多联产系统能源梯级利用的机理.ppt

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 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 中国的污染形势 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 目的 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 美国 为了示范Vision21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 美国 CoalEnergyApplicationForGas Liquid Electricity 目的 减少CO2排放增强国际竞争力促进循环社会构建摆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 日本 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 其他国家 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 食品级CO2 蒸汽外供 甲醇 城市煤气 膨胀发电 N2 三液产品 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 煤部分气化的多联产系统 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 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 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 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 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 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 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 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 lifecycleanalysis 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 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 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ASiteSpecificTechno EconomicAnalysisfortheProductionofHydrogen ElectricPower andCarbonDioxidefromTexasLignit 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 TechnologicalEconomiEnvironmental 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