高碳资源的低碳化利用技术 课件 第3章 煤炭的低碳化利用

煤炭的加工利用高碳资源的低碳化利用技术燃煤发电技术及发展趋势煤气化技术、过程强化及发展趋势以煤气化为基础的多联产技术内容简介

燃煤发电技术及发展趋势煤气化技术、过程强化及发展趋势以煤气化为基础的多联产技术内容简介

煤炭燃烧

煤中的可燃质，在一定温度下与空气中的氧发生剧烈的化学反应，

放出光和热并转化为不可燃的烟气和灰渣的过程

煤＋O2→气体(CO2，CO，H2O，SO2，etc)+渣＋Q燃煤发电技术及发展趋势燃煤发电厂

利用煤炭燃烧释放的热能发电的动力设施，包括燃料燃烧释热和热能-电能转换以及电能输出的所有设备、装置、仪表，以及为此目的设置在特定场所的建筑物、构筑物和所有有关生产和生活的附属设施

邢台火电厂美国埃迪斯通发电厂（超临界）燃煤电站生产过程

冷空气

烟气

烟气

烟气

烟气

烟囱

脱硫脱硝引风机

除尘器空气预热器

细微灰粒飞灰

（二次风）

灰渣沟

原煤排粉风机

（一次风）

烟气

烟气给煤机磨煤机燃烧器炉膛水平烟道尾部烟道

原煤风、粉风、粉

未燃煤粒灰渣

灰渣灰渣灰渣沟排渣装置冷灰斗

未燃煤粒未燃煤粒燃煤锅炉的煤-风-烟系统煤炭实际燃烧过程的不完全性

化学性不完全燃烧－燃烧时煤中可燃质没有得到足够的氧或与氧接触不良，燃

烧产物中含有一部分能燃烧的可燃质如H2、CO等随烟气

排走，造成热量损失

机械性不完全燃烧－燃烧时煤中可燃质未能完全燃尽就从炉栅间隙掉落，有些

夹在灰渣中被排出或夹在烟气中被带出，造成热量损失煤炭燃烧过程效果的评价燃烧效率

煤在燃烧时，实际发出的热量与理论上应该产生的热量之比Qr－送入锅炉的热量，kJ/kg;

Q3－化学性不完全燃烧损失，kJ/kg;

Q4－机械性不完全燃烧损失，kJ/kg一般地，ηr在75－98％之间燃烧方式不同，燃烧效率的值变化

热效率锅炉的有效利用热量占输入热量的百分比

煤炭燃烧放出的热量不能完全有效地用于加热工质

热效率

η＝q1=Q1/Qr=100%-(q2+q3+q4+q5+q6)

热平衡

锅炉在正常运行工况下热量收支平衡关系（热平衡）

确定锅炉热效率的依据以1kg燃料为基准Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

若以输入锅炉热量的百分数来表示

则热平衡方程为100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6

其中qi=Qi/Qri=1,2,…6Qr–送入锅炉的热量，kJ/kg;

Q1–有效利用的热量，kJ/kg;

Q2–排烟热损失(排烟带走的显热)，kJ/kg;

Q3–化学不完全燃烧损失(可燃气体的化学能)，kJ/kg;

Q4–机械不完全燃烧损失(可燃碳的化学能)，kJ/kg;

Q5–锅炉的散热损失，kJ/kg;

