倪维斗院士-中国煤炭清洁高效利用之路

1、倪维斗 中国工程院院士清华大学热能工程系教授二一五年十一月中国西安提纲 Contents一、能源与环境形势严峻1.Severe Situation of Energy and Environment 二、煤炭清洁高效转化2.Clean and Efficient Transformation of Coal220102020203020402050010203040506070 煤 石油 天然气 核电 可再生能源亿tce2010202020302050一次能源消费总量(108 tce/a)32.54555652010 2050累计煤炭消费 1000*108 tceFrom 20102050 t

2、he cumulative amount consumption of coal more than 100 bt 一次能源消费预测 Forecast of consumption of primary energy in china=1.25=1.0=0.5Renewable energyNuclear powerNatural gasOilCoal要点：要点：Importance Point1.煤仍为主力能源Up to 2050 coal is still the dominant energy in china2.2013年我国人均能源消费量约为2.6 tce/a，远低于美、德、法、日等

3、国The consumption per capita by 2013 is 2.6 tce/a, much less USA, Germany, France, Japan3.预计2030年我国人均能源消费量4 tce/a（预计人口14亿）According to the prediction by year 2030,per capita consumption energy will be 4 tce/a数据来源：工程院 中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，20113中国CO2排放 CO2 Emission in ChinaCO2排放峰值出现时间203020352040峰值

4、（亿吨CO2/年）8090100在2030年后大幅度减排CO2主要还是靠煤的清洁低碳利用！Clean Coal Technology is doomed to be the most important solution for the reduction of CO2 emission in China after 20304数据来源：中国工程院 中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，201120102020203020402050020406080100120 煤 石油 天然气CO2排放/亿吨CoalOilNatural gasCO2 emission 0.1 B t应对全球气

5、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The time for mitigation emission of CO2 to meet the Climate Change requirement is quite short. We must enhance the implementation the measures of mitigationn2050年总目标（Target in 2050)：控制全球温升在23 内 ，全球CO2总排放需比1990年减少50%左右，只能排放104亿吨。If control the temperature raise

6、 within 23 by 2050， the world reduction of CO2 emission should be reduce to 50% of 1990,that is, only 10.4 gt could be emitted.n2014年中美气候变化联合声明: 美国，2025年实现在2005年基础上减排26%28%。中国，2030年碳排放达到峰值，非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。双方均计划继续努力并随时间而提高力度。According to the US-Sino Declaration in 2014,China must reach the CO2

7、 emission peak in 2030,and the percentage of renewable energy in total energy should reach 20%.nCO2减排是自己和国际上的需要，还是国际上对我国发展的制约？是否真心想减排？5不可改变的事实 Some Unchangeable Factsn煤现在是、将来仍是我国能源的主力。Coal is the dominant primary energy of China not only at present but also in future.66.6%50% The percentage from 67%

8、 down to 50% by 2030煤炭是中国最重要的能源，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49.8%上升到70%以上，绝对量的增加更大。The percentage of coal used for power generation should be raised from 50%(at present ) to more than 70%.n煤的直接燃烧已引起严重的环境污染。The environmental pollution caused by coal direct combustion are very severe.70%80

9、%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。More than 70% 80% of SO2 , NOX, Hg, particulate matter , etc.CO2, etc.n煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。When direct combustion of coal, It is difficult to solve the problem of significant reduction of CO2 emission.数据来源：中国能源统计年鉴，20136n煤炭占我国探明化石能源储量的94%，以煤为主的能源格局在相当长时间内难以改变，可持续发展的出路在于高效清洁利用（包

10、括CCUS）。 Because coal will be the dominant energy in china, the sustainable development of energy is the clean and efficient utilization of coal(including CCUS)n2013年我国煤炭消费37.5亿吨（包括进口2.9亿吨），其中用于发电（含热电联产）为18.3亿吨，仅占总消费量的49.8%。In 2013, coal consumption in china 3.75 bt,for power generation -1.83bt,only

11、49.8%of total.n2012年世界煤炭消费中用于发电的比例约为53.5%，更低于美国98%和德国89%的水平。It is too low, the world average coal consumption for power generation is 53.5%, USA98%, Germany89%. 数据来源：中国能源统计年鉴，20137不可改变的事实 Some Unchangeable Factsn电是最清洁、最高效，最便于配送和输运（网络化），最便于分布式应用，最易于和其他能源协同，最易于控制和高度智能化，最易于和信息技术高度融合（互联网能源）的二次能源。 Electr

