多联产发电技术

目录TOC\o"1-3"\u多联产技术 1第一章多联产技术概述 3一、基本概念 3（一）多联产技术的定义 3（二）多联产技术的内涵 3二、多联产技术发展现状分析 6（一）我国多联产技术现状 6（二）国际多联产技术现状 8（三）多联产更适合中国国情 10（三）多联产技术发展趋势 10第二章多联产的种类及方式 11一、煤的多联产 11二、煤分级运用多联产技术 12三、IGCC多联产 14四、电-甲醇多联产 16五、冷热电三联产 17第三章多联产技术的发展方向 18

第一章多联产技术概述一、基本概念（一）多联产技术的定义多联产技术是运用物理化学方法达成煤的高效、洁净运用的途径。它以煤炭气化为中心，可以将95％以上的煤转换成一种称之为合成气的可燃气体。将合成气用于联合循环发电，可以获得比常规燃煤发电高的能源运用效率。多联产、洁净化技术是实现煤基洁净能源的有竞争力的途径。多联产的原理，是将煤气化后先通过一个反映器做化工产品，剩下尾气再去燃烧发电。多联产相称于把化工和发电两个过程耦合起来，能量运用效率可以提高10%~15%，同时，化工产品增值量比较大，并且可以实现调峰。煤的气化系统很贵，假如能实现化工和发电互相调整，气化系统就能始终稳定运营，减少发电成本。（二）多联产技术的内涵多联产的实质是实现煤炭资源价值梯级运用煤炭作为大自然赋予人类的化石能源，不仅是非常重要的固体燃料，并且更是十分宝贵的化工原料。多联产的思绪是通过以煤气化技术为“龙头”的多种煤质转化技术的优化集成，先从煤炭生产多种高附加值的化工产品和洁净的气体与液体燃料，然后再运用前面各生产环节产生的残渣、尾气以及余热等低品位的能源发电。因此，从资源合理与有效运用的角度来看，多联产的实质是实现煤炭资源价值从高到低的逐次梯级运用。多联产追求煤炭资源运用效率的最大化。一种煤炭转化技术都会注重从原料到产品的过程运用效率的最大化。而多联产煤炭转化系统中要包含多个煤炭转化子系统。显然，每个子系统过程运用效率的最优并不一定能使总系统的效率达成最优。同时，对于不同的煤炭转化技术而言，一种技术的产品也有也许是另一种技术的原料。因此，多联产通过对多种煤炭转化技术的优化集成，可以实现从煤炭到各种产品的煤炭资源运用过程效率的尽也许最大化。初步估算表白，热、电、甲醇、合成气四联供系统与分供情况相比，煤炭消耗量有也许减少22.6％。多联产追求煤炭运用经济效益的最大化。虽然任何一种煤炭转化技术都会注重过程经济效益的最大化，但每个子系统经济效益的最优也并不一定能使由多个子系统组成的多联产总系统的经济效益达成最优。而多联产将多种煤炭转化技术优化集成以后，不仅可以通过多项技术组合来实现系统的规模经济效益，并且可以通过各种工艺流程、重要设备、附属设施以及公用工程的合并来减少工程建设的比投资，从而实现从煤炭到各种产品的煤炭资源运用过程经济效益的尽也许最大化。初步估算表明，IGCC热、电、甲醇三联供与IGCC热、电、甲醇分供的情况相比，产品的综合价格有也许减少4o％；而热、电、甲醇、合成气四联供与热、电、甲醇、合成气分供的情况相比，工程投资有也许减少38％，产品的综合价格有也许减少31％。多联产追求煤炭资源运用的环境最和谐。每一种煤炭转化技术都会有“三废”等污染物排放。为了满足日益严格的环保规定，必须采用适当的环保措施，对产生的污染物进行适当转化、回收运用或安全处置等减量化、资源化、无害化解决，最终做到近零排放或达标排放。多联产将多种煤炭转化技术优化集成在一起，不仅有助于实现污染物的集中、综合治理，大大减少环保费用；并且容易做到以废治废，实现废物运用，变废为宝。多联产是一个非常复杂的系统工程。多联产绝不是多种煤炭转化技术的任意简朴叠加，而是以煤炭资源价值的合理运用为前提、以满足国民经济可连续发展为目的、建立在相关技术发展水平基础之上、以价值提高、过程效率、经济效益以及环保特性为综合目的函数的多个子系统的优化集成。