煤的清洁高效利用是我国低碳经济的关键

煤的清洁高效利用是中国低碳经济的关键

CleanandEfficientUtilizationofCoal

–KeytoChina’sLowCarbonEconomy倪维斗Prof.NiWeidou中国工程院院士清华大学教授AcademicianofChineseAcademyofEngineering清华-BP清洁能源研究与教育中心指导委员会主席PresidentofAdvisoryCommittee,Tsinghua-BPCleanEnergyCentre三月23中国可持续发展面临的五大能源挑战

FiveChallengesofChina’sEnergy能源需求总量巨大且快速增长，供应能力日趋紧张液体燃料短缺，高度依赖进口，能源安全堪忧常规环境污染严重农村和小城镇急需大量清洁、便利的能源服务温室气体排放量巨大而且迅速增加可再生能源的发展趋势——Ⅰ（常规方案）

DevelopmentTrendofRenewableEnergyⅠ

来源：中国工程院，2008中国石油需求预测——Ⅰ

PredictionofChina’sOilDemand国内外不同机构对中国石油需求预测2050年，我国石油进口5.6亿吨，占世界贸易总量32.5亿吨的17.23%。石油贸易量难以任由我们想要多少就有多少！我国原油产量天然气需求预测——Ⅰ

PredictionofChina’sNaturalGasDemand200520102020203020402050Primaryenergyconsumption(108tce/a)21.930.843.052.759.463.5Annualincrease(108tce/a)2010–2050Accumulatecoalconsumption:≈1110*108tce1.81.20.960.680.40一次能源消费预测——最可能发展情景

PredictionofPrimaryEnergyConsumption–PossibleScenarioPeaktime203020352040Peakvalue(108t/a)80901002050emissionvalue(108t/a)304050CO2排放——最可能发展情景

CO2Emissions–PossibleScenario应对全球气候变化，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若要将未来全球温升控制在2~3摄氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年减少50%左右，只能排放104亿吨(1990年208亿吨)，这也就是届时全球CO2排放的总空间。即使发达国家承诺减排其中80%，发展中国家整体上也需要比2005年减排36%。中国正处于CO2排放的上升期，面临国际上对我国CO2排放峰值出现时间和绝对值的要求（譬如2030年80亿吨，2035年90亿吨，2040年100亿吨等），在已经大力强化节能和发展核能和可再生能源的条件下，未来在碳减排上仍将处于被动状态。不可改变的事实

SomeUnchangeableFacts煤现在是、将来仍是我国能源的主力。70%50%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50%上升到70%以上，绝对量的增加更大。煤的直接燃烧已引起严重的环境污染。70%~80%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。煤炭现代化利用——多联产

ModernizedCoalUtilization–PolygenerationBasedonCoalGasification通过煤（或石油焦）气化和化工反应一次通过方式实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气等的联产。多联产是可持续发展的,技术上有良好继承性和可行性,有良好经济效益

和

环保性能，具有捕捉CO2的天性，是实现未来CO2捕捉和埋存的途径，它对于中国乃至世界都具有非常重要的战略意义。不需要特殊的技术突破,同现有技术是连贯一致的。富集的CO2容易捕捉和分离，易与天然气化工过程衔接,即多联产具有捕捉CO2的天性。这是中国CO2减排的战略方向。多联产：资源/能源/环境一体化能源系统

IntegratedResource-Energy-EnvironmentSystem多联产产品：1、城市煤气2、电力3、热/冷4、液体燃料5、化工产品6、氢气7、纯CO2多联产系统的特点

CharacteristicsofPolygenerationPolygenerationisthe

strategicdirectionforIGCC

(IntegrationGasificationCombinedCycle)developmentpromotion.Multiresources:coal,NG,biomass,wasteresidues,pecoke;Multiproducts:heat,power,liquidfuels,otherchemicals;Minimizationofpollution:SO2,NOx,PM2.5-10,Hg;Flexibilityofoff-designoperationItisimportantforelectricalgenerationHigherenergyconversionefficiencyandeconomicbenefitThecapitalinvestmentofIGCCisabouttwiceoftheconventionalpowerplant,andpolygenerationwillreducetheinvestmentby20%incomparisonwiththestand-aloneplant.Theefficiencywillbe10~15%higher.13多联产：多维度梯级利用