Q6–灰渣的物理热损失(灰渣带走的显热)，kJ/kg。

净效率锅炉扣除自用排汽、水、电能消耗后的效率（供电效率）Qq－锅炉机组自身所需的热量，kJ/kg；

Qp－锅炉机组自身电耗对应的热量，kJ/kg大型电站：92%普通锅炉：70%～锅炉按燃烧方式链条炉排

优点：设备简单，能耗低

缺点：燃烧效率低，燃料适应性差（对煤的粒度、焦结性、结渣性敏感）流化床燃烧

燃烧温度低，可燃低灰熔点煤

NOx排放低，易于采用炉内固硫技术煤粉炉（适用于35T/h以上的锅炉）

固态排渣煤粉炉：应用最普遍，容量高（世界上最大的锅炉容量达1300MW）

小型煤粉炉能耗高，养护困难

液态排渣煤粉炉：能燃用低灰熔点、低挥发份煤，排渣可直接作建筑材料

对灰熔点度敏感，火侧腐蚀等事故多，NOx排放高炉膛及

燃烧器布置方式Π型炉切向燃烧半开式Π型炉切向燃烧Π型炉对冲（交错）

燃烧Π型炉前墙燃烧W型炉W燃烧

炉膛

型式

排渣方式固态液态固态固态固态燃烧器型式直流式直流式旋流式旋流式旋流式直流式锅炉按整体布置（煤粉炉）

压力

温度

锅炉容量

中低压

3.4MPa 435℃

6\12\25\50MW高压

9.8MPa

540℃

50\100MW超高压

13.7MPa 535/535℃ 125\200MW亚临界

16.2MPa 540/540℃ 300\600MW超临界

24MPa 538/566℃ 600\800MW超超临界

>

28MPa >580℃低压锅炉 <2.45MPa

中压锅炉 2.94～4.90MPa

高压锅炉 7.84～10.8MPa

超高压锅炉 11.8～14.7MPa

亚临界锅炉 15.7～19.6MPa

超临界锅炉 22.1MPa

超超临界锅炉 30～31MPa锅炉按蒸汽压力水的临界状态22.12MPa,374.3℃NOX、SOX的控制技术影响NOx生成的主要因素温度燃烧过程中，温度越高，生成的NOx量越大过剩空气系数

=1.1～1.2范围内，NOx的生成量最大

偏离这个范围NOx的生成量明显减少燃煤性质燃煤中的含N量越高，燃烧过程中转化为NOx也就越多低NOx的燃烧技术

分级燃烧

再燃烧法

浓淡偏差燃烧

低氧燃烧

烟气再循环

中低温燃烧硫的脱除技术

硫污染消除时机：煤炭脱硫、燃烧过程脱硫、烟气脱硫电站脱硫－炉内喷钙脱硫；烟道气脱硫（FGD）

烟气脱硝技术SCR

烟气联合脱硫脱硝技术FGD装置燃煤发电技术发展趋势高效、低污染发展大容量、高参数机组

电站热效率高，基建投资、设备和运行费用降低超临界、超超临界机组的特点机组热效率高，可靠性好，环保指标先进可负荷变压运行，调峰性能好：

在低负荷时效率高；具有良好的启动性能；具有良好的负荷适应性适于大容量机组：蒸汽压力高、蒸汽比容小、汽轮机叶片短、级间压差大我国火电机组运行技术参数燃煤发电技术发展趋势高效、低污染发展大容量、高参数机组

电站热效率高，基建投资、设备和运行费用降低

多联供技术

热-电联供热-电-冷联供热-电联供（热电厂）概念发电厂同时对热电用户供应电能和热能，而其生产的热能是取自汽轮机

作过部分或全部功的蒸汽

这种能量生产方式称为热电联合生产（简称“热电联产”）

其依据的热力循环称供热循环

装有这种动力设备的发电厂称为热电厂热电联产的效益

大大减少了冷源损失，与热电分产相比，其节煤量可达20％～25％改善劳动条件和城市环境卫生：取代小锅炉

热-电联供（热电厂）概念发电厂同时对热电用户供应电能和热能，而其生产的热能是取自汽轮机

作过部分或全部功的蒸汽

这种能量生产方式称为热电联合生产（简称“热电联产”）

其依据的热力循环称供热循环

装有这种动力设备的发电厂称为热电厂热电联产的效益

大大减少了冷源损失，与热电分产相比，其节煤量可达20％～25％改善劳动条件和城市环境卫生：取代小锅炉

热-电-冷三联产热电冷三联产

指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽，生产6～8℃冷水用于空调或工艺冷却热电冷三联产的优点：蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热、

制冷的需要，可提高能源利用率增大背压机负荷率，增加机组发电，减少冷凝损失，降低煤耗保证生产工艺，改善生活质量，减少从业人员，提高劳动生产率；代替数量大、

型式多的分散空调，改善环境景观，避免“热岛”现象

燃煤发电技术发展趋势高效、低污染发展大容量、高参数机组

电站热效率高，基建投资、设备和运行费用降低

开发洁净燃煤技术、新型发电技术

燃煤的燃气-蒸汽联合循环（CC或GTCC）

整体煤气化联合循环(IGCC)

超临界压力蒸汽循环

燃煤磁流体发电、空冷发电

多联供技术

热-电联供热-电-冷联供用加压流化床的燃煤联合循环装置（PFBC-CC）燃气-蒸汽联合循环（CombinedCycle，CC或GTCC）联合循环把在中低温区工作的蒸汽轮机的朗肯（Rankine）循环和在高温区工作