这其中包含如下几层含义：(1)多联产的前提是实现煤炭资源宝贵价值的合理运用，具体方式是多种煤炭转化技术的优化集成，深刻内涵是煤炭资源价值的梯级运用；(2)多联产的各种目的产品的设立应以满足国民经济的高速、健康发展为目的，并且也只有这样，才干实现产品适销对路，从而体现出经济效益的最大化；(3)多联产的发展要受到相关技术发展水平的限制，也就是说，被优化集成到多联产系统中的各单项煤炭转化技术必须成熟、可靠；(4)多联产煤炭转化系统集成优化的目的函数并非是单个的，而是多个目的函数的综合平衡。显然，多个目的函数综合平衡的结果也应当随着社会、经济、技术等因素的发展变化而不断向更深的层次和更高的境界发展。二、多联产技术发展现状分析整体煤气化联合循环(IGCC)加上多联产，被认为是目前最具发展前景的清洁煤技术，它在燃烧前先去除烟气中的污染物，常规污染少，效率高，有助于综合运用煤炭资源，能同时生产甲醇、尿素等化工产品。我国多联产技术现状中国是煤炭大国——75%的发电装机是来自火力发电，80%的电量来自火电，80%以上的二氧化碳排放来自煤炭燃烧；作为一种高碳能源，煤的含碳量达成80%以上；自21世纪起相称长的时期内，中国对煤的依赖度很难降到50%以下。因此，必须提高燃煤的效率，发展煤的洁净化技术，加强超临界发电技术，控制污染物的排放。目前，多联产煤炭转化系统在中国的发展可以说是仅仅处在起步阶段。重要是以煤气化为龙头，煤气用于制氢、氢用于高温燃料电池发电、电池余热供热、CO2或其它污染物在原料（燃料）制备阶段得到分离和治理，或者是以煤气化为核心，将生产化学品与联合循环发电相结合，同时还生产民用煤气和供热。更广义的多联产概念还将煤化工、合成工艺、冶金还原冶炼等组合成整体，或在煤矿区将能源转化成化工产品的生产，并使电力或热力输送形成一个综合整体。在多联产系统中，本来单独生产的系统在重新组合中也许被简化，对原料的规定减少，通过不同工艺的互补而提高总体效率，最终使产品成本减少。我国国内科技界、产业界关注多联产技术的发展，并进行了系统研究和相关单项技术的研究开发。而煤作为一种多元素的能源，很多专家都认为将其一股脑烧掉相称可惜。许多业内人士就提出把发电和化工结合起来，发展以气化为基础的IGCC多联产，对煤加以综合运用。多联产的原理很简朴，将煤气化后先通过一个反映器做化工产品，剩下尾气再去燃烧发电。多联产相称于把化工和发电两个过程耦合起来，能量运用效率可以提高10%~15%，同时，化工产品增值量比较大，并且可以实现调峰。据悉，煤的气化系统很贵，假如能实现化工和发电互相调整，气化系统就能始终稳定运营，减少发电成本。多联产的概念被很多国内外专家所认可。而对于中国这样的煤炭大国，其意义尤为特殊。最近几年，倪维斗一直在四处呼吁发展IGCC多联产。但多联产的基础——IGCC电厂却始终没有大规模地发展起来。据记者了解，我国在上世纪70年代末和90年代末曾拟定过两个IGCC示范项目，但最终都无疾而终。国际上，美国还只有IGCC和制氢的联产，真正用煤制化工产品，并且实现IGCC发电的，山东兖矿集团算全球第一个。据悉，该装置是一台小规模的多联产示范装置，以甲醇为主发电为辅——20万吨甲醇辅以8万千瓦的发电，已经稳定运营了3年，经济性和二氧化碳减排效果都很好，目前正在准备发展第二代装置，进一步提高效率。倪维斗指出，目前发展IGCC多联产的阻力重要来自两个方面，一是发电和化工行业结合思想阻力较大。他表达，事实上中国五大电力公司现在也在做化工产品，只但是是分开做，资源匹配限度低。此外，国家能源局对IGCC持过度谨慎态度，目前为止只批了一个示范电厂。2023年7月，我国首座自主设计、制造并建设的IGCC电站——华能天津IGCC电站示范工程在天津开工，计划建设1台25万千瓦级发电机组。倪维斗表达，单纯用于发电的IGCC电厂的重要问题是基础投资较贵，是一般的超临界电厂的1.5倍以上，也许要达成每千瓦上万元人民币。然而，虽然投资比较高，但是很多电力公司都有积极性，并且多联产是减少IGCC成本的方式之一。在技术层面，大部分技术都能实现自主化。“燃气轮机的核心技术我们正在攻关，总归是要国产化的。IGCC和多联产为什么不开展示范呢？”