3天然气发电 5kWh 计算，每年 48 亿 m3天然气的发电量达到 240 亿 榆林学院毕业论文 10 kWh。需要沿线配套大规模天然气发电厂以保证能消化掉西气东输的天然气。又由于 2003 年全国范围的电力短缺，以及天然气发电项目本身相对与传统火力发电的环保优 势和投资优势，天然气发电项目极受各地电力公司的欢迎。仅在 20022003 年立项建 设的天然气电站就达 29 家之多，他们基本上集中在西气东输管线路经的各地区，如上 海市、河南、浙江和江苏省等。这些天然气电站将消耗西气东输工程 4060%左右的天 然气量。此外还有部分天然气电站立项建设，以继续利用进口液化天然气，它们主要 分布在广东和福建省等地。这些利用天然气洁净能源发电的电站基本在 2005 年前后投 入并网发电。但是由于天然气发电在运营方式、投资规模、成本结构以及投资利润相 对于各个因素的敏感程度与传统的发电模式有很大差别，天然气发电的经济性特征也 差别很大。在天然气发电的市场需求风险、政策风险、环境风险也都显示出极大的独 特性。2000 年发电用天然气消费量约为 20 亿立方米，其他燃气轮机以轻油等为燃料且 主要用于调峰。从 2001 年到 2005 年期间计划建设新装机容量的 10%将是燃气发电，新 建能力高达 800 万千瓦。到 2010 年，全国新增燃气轮机装机容量 2700 万千瓦，发电 用天然气消费量将成倍增长。在 2002 年，天然气用于发电的比例为 14，仅占全国发 电量的 0.38，预计 2010 年为 4.8，2020 年 6.7，2030 年 7.3。相应地，天然 气发电量将从 2000 年的 28 亿千瓦时增至 2020 年的 2850 亿千瓦时，增幅超过 100 倍。 中国的能源结构调整、增加清洁能源比例的战略，以及关闭小型燃煤电厂的措施，将 会给天然气应用带来较大机遇。按十五规划，西气东输天然气的 60%、广东进口液化天 然气的 40%将用于天然气发电。 图 2.1 天然气电站装机容量预测16 天然气利用技术现状及其发展 11 图 2.2 天然气电站发电量16 中国天然气发展正处于初期阶段，天然气发电对大型管道天然气项目和 LNG 项目 有着重要的支撑作用。中国广东的 LNG 项目其发电用气量超过了 50%，福建则更高达 80%以上。但是，在中国目前能源价格状况下，燃气电厂的低投资成本和高效率的优势 并没有抵消煤炭对天然气的价格优势，联合循环燃气发电相对燃煤发电缺乏竞争力。 燃气电厂一方面要根据电力体制改革方案，参与电力市场竟价上网，另一方面又要按 国际惯例履行购气照付不议合同。这种局面使既位于天然气工业下游又位于电力行业 上游的燃气电厂面临两难的境地。 2.3发电技术概况 天然气发电的流程和使用的设备与燃煤电厂不同。燃煤电厂生产流程是： 锅炉蒸汽轮机发电机外输电煤炭水 图2.3 燃煤电厂发电流程图 天然气发电生产流程为： 燃气轮机发电机 组 发电 废热锅炉 蒸汽轮机发电机 组 天然气 软化水 图2.4 天然气发电流程图 天天然然气气储储气气罐罐 排放 化学废水 其它污水 处理系统 化学污水处理 燃燃气气预预处处理理 燃燃气气内内燃燃机机组组 10 KV 发发 电电 机机 和和 开开 关关 柜柜 集中供热站 出线 余余热热锅锅炉炉 板板式式热热交交换换机机 燃机水冷系统 蒸蒸汽汽轮轮机机发发电电机机组组 D DC CS S实实施施 全全厂厂监监控控 排烟循环冷却水系统 10KV/ 220KV 配配电电装装置置 天然气 补燃 榆林学院毕业论文 12 图2.5 天然气发电工艺流程图17 燃气轮机排气温度可高达430以上，通过废热锅炉产生的蒸汽既进一步用来发电， 也可用来供热，提高了热效率。世界上利用天然气发电普遍采用燃气蒸汽联合电厂 (CCGT)电厂的形式。天然气发电热效率较高， 燃煤电厂的热效率仅为35%38%，而燃 气蒸汽联合循环电厂的热效率则高达50%60%。现有火电厂可改用天然气做燃料。燃 煤电厂改造为燃气电厂，在环保、节省人力、运输及工业用水费用等方面均有显著效 益。 联合循环发电与常规燃煤循环发电相比，其主要优点有： 对环境污染极小。在各种型式的发电装置中，联合循环电厂的另一个主要优点 是它能适应