的燃气轮机的布雷登（Brayton）循环的叠置，组成一个总能系统循环

由于它有很高的燃气初温（1200℃～1500℃）和蒸汽作功后很低的

终温(30～40℃)，实现了热能的梯级利用，使总的循环效率很高燃气-蒸汽联合循环优点热效率高

50%～55%，有望提高到60%～61%；低污染，环保性能好运行灵活可日启停、调峰性能好单位容量投资较低

简单燃气轮机l00～300美元/kW

汽轮发电机组600～1000美元/kW

联合循环发电机组280～530美元/kW建设周期短

标准的模块化设计，可分阶段建设

占地少，仅为PC＋FGD发电厂占地的1/3

节水

为同容量常规电站用水量的1/3燃气-蒸汽联合循环（CombinedCycle，CC或GTCC）联合循环把在中低温区工作的蒸汽轮机的朗肯（Rankine）循环和在高温区工作

的燃气轮机的布雷登（Brayton）循环的叠置，组成一个总能系统循环

由于它有很高的燃气初温（1200℃～1500℃）和蒸汽作功后很低的

终温(30～40℃)，实现了热能的梯级利用，使总的循环效率很高燃气-蒸汽联合循环西门子联合循环电站整体煤气化联合循环(IGCC)天津华能IGCC电厂IGCC（Integratedgasificationcombinedcycle）评价优点供电效率高，目前40~46%，预计可52%；环保性能好，SO2、NOx、CO2、粉尘排放低，可燃用高硫煤；可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿素等；单机功率可达300~400MW缺点目前煤气化和净化的热损失还偏大；初期投资大；可靠性下降。原因：

昂贵的合成气发便宜的电，为提高效率不得不充分利用能量(捡芝麻)，

造成系统复杂，投资增加，可靠性下降。内容概要燃煤发电技术及发展趋势煤气化技术、过程强化及发展趋势以煤气化为基础的多联产技术

煤气化技术、过程强化及发展趋势煤炭气化的概念广义的煤气化

煤不完全氧化－气化煤气

煤(高、中、低温)干馏－干馏煤气煤气化用气化剂将煤和/或煤的干馏产物(半焦、焦炭)

的有机物最大限度地转变为煤气的过程

or

煤的气化就是在氧气不足的条件下，进行不完全氧

化产生可燃气体的过程气化剂(氧化剂)-水蒸汽、空气(氧气)、H2及其混合物psig:poundspersquareinch,gauge

磅/平方英寸(表压)

1psi=0.00689Mpa

1Mpa=145Psi1000psig=6.89Mpa=68.9atm华氏度=32+摄氏度×9/5摄氏度=(华氏度-32)×5/92600℉=1427℃煤炭气化的意义

煤炭：固体、处理困难；杂质多、污染大

煤气：气体便于净化(除尘、脱硫)，污染轻

输送方便(管道)、燃烧时容易调节，热效率高

现代煤化工技术的龙头煤气化技术、过程强化及发展趋势煤炭气化的概念广义的煤气化

煤不完全氧化－气化煤气

煤干馏(高、中、低温干馏)－干馏煤气煤气化用气化剂将煤和/或煤的干馏产物(半焦、焦炭)

的有机物最大限度地转变为煤气的过程

or

煤的气化就是在氧气不足的条件下，进行不完全氧

化产生可燃气体的过程气化剂(氧化剂)-水蒸汽、空气(氧气)、H2及其混合物煤炭气化的分类按气化剂

空气煤气、混合煤气、水煤气、半水煤气（空气:水蒸气＝1:1）、富氧煤气按原料粒度

块煤气化(6-100mm)、末煤气化(0.5-6mm)、粉煤气化(＜0.1mm)按原料在气化炉内的运动状态

移动床(固定床)、流化床、气流床、[熔融床]按排渣方式

固态排渣、液态排渣按气化的压力

常压或低压气化（<0.35MPa）

加压气化中压气化(0.7~3.5MPa)

高压气化(>7MPa)按煤气的热值

低热值煤气＜8400kJ/Nm3(2000kcal/Nm3)

中热值煤气8400-18000kJ/Nm3(2000-4300kcal/Nm3)

高热值煤气33000-38000kJ/Nm3(8000-9000kcal/Nm3)各因素相互关联移动床气化Lurgi气化炉流化床气化高温温克勒气化炉（HTW）GSP气化炉气流床气化地下气化煤气化的基本过程