倪维斗不解。2023年10月由山西潞安集团、中科院山西煤化所、中科合成油有限公司合作完毕的煤基合成油多联产低碳化技术开发与应用项目30日通过国家科技成果鉴定。由13名院士、专家组成的鉴定委员会通过鉴定，认为此项目成果形成煤基合成油多联产技术，探索减少二氧化碳排放的途径，具有自主知识产权，对实现循环经济和资源综合运用品有示范作用，在煤基合成油多联产的关键技术方面达成国际领先水平。据了解，山西潞安集团煤基合成油多联产低碳化技术的开发与应用项目，是国家“863”高新技术项目、中国科学院知识创新工程重大项目的延续项目，也是山西省与中科院的省院合作项目。截至目前，此项目实现长周期稳定运营，高品质柴油、石脑油、石蜡、硫磺等产品销往河南、山东、上海、广东、香港等地，并进入了上海世博会。有关人士称，此项目通过国家科技鉴定，标志着潞安集团在发展煤基合成油多联产、实现深度转型方面取得重大成果，为下一步清洁运用弃采的高硫高灰劣质煤资源建设540万吨/年煤基合成油品及化学品多联产产业化示范项目奠定基础。（二）国际多联产技术现状国外已经出台或正在酝酿的气化联产技术系统多种多样,如美国能源部(DOE)提出的Vision2能源系统;Shell公司提出的合成气园(SyngaPark)概念;美国一些大学正在进行理论与实践研究的生态工业园系统;欧洲!拉美等国家的/绿色化学与技术科研计划;意大利ISAB公司用于石化公司的IGCC动力站等"上述系统的出发点均寄希望在本行业内寻求局部最优解,最有代表性的当数SyngasPark。美国21世纪展望计划（Vision21）制定了21世纪美国能源工业的发展规划，其总目的是在2023年，建成超清洁的能源转化系统，转化效率大幅度提高，污染物接近零排放。通过进一步研究现有技术，开发新型关键和支撑技术，虚拟工厂耦合，在近期内实现煤气化、燃气轮机发电、车用液体燃料和化工产品合成的多联产系统，在未来实行煤气化制氢、燃料电池发电、液体燃料和化工产品合成为主的多联产系统。整个系统的构成在某一具体的能源工厂的设计上并不存在一个固定的模式，而是根据本地产品需求不同选择不同的技术模块（或称为18“能源岛”）进行优化整合，以实现能源梯级运用、环境污染最小化甚至为零、成本最低而效率最大化。针对煤炭运用过程中CO2排放量大的问题，还提出了固定解决CO2实现污染物近零排放规定。为了实现Vision21的规划目的，美国2023年实行了洁净煤发电计划（CleanCoalPowerInitiative），近期目的是开发和应用技术经济可行的环境控制技术，解决现存能源系统的环境污染问题，长远目的是开发具有CO2捕集功能的发电和清洁燃料零排放的能源系统。CCPI将历时10年安排四轮项目，总投资20亿美元。2023年初，美国政府宣布开始执行未来发电（FutureGen）项目，计划投资十亿美元（其中DOE承担80%，其余20%由约十个公司组成联盟来共同承担），十年内建设一座以煤气化为基础，联产275MW电、氢气、及液体燃料的新一代清洁能源示范厂，并与收集埋存CO2相结合，实现CO2近零排放。FutureGen项目将为美国在“后石油”时代，继续依靠煤炭作为重要能源，并向氢能经济过渡，为解决CO2排放问题和可连续发展奠定基础。与此相应，壳牌（Shell）公司提出合成气园（SyngasPark)的概念，它亦以煤的气化或渣油气化为核心，所得的合成气用于IGCC发电、用一步法生产甲醇和化肥，并作为城市煤气供应用户。近期美国PEFI公司（PowerEnergyFuel,INC）提出了通过石油焦气化联产低碳醇与发电的多联产系统。其中，甲醇用于调峰，乙醇用于调和汽油，丙醇等作为化工运用，经济技术评价表白该联产过程的税后投资收益率在15.2%-15.8%之间。总之，国外学术界、产业界和政府已对煤炭多联产的概念及其对21世纪能源运用的战略意义取得共识，正在大力推动其研究、发展和示范。一些国际上著名公司，如英国BP公司、美国德士古公司、GE公司、美国空气产品公司等都在进行煤炭联产集成系统的优化发展和适宜联产系统的关键技术突破。