PolygenerationSystem:toRealizeMulti-dimensionalCascadeUtilization过程相互耦合，实现能量流、物质流、流(Exergy)等的总体优化氢碳比合理优化利用（若是一股脑烧掉太可惜）尽量减少“无谓”的化学放热过程（Shift）热量的梯级利用（过程内部和燃气/蒸汽联合循环）压力潜力的充分利用（高压反应、各种膨胀……）物质的充分利用（如CO2）14随着越来越严格的环保规定,煤气化多联产在经济上的优势将会越来越显著。15多联产：综合解决我国能源问题的重要方案

ImportantStrategytoSolvetheProblemsofChina’sEnergy有助于缓解能源总量要求联合生产多种产品，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。有助于缓解液体燃料短缺可以大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料，缓解石油进口压力。彻底解决燃煤污染问题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。16多联产：综合解决我国能源问题的重要方案（续）

ImportantStrategytoSolvetheProblemsofChina’sEnergy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：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最终能源解决方案满足未来减排CO2的需要煤气化系统可以以较小的成本捕捉CO2IGCC系统中可以进一步提高效率、降低成本的新的技术发展采用多个（6~36个）快速混合式气固两相流的燃料喷嘴采用干法供煤挤压泵和超浓相气固两相流均匀分配器优点与常规气化炉相比尺寸小，气化炉价格可以下降50%，使IGCC比投资费用可下降10~25%气化逗留时间短，升温十分迅速，并高度均匀气化效率高，使IGCC净效率提高3个百分点可用率有大幅度提高的潜力PWR（PrattWhitneyRockdyne）高温紧凑式气化炉的开发A.B.采用更先进的燃气轮机技术参数燃气轮机型号GE9FAKWUKWUMW701G1MW701G2GE9HV94·3AV94·3A改型IGCC净功率/MW404384420470525555IGCC净效率/%47.248.548.449.148.951.0燃气透平初温(TRIT)/℃128813101310142714271427厂用电耗率/%12.939.6513.212.6412.0612.1821世纪中期时IGCC电站的性能期望值B.采用更先进的燃气轮机技术用更大的功率、更高温燃气前温（目前是1427℃，正在研发的是1700℃），可以进一步提高IGCC的热效率。按GE9H的燃气轮机所达到的热效率是51%，相当于欧洲AD700（目前尚未工业应用）高超临界蒸汽电站。从某种意义上说，燃气轮机是最能够承受高温的动力机械（是内燃，可以采用强化冷却技术和隔热涂层技术）。GE9HGE9H离子转移膜（ITM，IonTransportMembrane）制氧设备与系统目前使用的ASU投资(约占IGCC电站的15%)与耗功(占全功率的12~13%)都很大，若采用上述新系统可以：制氧费用降低1/3，比投资下降7~9%使IGCC净效率提高1个百分点D.中温干法脱硫工艺的试验成功目前普遍使用低温脱硫，合成气经过水激冷以后，温度下降到39℃左右才进行后续的有关工艺，从而损失不少能量。在中温干法脱硫工艺中，脱硫过程在480~538℃温度下进行，从而可以回收更多的合成气中的热量。若将中间脱硫和后续的工艺整合起来（如CO2与H2）的分离，能量利用的效益会更高。C.IGCC系统中可以进一步提高效率、降低成本的新的技术发展PWR高温紧凑式气化炉的开发采用更先进的燃气轮机技术离子转移膜制氧设备与系统中温干法脱硫工艺的试验成功把上述这些新技术应用于IGCC，可以使IGCC的热效率，单位kW投资有相当幅度的降低，在一定程度上，即使不考虑IGCC有脱碳（CarbonCapture）的先天性优势，它的指标也可超过超超临界蒸汽发电。考虑到IGCC加上CO2捕集进一步优势指标发电方式比投资费用发电成本（$/kW）（$/kW）PC-sub（亚临界）不捕集CO21735100%6.8100%捕集CO290%3240186.7%12.7186.8%PC-super（超临界）不捕集CO21765101.7%6.798.5%捕集CO290%3215185.3%12.3183.5%IGCC不捕集CO22060118.7%8.3122%捕集CO290%2800161.4%11.4167.6%DOE/NETL于2009年发表的修正数据考虑到IGCC加上CO2捕集进一步优势几个显著特点IGCC的比投资和PC差的不是太远IGCC加上CO2捕集所增加的比投资要比PC小得多研究单位\发电成本不捕集CO2时的发电成本捕集CO2时的发电成本PC电站IGCC电站PC电站IGCC电站MIT(2007)11.051.601.35GEEnergy(2007)11.061.581.33AEP(AmericanElectricPower)(2007)11.081.841.52DOE/NETL(2009)11.221.8681.676美国若干个单位提供的研究结果IGCC电站与超临界煤粉蒸汽电站（燃用Pittsburgh8#煤）污染排放的对比关系年排放量615MW超临界煤粉蒸汽电站600MW超临界煤粉蒸汽电站的折算值600MW的IGCC电站IGCC电站排放污染物的比例SO2，t/a4060396111170.28Hg，t/a0.030.030.010.33硫酸雾，t/a271264260.1PM10，t/a4874751990.42几个典型的IGCC和多联产电站