常见煤气生产流程（煤气作为燃料）1）

热煤气站

煤气从发生炉中出来不经冷却、净化，直接以热的形式供给用户

煤气的显热、潜热均得到利用气化炉煤气旋风除尘器煤气管道

(保温)用户流程评价设备少、投资省、流程简单热效率高不排出含酚废水，环境污染小煤气管道笨重，需保温、衬耐火砖少量灰尘带入管道，除尘困难煤气站距用户距离小于60米2）冷煤气站流程气化炉竖管半净煤气总管电捕焦油器洗涤塔净煤气管排送机用户A无焦油回收系统的冷煤气站

B有焦油回收系统的冷煤气站取决于原料的组成/性质、用户的要求Texco气化工艺（冷激式）加压气化

生产城市煤气的工艺流程气化方法和气化生产效果的评价－气化指标

1)煤气的热值Q：每标准立方米煤气(Nm3)完全燃烧所放出的热量，kJ/Nm32)

煤气的组成(%)：煤气中各组分所占的体积百分数

CH4－39938kJ/Nm3，H2－12770kJ/Nm3

，CO－12707kJ/Nm33)

煤气产率V：单位质量煤气化后可得煤气的标准立方米数，Nm3/kg或Nm3/t4)气化效率η气：气化制得煤气的热值与所用燃料热值之比，％即η气＝Q气/Q燃×100％＝(QV)/Q燃

×100％5)

气化热效率η热：直接加入气化过程中热量的利用程度

以供给的热量和生

成的热量之比计算

η热＝Q生成/Q供给

×100％

＝(Q气＋Q焦油)/(Q煤＋Q气化剂)×100％6)气化强度q：单位时间、单位炉体截面积上所气化的原料量，kg/m2hr气化过程的强化

煤炭气化

固体原料煤（焦）与气化剂之间的多相化学反应

G-S多相反应

外扩散-内扩散-吸附-表面反应-脱附-内扩散-外扩散

提高G-S多相反应速度的途径

A提高气化反应温度（化学反应的基本原理）；

B减小原料煤粒度（提高固体颗粒与气相物质的接触面积）；

C增大气化剂与煤粒的相对运动；

D提高气化剂中氧含量；

E增大压力（提高单位体积内气体物质的分子数）；

F使用催化剂（改变反应的路径）；

……

冷煤气效率高

煤种适应性广

煤（或碳）转化率高煤气品质好环境性能好

生产能力大

操作性能好便于实现自动控制投资省、便于加工制作和维修

与其它先进的煤气利用技术有良好的兼容性现代煤气化技术的发展趋势加压气流床气化

全面符合煤炭气化强度提高的要求

代表了现代煤炭气化技术的发展方向高温气化

碳转化率高

煤气纯净－挥发分（焦油、氮、硫化物、氰化物）等转

化充分，三废问题轻

合成气显热可利用

主要特点

加压气化

生产能力提高－0.1MPa－4MPa，投煤量比提高到10倍

高压气化制合成气－大大减少气体净化投资

节省压缩功，降低产品能耗

粉煤气化

煤粉－煤表面积增大－气化能力提高，

非均相反应－物料导热能力与比表面热交换成正比

液态排渣

惰性物质组成的灰渣以高温熔融状态排出，污染轻

液态排渣，气化炉操作温度>灰流动温度（FT）

气化操作温度高

纯氧气化

降低惰性气体升/降温带来的热损失

有效减少气化剂压缩的能耗，有效提高气化效率

实现加压、高温、熔渣气化的经济可行

实现气化过程的大型化及规模化内容概要燃煤发电技术及发展趋势煤气化技术、过程强化及发展趋势以煤气化为基础的多联产技术

以煤气化为基础的多联产技术概念多联产(能源)系统*

以提高物质和能量综合利用效率以及减少污染物排放为目的，将传统上以煤为原料、分别单独生产电力和化工产品的工艺过程有机耦合在一起，所形成的新型电力和洁净燃料联合生产系统

由于煤气化过程产生的合成气是联产过程的源头和必备条件，该系统又称为“基于煤气化的多联产系统”多联产**将以煤气化技术为“龙头”的多种煤炭转化技术，通过优化组合集成在一起，以同时获得多种高附加值的化工产品(包括脂肪烃和芳香烃)和多种洁净的二次能源(气体燃料、液体燃料、电等)*

倪维斗等.基于煤气化的多联产能源系统.北京:清华大学出版社,2011**

徐振刚.多联产是煤化工的发展方向[J].洁净煤技术,2002,02:5-7构成

多联产系统一般包括3部分：合成气制备与净化、化工合成、燃气-蒸汽联合循环发电串联发电部分只燃用来自化工合成段的尾气并联发电用的燃料和合成化学品的原料都来自

于合成气制备段串并联：串联和并联的组合串和/或并联方式仅表示了多联产各单元间的宏观联系。实际上，各单元间还存在着大量的物质和能量的交换与耦合关系，构成一个有机集成的系统