12、icity is the secondary energy of Most clean and efficient, Most easy for distribution and transmission(to form network), Most easy for distributed utilization, Most easy to synergy with other kinds of energy, Most easy for control and to form intelligent grid, Most easy to combine with information t

13、echnology (energy network).n电在现今人类的衣食住行中起到越来越大的作用。Electricity is playing more and more important role in human life(heating with heat pump, electrical vehicles, high-speed train).8n至2014年底，全国发电装机容量13.6亿千瓦，人均1千瓦（2013年美国3.4千瓦），如将来做到人均2千瓦，约达27亿千瓦，电力发展空间很大。 At the time being, total installed capacity is

14、1360 GW, 1 kw/capita ( in US 3.4 kw/capita). China in future will be 2kw/capita,the installed capacity of electricity should be 2800GW,very significant room for further development of electricity.9党领导下的法制社会（中国特色社会主义）苏维埃政权电气化20世纪20年代列宁提出共产主义21世纪的中国电气化全面建成小康社会（中等发达国家）socialism with Chinese characteris

15、ticsSoviet systemelectrificationIn 20th of last centurycommunismPresent centuryTo complete a better-off society or Middle developed countryor realization of Chinese Dreamelectrification列宁Lenin煤炭清洁高效转化的途径Ways of Clean Coal Technologyn先进的燃煤发电技术先进的燃煤发电技术 Advanced coal-fired power generation technology进

16、一步提高能效，减少排放 more efficient and less emission例如：上海外高桥第三发电厂 e. g, Shanghai Ygaoqiao 3rd power plant.nIGCCn煤基多联产能源系统技术煤基多联产能源系统技术 Coal based Poly-generation Technology系统过程集成，物质和能量多维度梯级利用 Process Integration, Muti-dimentional Cascade Utilization of matter and energy甲醇电多联产系统 Methanol / Electricity Poly-g

17、eneration system10I. 上海外高桥第三发电厂的先进指标The advanced index of 3rd power plant of Ygaoqiaon原世界运行效率最高的丹麦Nordjylland电厂3号411MW两次再热、低温海水冷却机组，2009年供电煤耗（不含供热）286.08克/千瓦时（净效率42.93%），平均发电负荷率89%。折合75%负荷率下的供电煤耗288.48克/千瓦时。平均负荷率75%75%74%81%77%年平均运行供电煤耗 （含脱硫、脱硝）Annual net coal consumption (including desulfurization

18、and denitration全国发电平均煤耗 321gce/kWh National average net coal consumption is 321gce/kWh in 201311外三当前的实际运行性能Currant operating performance of Ygaoqiaon在全年平均负荷率为75-81%的条件下，其实际全年平均供电煤耗（包括脱硫和脱硝）276gce/kWh，折算到额定负荷下的供电煤耗为264gce/kWh Net coal consumption of 276gce/kWh at an average load rate of 7581%, amount

19、 to 264gce/kWh in nominal load.n全年平均实际供电效率（包括脱硫和脱硝）为44.5%，折算至额定负荷工况，则供电效率应为46.5%。Annual average power supply efficiency is 44.5%, amount to 46.5% in nominal load. n排放浓度emission粉尘排放dust：7.55mg/m3； 二氧化硫SO2：17.7mg/m3；氮氧化物NOx：15.19mg/m3n厂用电率（额定负荷）Auxiliary power ratio：2.0%已达到气体燃料的排放指标已达到气体燃料的排放指标Similar

20、 to the emission index of gas fuel12根本问题是根本问题是COCO2 2的捕捉与处理，这是外三模式所不能处理的问题的捕捉与处理，这是外三模式所不能处理的问题。The key point is CO2 capture and storage, the Ygaoqiao mode cant be solved.1350MW、二次再热、超超临界机组高低位分轴布置汽轮发电机组、二次再热、超超临界机组高低位分轴布置汽轮发电机组1350MW,double reheat,super-heat,parameter with two-shaft arrangement设计参数设

21、计参数：design parameters额定功率design output： 1350MW主蒸汽流量：3229T/h，最大3416T/h主蒸汽压力/一次/二次再热蒸汽压力： 30MPa/9.17MPa/2.25MPa主蒸汽温度/一次/二次再热蒸汽温度： 600/610/620冷却水温： 1913自主产权成果：高低位分轴布置的汽轮发电机组The new version of coal fired steam power plantn技术目标： Technical indexn在成熟的600oC参数下，目标为 Steam temperature keeps 600oC能耗能耗指标指标Energy