（三）多联产更适合中国国情碳捕集与封存(CCS)中二氧化碳的捕获是最昂贵的环节。但在我国，煤化工中已经存在大量容易收集的纯二氧化碳，如我国目前甲醇用量1200万吨，年排放二氧化碳3000万吨。甲醇是一种重要的化工中间体，将来可以用作燃料，需求量很大，所排放的二氧化碳还将增长。“这些二氧化碳是最容易收集的，基本上已经捕获，但现在都没有运用起来而放空了。”倪维斗说。倪维斗表达，虽然二氧化碳排放总量是几十亿吨的数量级，但在未来，假如加强二氧化碳运用系统的科研工作，发明新型的二氧化碳化工运用体系和高附加值的产品，将会增长二氧化碳减排量。例如，我国现在的化肥系统40年如一日没有变化，重要就是尿素加合成氨，导致田间的过度施肥成为我国一大污染源，同时花费了大量能源。倪维斗指出，假如发展新的肥料体系，如草酸铵等都含大量的二氧化碳，可以更多地运用二氧化碳。这样上游发电和化工结合，下游用高附加值的产品运用二氧化碳，便能提高系统的能源运用率和减排二氧化碳。有人认为，到2023年，中国的工业化过程将会结束。届时，通过经济结构的调整就能自然地减少二氧化碳排放量。对此，倪维斗认为，不管工业化进程何时结束，人均用能量总有一个定值。他指出，目前我国人均用能为2吨多标煤/年，美国为11吨标煤/年，英法德是6吨标煤/年。到2023年，我国的居民生活水平还将大大提高，人均用能量至少会达成3吨标煤/年，按照15亿人口计算全国用能量就将达成45亿吨标煤。保守估计2050年至少也要60亿吨标煤的能量，比现在翻一番，其中煤至少占40%~50%。“这么大量的煤必须考虑如何低碳。”倪维斗说，“我们每块煤都必须在二氧化碳减排上精打细算。”（三）多联产技术发展趋势以煤气化为基础、以电力生产为核心，联产液体燃料及化学品的多联产系统将是我国以煤为基础的新型能源转化系统技术的重点发展方向。在技术研发方面，对适合多联产系统的关键单元技术进行重点突破，形成具有自主知识产权的关键技术和技术群。在技术示范方面，以相关工程为依托，以公司为主体，进行若干个不同类型多联产的示范，为产业化应用奠定基础。实行多联产示范工程，形成具有自主知识产权和核心竞争力的技术产业群，带动我国洁净煤关键技术和装备的发展，为实现煤炭洁净、高效运用升级提供技术支撑，形成可连续发展的新型能源转化技术系统。第二章多联产的种类及方式一、煤的多联产基于煤气化的多联产系统是将IGCC和煤化工技术耦合的能源系统，具有涉及电力和化工产品（可作为液体燃料的甲醇或二甲醚等）的多种产品输出。图下是电力、甲醇联产的多联产系统的结构示意图。先进的煤气化技术已经把煤转化的效率提高到远远高于传统的煤燃烧的转化效率，可以保证煤在石化工业和燃料工业中的应用在经济和环保方面都具有可行性。更令人兴奋的进展之一是一种一体化方案——煤的多联产，即把煤同时转化成电力和合成气，而合成气可转化成化工和液体燃料。一体化方案提供了一种可以的确低把煤的价值最大化的策略。在煤的多联产中，煤的气化生成气体，部分的合成气用于在传统的整体燃气/蒸汽汽轮机联合循环（IGCC）系统中进行发电，部分的合成气用于通用化工产品（甲醇、氨及其衍生物例如）或液体燃料（甲醛、才有、二甲醚和汽油）的联合生产。煤的多联产相对于传统的煤燃烧，具有显著的优势；对于依靠煤燃烧进行发电的国家和地区，现在可以预测这是一种可行的、实用的替代方案。由于具体一些基本特性，没得多联产使这些地方和其他地区受益。二、煤分级运用多联产技术煤是一种复杂的混合物，作为单一用途来运用往往会导致很大浪费，如燃烧发电是把煤所含各有用成分都作为燃料来运用，没能充足运用其中有更高价值的组分，如挥发分等。而对于煤化工系统，由于其反映条件限制，往往只能运用煤中较容易运用部分，其余作为残渣解决，浪费资源，污染环境所以，假如能把以煤作为资源的多个生产工艺作为一个整体考虑，从整体运用的角度，分级转化，分级运用，实现煤炭高效低污染运用，可以更好地解决人们所面临的资源与环境问题。煤多联产系统正是从整体最优角度、跨越行业界线，所提出的一种高度灵活的资源、能源、环境一体化系统煤的多联产技术是一个非常复杂的系统工程。