多联产系统效率的发挥与各单元间物质及能量的优化集成紧密相关化工动力多联产技术的提出

传统功能系统的独立性常规动力系统

核心为热力循环，侧重于热与功转换利用

局限于物理能范畴，受制于卡诺理论框架（极限）传统化工生产侧重于组分调整，把原料中的有效成分最大程度地转化为产品，

受反应热力学、动力学限制，相应的措施多伴随着能耗不断攀升结果追求单一功能目标的思路无法破解

能耗高、化学能损失大及环境污染严重等难题原料100%的转化目标产物100%的收率污染物排放控制最经济的转化过程热力学限制动力学限制化学反应计量限制过程经济的限制

现有状况：

单一过程中的目标－原料在单一过程中“吃干榨尽” 各方面的限制，难以实现理想目标工业过程原料能源化工产品副产品污染理想

实际化工动力多联产技术的提出

传统功能系统的独立性常规动力系统

核心为热力循环，侧重于热与功转换利用

局限于物理能范畴，受制于卡诺理论框架传统化工生产侧重于组分调整，把原料中的有效成分最大程度地转化为产品，

受反应热力学、动力学限制，相应的措施多伴随着能耗不断攀升结果追求单一功能目标的思路无法破解能耗高、化学能损失大及环境污染严重等难题系统整合思想的应用－化工动力多联产

通过系统集成把化工过程和动力系统整合，在完成发电、供热等热工功能的同时生产化工产品，实现多领域的多功能综合本质特征

联产概念的系统集成，是更合理的物质与能量综合梯级转换利用

组分转换与能量转换利用的耦合是联产系统集成的基础，化工侧与动力侧的整合是系统集成的关键理论原理化学能与物理能综合梯级利用

多联产优越性的原理：在更大的尺度上解决问题原料100%的转化目标产物100%的收率污染物排放控制最经济的转化过程热力学限制动力学限制化学反应计量限制过程经济的限制

现有状况：

单一过程的目标－原料在单一过程中“吃干榨尽” 各方面的限制，难以实现理想目标工业过程原料能源化工产品副产品污染理想

实际多联产：

多过程耦合、多产物制备，总体实现“吃干榨尽” 在大尺度层面解决效率、环境、效益问题以煤基清洁燃料和化工产品为主通过单元技术耦合，简化工艺流程通过资源优化配置、公用工程共享，减少建设投入通过调整合成气循环比，提高单元设备的效率灵活调整产品品种和产量尾气、废渣循环利用以减少投入（降低折旧）、提高效率（单台设备产量提高）、

废弃物利用达到经济效益最优化煤气化多联产的优越性多联产的优越性-例1单产与四联产（电、热、气、甲醇）对比基本投资

（M$）单位电价

（c/kwh）耗煤

（TJ/h）12577833.32.49.28.4联产投资减少37%联产单位能价下降27%联产煤耗下降9.1%(R.Willams,WorldEnergyAssessment,2000)当多联产系统与分产系统都生产400MW的电、热、城市煤气和甲醇时多联产的优越性-例2于戈文,李永旺,等.不同工艺路线FT合成油-电多联产模拟计算[J].

过程工程学报,2010,(5):964-970中国科学院山西煤化所

设计并模拟了以Shell煤气化为气头的F-T合成油−电多联产串联型和并联型案例串联型

气化后的合成气首先全部用于生产F-T合成油品，尾气用来发电并联型

气化后的合成气分成两股，分别用于生产FT合成油品和电力热效率高：串联型多联产系统热效率达到47.55%；温室气体减排：串联型多联产方案捕获CO2最高，达到1642.45t/h，相当于回收了进入