22、 consumption发电效率efficiency of generation 50.75%发电净效率（含脱硫、脱硝）net efficiency (includeing deSOX and deNOX)48.92%供电标准煤耗net coal consumption 251g/KWh环保环保指标指标emissionSO2排放浓度15mg/m3NOX排放浓度20mg/m3烟尘 (dust) 排放浓度5mg/m314自主产权成果：高低位分轴布置的汽轮发电机组The new version of coal fired steam power plant燃煤超超临界蒸汽电站不一定是煤高效利用的唯一

23、重点方向 The USC is not the only way for clean and efficient utilization of coaln欧盟AD700计划（37.5MPa/700/720，=5255%），此工作自1998年在欧盟国家已开展了10余年，至今未商业化。The AD 700 programe,already have lasted more than10 years, but still not commercialization.n使用大量昂贵的合金材料，其根本原因在于锅炉是外燃式，高温烟气要通过管壁来加热工质。我国28MPa、600超超临界参数锅炉所用的材料P9

24、1、P92主要靠进口，1000MW级机组锅炉成本约5亿，其中2.5亿用于进口材料。目前已运行的超超临界锅炉已发生过热器蒸汽侧管道较严重的腐蚀问题，其机理不明。Unidentified of large amount of expensive alloys for boiler and turbines.n若要进一步提高蒸汽温度（如720 或以上）和相应压力，在材料方面会有更高的要求，这种高级合金的每单位装机所用数量是相对比较大的，材料的价格是一大关键。Increasing the inlet temperature of steam, more and more higher requirem

25、ents of materials needed, it is key.15n煤直接燃烧，从烟气里收集CO2代价很大。High valve of energy and finance should be paid to capture the CO2 from exhaust gas of coal fired power plants烟气中CO2浓度低（浓度大约1314%，7080%都是氮气）、压力低、处理的烟气体积流量大，因而能耗大（分离和再生过程均是耗能的）。Because of low density of CO2 in exhaust gas (7080% is nitrogen),

26、low pressure.按目前的技术，CO2捕捉和埋存使整个燃煤发电效率降低11个百分点，投资将增加1倍。原来发电效率是45%，则加上CO2捕捉、埋存环节会降为34%。According to present technology CO2 capture will lower the efficiency of power generation about 11% points.随着环保要求越来越高，尾部烟气所需脱除的污染物标准越来越严，除SO2、NOX、Hg、PM2.5，进一步还有CO2（在直接燃烧条件下脱除要耗费较大能源和成本）With more and more stringent e

27、nvironmental requirement, the cost of emission reduction is increasing.n燃煤超超临界蒸汽发电从技术、经济（价格）、常规污染物的脱除、 CO2减排上都具有一定先天性的缺陷。So, the direct coal combustion has inherent drawback in reduction of conventional CO2 emission. 16燃煤超超临界蒸汽电站不一定是煤高效利用的唯一重点方向 The USC is not the only way for clean and efficient ut

28、ilization of coalII. IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）nIGCC系统的热效率为44% The thermal efficiency of IGCC is about 44%n华能公司在天津建成一套200MW的IGCC电站 Huanen Corp already constructed 200MW IGCC in Tianjin.nIGCC系统复杂，首套造价12000￥/kW，超临界约为￥4000/kW。Very complex system,the cost about 12000￥/kW(only ￥4000/kW

29、for super-critical steam power plant)来自空分来自空分设备设备,oxygen from ASU ,oxygen from ASU 合成气合成气syngassyngas CO+H2CO+H2燃气燃气14001400o oC C17stackstackgasifiergasifiergasgasheat recovery boilergas turbinesteam turbinedesulfuration sulphurashIGCC（Integrated Gasification Combined Cycle）n捕捉CO2较容易 easier for CO2

30、 capture 合成气压力高 high pressure of syngas ， 3 4MPaCO2浓度高 high density of CO2， 40%n由于单位装机投资较大，所以以气化为基础的IGCC只用于发电在经济上有较大问题，暂不适合推广。Because of the high capital investment,IGCC only for power generation at present is not suitable for large scale dissemination.18shift 合成气合成气syngas syngas CO+H2（从气化炉（从气化炉来来 f

31、romfrom gasifiergasifier）蒸汽蒸汽CO2H2燃烧室燃烧室steamCombustion chamberIII.多联产：资源多联产：资源/能源能源/环境一体化能源系统环境一体化能源系统Poly-generation: modern synergetic utilization of coal多联产产品：1、城市煤气 coal gas2、电力 power3、热/冷 heating /refrigerating4、液体燃料 liquid fuel5、化工产品 Chemical products6、氢气 Hydrogen7、纯CO2 pure CO219多联产：多维度梯级利用多