它不是多种煤炭转化技术的任意简朴叠加，而是以煤炭资源合理运用为前提，建立在相关技术发展水平的基础之上，以煤炭资源运用价值、运用过程效率、经济效益的提高及减少环境污染的最大化为综合目的函数，优化耦合多个煤炭转化子系统，优化耦合之后的产品生产流程比各自单独的生产流程简朴。同时，调节系统多个产品（其是发电）之间的“峰谷”差，使得各流程优化运营。通过对合成气的集中净化，SOx、NOx、粉尘等传统污染物接近零排放，温室气体CO2的排放也因效率的提高而减少基于煤气化技术的不同，目前多联产系统的重要技术方向可以分为以下3类以煤热解燃烧为核心的多联产系统；以煤部分气化为核心的多联产系统；③以煤完全气化为核心的多联产系统。图为该多联产技术的基本工艺流程图，基本工艺为：循环流化床锅炉运营温度在850～900℃，大量的高温循环灰被携带出炉膛，经分离机构分离后部分作为热载体进入以再循环煤气为流化介质的流化床气化炉。燃料（煤）经给料机进入气化炉和作为固体热载体的高温循环灰混合受热。煤受热裂解，析出高热值挥发分。煤在气化炉中经热解所产生的粗煤气、焦油和细灰颗粒进入气化炉分离机构，经分离后的粗煤气进入煤气净化系统，经洗涤塔、电捕焦油器后，部分粗净化后的煤气通过煤气再循环风机加压后送回气化炉底部，作为气化炉的流化介质，其余煤气则进入脱硫等设备继续净化变成净煤气供民用或经变换、合成反映变成甲醇等液体燃料。电捕焦油器收集下来的焦油提取高附加值产品或改性成高品位合成油。煤在气化炉热解气化后的半焦和循环物料以及煤气分离器所分离下的细灰及半焦一起通过返料机构进入循环流化床锅炉燃烧，把从气化炉来的低温循环物料加热后再送至气化炉以提供气化所需热量，同时所生产的水蒸气用于发电、供热及制冷等。三、IGCC多联产基于煤气化的合成液体燃料（如甲醇、DME）被认为是替代石油燃料的重要物质。目前，众多公司（重要是煤炭公司）纷纷上马煤化工项目，生产合成油。IGCC同这些化工合成都是基于煤气化的，它们可以很好地耦合，形成电化多联产系统，减少生产成本，同时保证我国能源、电力的安全供应。从这一角度来讲，IGCC符合国家安全的需要，必然引起重视。四、电-甲醇多联产结果表白，在串联运营中有一个最佳循环比，使系统热效率达成最大。这是由于，随着循环比的增大，甲醇热值增长，由于甲醇生产的热效率高于电力生产的热效率，故当供应系统的能量一定是，转换成甲醇的比例越大，系统的能量运用率越高，热效率越高。五、冷热电三联产从科技技术角度出发，冷热电联产(CCHP)是一种建立在能的梯级运用概念基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程-体化的多联产总能系统，目的在于提高能源运用效率，减少碳化物及有害气体的排放。与集中式发电-远程送电比较，CCHP可以大大提高能源运用效率：大型发电厂的发电效率-般为35%-55％，扣除厂用电和线损率，终端的运用效率只能达成30-47%。而CCHP的能源运用率可达成90%，没有输电损耗；此外，CCHP在减少碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力：据有关专家估算，假如从2023年起每年有4%的现有建筑的供电、供暖和供冷采用CCHP，从2023年起25％的新建建筑及从2023年起50％的新建建筑均采用CCHP的话，到2023年的二氧化碳的排放量将减少19%。假如将现有建筑实行CCHP的比例从4%提高到8%，到2023年二氧化碳的排放量将减少30%。

典型冷热电三联产系统一般涉及：动力系统和发电机(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。针对不同的用户需求，冷热电联产系统方案的可选择范围很大：与热、电联产技术有关的选择有蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案；与制冷方式有关的选择有压