系统全58.7%多联产的优越性-例3李召召,代正华,林慧丽,龚欣,王辅臣.IGCC–甲醇多联产系统节能分析[J].中国电机

工程学报,2012,20:1-7,131.华东理工大学

为评价以气流床粉煤气化为基础的整体煤气化联合循环(IGCC)-甲醇多联产系统配置方案，采用AspenPlus软件对多联产系统进行系统模拟

配置方案气化工艺分别采用废锅流程和激冷流程

IGCC-甲醇合成分别采用串联和并联组合方式

评价指标相对节能率分产系统与联产系统综合比较西班牙Puertollano335MWIGCC工艺煤气化多联产实例与蓝图欧洲Shell公司SyngasPark(合成气园)气化蒸汽轮机燃气轮机气体转化甲醇系列产品合成尾气煤电工业用气城市煤气甲醇系列化学品化肥化肥合成气体制备SyngasPark的实质系统特征：从气化出发，发电、合成甲醇系列产品、化肥、气体制备国际发展趋势—燃料和化学品合成为主要内容日本新能源计划EAGLE多联产过程示意图CoalEnergyApplicationforGas,Liquid&Electricity制氧气化合成净化蒸汽轮机燃料电池系统特征：气化为中心，发电、合成燃料和化学品为重要内容煤电合成气液体燃料气化蒸汽轮机燃气轮机净化燃料合成制氧合成气尾气煤电液体燃料化学品国际发展趋势－美国近期多联产过程（EECP）示意图系统特征:气化为中心，发电、合成燃料为重要内容EarlyEntranceCoproductionPlant国内多联产过程示意图燃烧热解半焦煤电蒸汽城市煤气焦油系统特征：从热解出发，发电、蒸汽、煤气、焦油国内发展状况－热解-燃烧未来中国的煤多联产宏观系统－举例净化氢分离马达燃料等分精离制马达燃料城市煤气焦油燃蒸气汽轮轮机机燃料电池燃气化学品调配尾气电热O2气化热解合成氢集成优化CO2吸收化学品煤污染控制系统特征：从气化出发，发电、合成燃料和化学品国际发展趋势－美国“21世纪展望”(Vision21)多联产过程我国的化石能源赋存特点决定了煤炭在可以预见的将来仍是中国的主要能源，也是环境的主要污染源。进入21世纪，我国能源领域更面临能源供应、液体燃料短缺、环境污染、温室气体排放和农村能源结构调整等五大难题，对煤转化利用的效率和洁净度提出了更高的要求；洁净煤技术的发展，极大地提高了煤作为原、燃料利用水平。然而，追求单一功能目标的思路无法破解能耗高、化学能损失大及环境污染严重等难题：常规动力系统核心为热力循环，着重热-功转换，局限于物理能范畴，受制于卡诺循环效率提高的极限；传统化工生产侧重于组分调整，受制于热力学、动力学、化学反应计量，相应生产强化措施多伴随着能耗的攀升，过程经济性差；以煤气化为核心的多联产系统是综合解决效率、环境、效益问题的技术途径。应用系统整合思想，通过系统集成把化工过程和动力系统整合，在完成发电、供热等热工功能的同时生产化工产品，实现多领域的多功能综合，具有多方面发优越性；多联产是一个规模大、构成复杂的巨系统，系统效率的发挥与各单元间物质及能量的优化集成紧密相关。多联产的本质特征是物质与能量综合梯级转换利用，其中组分转换与能量转换利用的耦合是联产系统集成的基础，化工侧与动力侧的整合是系统集成的关键。多联产的理论原理、方案设计、优化方法等，目前尚不能说充分的掌握，大规模多联产系统的可操作性仍缺乏实践的检验结语醇醚燃料

以替代汽油、柴油为目的，由碳质原料（包括天然气、原煤、

煤层气、焦炉煤气和生物质等）通过气化，合成制备的甲醇、

二甲醚、乙醇等液体有机燃料煤基液体燃料技术煤炭液化

将固态煤经过一定的物理、化学作用转化为液态产物的过程。包括煤直接液化（煤溶解、萃取－

煤热解、生成自由基－加氢反应－液体）、煤间接液化

（先将煤气化成CO2和H2的合成气，再通过F-T合成汽柴油）。为什么开发煤基液体燃料技术？1990-2010中国

国民经济增长情况1990-2010中国

石油产量和消费量中国的石油生产和消费世界及中国

人均消费石油对比中国石油消费结构液体燃料

航空煤油(6%)+汽油(16%)+柴油(12%+27%)=61%2000-2010中国汽油汽车保有量及汽油消费情况开发石油替代液体燃料的必要性

化石能源赋存特征与世界能源发展趋势之间的不匹配、甚至矛盾

世界范围内多煤、少气、缺油

快速能源需求增长、未来世界能源整体多元化、高效化、清洁化的趋势国家能源安全的考量

eg

巴西的情况巴西是个贫油国；20世纪60’s-70’s创造了“经济奇迹”