32、联产：多维度梯级利用Poly-generation: cascade utilization of energy a materialsn过程相互耦合，实现能量流、物质流、 流等总体优化 Coupling of all process,optimization of energy,materials and exergy flows氢碳比合理优化利用（若是一股脑烧掉太可惜） rational utilization of carbon hydrogen尽量减少“无谓”的化学放热过程（Shift）Minimize the chemical unnecessaries thermal proces

33、s热量的梯级利用（过程内部和燃气/蒸汽联合循环）Cascade utilization of heat (different steam and gas cycles) 压力潜力的充分利用（高压反应、各种膨胀）Fully use of pressure potential(different kinds of extenders)物质的充分利用（如CO2） Fully use of materials(CO2)n电力与化工在运行中可起相互调峰的作用 Power generation and Chemicals production can play the role of peak-valle

34、y compensation20多联产：能量与物质梯级利用多联产：能量与物质梯级利用Poly-generation: Cascade Utilization of Energy and Materialsn按化工生产与动力过程的耦合方式：According the Coupling mode of power generation and chemical production并联、串联 Parallel connection,series connection有无水煤气变换 with / without shift process有无反应气循环 with / without recircul

35、ation of reactive gases21气化炉gasifiergasifier合成气净化Gas cleaning甲醇合成燃气轮机gas turbine空分系统ASU甲醇精馏methanol reactor余热锅炉heat recovery boiler蒸汽轮机steam turbineshift煤coal空气air合成气syngas纯氧O2氮气N2甲醇methanol电力electricity反应气反应气循环循环recirculation水煤气变换水煤气变换并联并联Parallel connection串联串联series connection22n通过过程集成，联产系统可以在能量利

36、用上获得收益 Via integration of process , Poly-generation system is beneficial in energy and material use.n评价指标-节能率：联产系统原料消耗与单独系统原料消耗（产出相同）相比的下降率 Indexenergy conservation rate: the raw material consumption of poly-generation in comparison with that of standalone production.n与单产系统相比，并联系统中获得的节煤收益甚微；而串联系统的节煤

37、效果显著，特别是串联无变换系统，节煤率能够达到8%。 In comparison with standalone production, the poly-generation system in series with shift is the best, the energy conservation rate is up to 8%0%2%4%6%8%10%012345678节能率节能率产品甲醇产品甲醇/电力之比（能量电力之比（能量）Ratio of electricity and methanol并联系统串联无变换串联完全变换Energy conservation rateParall

38、el connectedseries connected without transformationseries connected with full transformation多联产：能量与物质梯级利用多联产：能量与物质梯级利用Poly-generation: Cascade Utilization of Energy and Materials23n从物质利用角度，最终转化为化学产品的元素定义为被有效利用。From point of view of material use, the element which is finally transformed to chemicalss

39、o called: efficient material use rate.n通过过程集成，串联系统的碳元素利用率和氢元素利用率均优于并联。n与串联完全变换系统相比，无变换系统的物质利用率较高，特别是氢元素利用率有明显地提高。Via integration, poly-generation in series has the better carbon and hydrogen element use.n综合考虑能量利用和物质转化水平因素，无变换、一次通过的串联系统性能最优 Conclusion: From energy and material use ,once through poly-

40、generation system in series is the best.0%5%10%15%20%25%30%35%012345678碳元素利用率碳元素利用率产品甲醇产品甲醇/电力之比（能量）电力之比（能量）并联系统串联无变换串联完全变换0%20%40%60%80%100%012345678氢元素利用率氢元素利用率产品甲醇产品甲醇/电力之比（能量）电力之比（能量）并联系统串联无变换串联完全变换Utilization rate of carbonUtilization rate of hydrogen多联产：能量与物质梯级利用多联产：能量与物质梯级利用Poly-generation: C

41、ascade Utilization of Energy and MaterialsRatio of electricity and methanolRatio of electricity and methanol24多联产：能效进一步提升多联产：能效进一步提升Poly-generation: further increase of efficiencyn伴随单元技术进步，多联产能效可以进一步地提升 Alongside with the technology advancement, the efficiency of poly-generation system could be furt

42、her increased.火用 效率 exergy efficiency串联无变换一次通过45.5%45.5%in series without shift once-through25nA：高温合成气净化技术（尽可能利用合成气的高温显热）New technology of high temperature syngas cleaning(more through utilization of sensible heat of syngas)串联无变换一次通过45.5%45.5%49.3%49.3%高温净化技术高温净化技术火用 效率 exergy efficiencyNew technolo