在役商业运行总发电功率：4050MW纯发电类型的IGCC美国的WabashRiverIGCC电站美国的TampaIGCC电站荷兰的BuggenumIGCC电站西班牙的PeuertollanoIGCC电站日本Nakoso空气气化试验电站多联产型的IGCC意大利ISABEnergy—1999投入意大利Sarlux/Enron-Sardinia—2000年投入意大利APIEnergia—2001意大利ENI-Sannazzaro—2006日本NipponPetrolleum(NPRC)—2004计划中准备建造的IGCC和多联产美国53套（含现代煤化工）特点：功率比较大630MW（F级以上），有一半是多联产美国以外26套德国、中国、英国，其中中国占7套（神华有4套）由于碳税的不确定因素，加上基建成本的不断上升，有一些计划被取消，在文献上报到比较多、正在准备建造的IGCC和IGCC多联产有17套，相当大的驱动力似乎是IGCC在捕集CO2方面的优势。其中：AmericanElectricPower,MeigsCounty,Ohio–2012630MWBP/EdisonMissionEnergy,California–2012500MW(多联产)DubaiWaterandPowerAuthority–2000MW(电，海水淡化)NuonMagnum,Netherland–20111200MWRWE,Germany–2014450MW(多联产)Tenaska/MDLIllinois–2012630MW(多联产)实施煤炭现代化战略刻不容缓

CoalModernizationStrategy:UrgentActionsshouldbeTaken

目前正值新一轮电力建设高潮；现在兴建的电厂将决定2020年及以后的煤炭利用模式；错过这一时期，今后实施煤炭现代化战略将更为困难；继续按传统技术模式发展，将导致环境、能源安全、温室气体排放等一系列困难。如果延误过渡到以煤气化为核心的多联产技术的时机，将会：显著增加将来中国治理空气污染的成本；难以控制未来石油进口；大大增加减排温室气体的成本。

实施煤炭现代化战略刻不容缓（续）

CoalModernizationStrategy:UrgentActionsshouldbeTaken

29实施CCUS战略——CCUS三阶段

ThreeStagesofCCUSCCUS:CarbonCapture,UtilizationandStorage中国CCUS目前已有很大的潜力，关键在于国家重视，全面安排。按照我国国情走自己的路，不要老受国外的影响。我国现代化的能源发展战略必须从现在开始考虑将来中国分阶段减排CO2的问题。中国的CCUS战略可按三个阶段考虑，从易到难，积累经验，逐步推进。30实施CCUS战略——CCUS三阶段（续）

ThreeStagesofCCUSCCUS应当尽快启动，三个阶段:第一阶段：利用从天然气中分离出来的CO2强化石油开采（EOR）及回收煤层气（ECBM）第二阶段：煤化工中的CCUS正在排空的至少有几千万吨CO2，这部分CO2的捕捉要比直接燃煤电厂容易得多。2tCO2/t

MeOH、4t

CO2/tDME，生产过程中CO2的浓度和压力较高，捕集成本较低。将技术产业链从燃料制作扩展到CO2捕集、到EOR及ECBM的运输。第三阶段：直接燃煤电厂中的CCUS这是个耗能工程，比煤化工中的CCUS困难的多，对于燃煤电厂，因捕集减少11个百分点31实施CCUS战略——CCUS三阶段（续）

ThreeStagesofCCUS我国每年25亿-30亿tce怎么用，要有一个全面细致的规划，多少是直接燃烧，多少是气化，多少是多联产？这些宏观调控都是政府的责任。要在2030年达到顶点（80亿），困难是极大的，若现在不采取断然的行动，将来困难更大。有些“极端”措施都要考虑，如厉行节约，改变生活方式，总量控制，大力发展核能，大力发展可再生能源，煤炭的清洁利用，大小水电一起