1973年世界第一次石油危机，重创巴西经济中国是个快速发展中，过去30余年创造了举世瞩目的经济成就

世界第二大经济体（预期在2025年超过美国）

人均能源消费量处于低水平

富煤贫油少气的一次能源赋存特点中国的石油替代战略中国“缺油、少气、富煤”，石油资源相对匮乏、供需矛盾日益突出，炼油工业存在结构性缺陷：石油总量不足，且油质偏重；结合进口，仅能满足燃料的基本需求；不能有效保障化工基础原料（烯烃、芳烃）供应中国发展煤化工是中国石油替代战略的必然选择即使没有高油价，中国也应该发展煤化工，以弥补石油化工的结构缺陷现代煤化工处于起步阶段，中国在世界上将优先发展煤化工，更多依靠自主创新

如何替代？煤基合成油、醇醚燃料；煤制大宗化学品（烯烃、芳烃、含氧化合物）；煤制天然气名称煤石油状态固体液体分子量5000~10000吡啶萃取物的分子量约2000平均值200高沸点渣油的分子量600结构以烟煤的有机结构为例2-4个环或更多的芳香环构成的芳核，环上含有氧、氮、硫等官能团及侧链，成为煤的结构单元；由非芳香结构—CH2—，—CH2—CH2—或醚键—O—，—S—连接几个结构单元（5-10个）呈现空间立体结构的高分子聚合物主要由直链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物芳香烃含量少

煤直接液化的实质煤和石油的异同点煤炭液化元素无烟煤中等挥发分烟煤高挥发分烟煤褐煤泥炭石油汽油CH4C93.788.480.371.750-7083-878675H2.45.05.55.25.0-6.111-141425O2.44.111.121.325-450.3-0.9

N0.91.71.91.20.5-1.90.2

S0.60.81.20.60.1-0.51.0

H/C

(原子比)0.310.670.820.87～1.001.761.944相同点：二者均是由C,H,O,N,S组成不同点：煤的H含量低，O含量高，C含量相差不大煤和石油（汽油）、甲烷的异同点煤转化为液体燃料的途径破坏煤的空间立体结构

大分子结构→较小分子结构多环结构→单环结构或双环结构

环状结构→直链含O基团→H2O

含N基团→NH3含S基团→H2S

途径向系统输入一定的能量

给系统加热：温度应高于煤热分解的温度，因煤阶不同而不同，一般不超

过500℃，否则成焦反应和生成气体反应严重

加压：通氢气，增加反应物的浓度增加H/C：需要向系统加氢气，以提高反应速度，相当高的氢气压力可以抑制成

焦反应和生成大量气体

通过加入供氢溶剂也可以增加系统氢的浓度

使用合适的溶剂：使煤粒能很好的分散

让煤的热熔解过程有效进行（有助于结构单元间的键断裂）

使煤热裂解后的自由基碎片得到一定的稳定

必须有可利用的氢原子或自由基氢

使氢自由基有效的传递到煤裂解的自由基碎片上

让催化剂能与氢自由基、煤碎片很好地接触煤（直接）液化发展简史

煤液化经历了漫长的发展历程，大致可分为三个阶段：

第一阶段第二次世界大战前及大战期间

德国因为军事上的需要大力发展煤液化工作

1913柏吉乌斯（Bergius）研究高温高压氢条件下从煤中得到液体产品：煤粉和重油（1：1）+催化剂（5%）450℃、20MPa

1921在ManheimReinan建立了5t/d的中试厂

1927I.G.Farben公司在Leuna建成第一个工业厂：褐煤+重油+氧化钼（催化剂）+(30MPa)H2

第一步液化生成汽油、中油（180~325℃）、重油（>325℃）第二步气相加氢，将中油在固定床催化剂上进行加氢得到汽油

～1943德国共建了12个煤液化和焦油加氢工厂

提供了战时所需的航空汽油的98%.

第二阶段煤液化新工艺的开发期，从五十年代到七十年代后期

50’s中东发现大量油田，石油生产迅猛发展，而煤液化生产处于停滞

1973年后中东石油发生危机，以美国等为首的资本主义国家重新重视以煤为原料制取液

体燃料技术的开发，建立了各种类型大中型示范液化厂美国基于德国煤液化工艺开发了SRCI(solventrefinedcoals)和SRCII工艺1973年美国利用催化液化原理开发了氢煤法（H-Coal）、供氢溶剂法（EDS）德国液化新工艺（NewTG）日、澳褐煤液化法