43、gy of high temperature syngas cleaning多联产：能效进一步提升多联产：能效进一步提升Poly-generation: further increase of efficiency26nB：离子膜分离制氧技术（降低制氧的能耗）Ion membrane separation for oxygen production (to reduce the energy consumption of oxygen production 串联无变换一次通过45.5%45.5%49.3%49.3%50.1%50.1%高温净化技术高温净化技术膜分离制氧技术膜分离制氧技术火用 效

44、率 exergy efficiencyoxygen production with membrane多联产：能效进一步提升多联产：能效进一步提升Poly-generation: further increase of efficiency27nC：1700oC燃气轮机技术（提高热功转换水平） High temperature gas turbine technology (increase the transformation efficiency of heat cycle)串联无变换一次通过45.5%45.5%53.0%53.0%49.3%49.3%50.1%50.1%高温净化技术高温净化

45、技术膜分离制氧技术膜分离制氧技术17001700o oC C燃机技术燃机技术火用 效率 exergy efficiency多联产：能效进一步提升多联产：能效进一步提升Poly-generation: further increase of efficiency28nD：水煤浆预热技术（减少煤浆中水的汽化潜热，降低氧耗）preheat technology coal-water slurry in gasifier(reduce the heat for evaporization of water in slurry in gasifier串联无变换一次通过45.5%45.5%53.0%53.

46、0%57.3%57.3%49.3%49.3%50.1%50.1%高温净化技术高温净化技术膜分离制氧技术膜分离制氧技术17001700o oC C燃机技术燃机技术水煤浆预热技术水煤浆预热技术多联产：能效进一步提升多联产：能效进一步提升Poly-generation: further increase of efficiency火用 效率 exergy efficiencyCoal slurrypreheat technology29多联产：综合解决我国能源问题的重要方案多联产：综合解决我国能源问题的重要方案Poly-generation: comprehensive solution of th

47、e energy problem in chinan有助于缓解能源总量要求 Beneficial for reduction of energy total amount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。 Poly-generation of different kinds of product ,higher efficiency, utilization of coal of high sulphur contentn有助于缓解液体燃料短缺 Mitigation of shortage of liquid fuel可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-

48、T合成油和氢等替代燃料，缓解石油进口压力。n彻底解决燃煤污染问题 To solve the emission problems thoroughly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。30n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：Solve the problems of energy supply in the light of rapid urbanization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重要解决方案 To supply the syngas for small t

49、owns and especially the highly urbane partsn满足未来减排CO2的需要 To satisfy the CO2 reduction with lower cost煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2n在煤的清洁高效利用方面电化共轨有很大潜力，是重要方向 Electricity /chemical common rail has large potential in clean and efficient coal utilization多联产：综合解决我国能源问题的重要方案多联产：综合解决我国能源问题的重要方案Poly-generation: compr

50、ehensive solution of the energy problem in china 理论上，理论上，CO2是一种潜在的能源。那么是否存在将是一种潜在的能源。那么是否存在将CO2转化利用同时输出能量的转化利用同时输出能量的CO2利用方法？利用方法？能量输出能量输出高附加值高附加值的产物的产物“燃烧燃烧”CO2的的反应装置反应装置？CO2减排问题：矿化发电减排问题：矿化发电发电发电数据来源：四川大学研究成果，2015 思路：将思路：将CO2矿化过程矿化过程的的化学能转化为电能化学能转化为电能，同时联产具，同时联产具有高附加值的有高附加值的化学产品化学产品。 CO2矿化过程是将矿化过程是将CO2转化为碳酸盐，在众多碳酸盐中，转化为碳酸盐，在众多碳酸盐中，碳酸氢钠（碳酸氢钠（NaHCO3）具有较高的工业及应用价值）具有较高的工业及应用价值。因此。因此，倾，倾向向于将于将CO2转化为碳酸氢钠。转化为碳酸氢钠。 设计设计了如下化学反应：了如下化学反应：CO2(g) + Ca(OH)2(s) + 2NaCl(s) 二氧化碳二氧化碳氢氧化钙氢氧化钙氯化钠氯化钠 2NaHCO3(s) + CaCl2(aq) + Electricity碳酸氢钠碳酸氢钠氯化钙氯化钙电电数据来源：四川大学研究成果，2015CO2减排问题：矿化发电减排问题：矿化发电 如图如