第三阶段1982年至今，煤液化新工艺的研究期

1982年后石油市场供大于求、石油价格不断下跌，煤液化试验工厂停止试验但是各发

达国家的实验室研究工作及理论研究工作仍在大量的进行

如：近年来开发出来的煤油共处理新工艺和超临界抽提煤工艺等

近年来由于中东形势的复杂性,石油原油的价格迅猛升高,最高价格已超过140美元/桶

目前仍然维持在80～100美元/桶左右

中国煤液化技术开发应用概况

从1996年开始，北京煤化所先后同德国、美国、日本等国通过国际合作进行煤直接液化中间放大试验完成了如下工艺实验云南先锋褐煤采用德国IGOR工艺黑龙江依兰煤采用日本NEDOL工艺神华上湾煤采用美国HTI工艺进入21世纪，在吸收国外先进液化技术的基础上，根据中国煤质特点，先后开展了高分散铁系催化剂的开发和工程化，中国煤直接液化新工艺开发(6t/d)等

目前世界上只有我国神华集团的100万吨/年煤炭直接液化示范工程已经取得了成功煤液化的典型工艺煤直接催化加氢工艺德国IGOR

工艺

工艺主要特点反应条件比较苛刻,温度470℃,压力30MPa催化剂使用炼铝工业的废渣(赤泥)液化反应和液化油加氢精制在一个高压系统内进行,可一次得到杂原子含量极低的液化精制油,液化油经过蒸馏就可以得到十六烷值大于45%的柴油,汽油馏分再经重整即可得到高辛烷值汽油循环溶剂是加氢油,其供氢性能好,煤液化转化率高美国氢-煤工艺(H-Coal）工艺的主要特点采用流化床反应器，使煤浆、循环溶剂和催化剂接触良好，温度均一催化剂可以连续加入和抽出，以不断更新可以将高硫煤转化为低硫燃料许多设备可采用石油加工过程所用的设备日本NEDOL

工艺Nedol工艺的特点是:反应压力较低,压力为17～19MPa,反应温度455～465℃；催化剂采用合成硫化铁或天然硫铁矿；固液分离采用减压蒸馏的方法；配煤浆用的循环溶剂单独加氢,以提高溶剂的供氢能力；液化油含有较多的杂原子,还须加

氢提质才能获得合格产品神华煤直接液化工艺备煤气化净化液化分离改质制浆空分分馏

Residue

JetfuelDieselOil

Gasolin

Gas

CoalAirRecyclesolventCatalystH2N2O2GasificationLiquefactionSeparationFractionationCoalPreparationAirSeparationCoalSlurryPurificationUpgradingF-T合成的实质CO在固体催化剂作用下非均相氢化生成不同链长的烃类（C1~C25）混合物和含氧化合物的反应化学反应nCO+2nH2→(—CH2—)n+nH2O△H=-158kJ/mol(CH2)(250℃)平行反应CO+2H2—CH2—+H2O△H=-165kJ/mol(227℃)CO+3H2CH4+H2O△H=-241kJ/mol(227℃)2CO+H2—CH2—+CO2△H=-204.8kJ/mol(227℃)3CO+H2O—CH2—+CO2△H=-244kJ/mol(227℃)2COC+CO2△H=-134kJ/mol(227℃)

煤间接液化（F-T合成）煤的间接液化发展简史1923年，德国人F.Fisher和H.Tropsch用CO和H2合成气在铁系催化剂上合成出含烃类油料多的产品，即F-T合成。这一方法首先在德国得到发展应用；1936年，德国建立了第一座工业规模的合成油厂，到1939年，德国已经建成了9座F-T合成厂，总生产能力达225万t/a；1945年以后，由于石油跌价，煤制合成油成本高，难以与石油竞争，整个合成石油工业处于停滞状态，唯有南非由于自身能源分布的特点以及对其进行石油封锁的政治环境，大力发展合成石油工业，1955年，南非建立了SASOL-Ⅰ合成油厂，并分别于1980、1983年投资建成SASOL-Ⅱ和SASOL-Ⅲ厂，总生产能力为450万t/a；自从1973年发生“石油危机”以后，世界各国重新评价F-T合成技术，积极开发研究新技术、新工艺。70年代美国Mobile公司开发的ZSM-5沸石分子筛催化剂和Mobile工艺现已得到工业应用，其他如F-T两段合成法、浆态床F-T合成法、Tigas合成法，CO+H2一步合成高辛烷值汽油工艺以及高选择的新型催化剂等都在开发研究之中中国开发的煤间接液化技术中科院山西煤化所煤炭间接液化技术

ICC–I（230—270℃）、ICC–II（250—290℃）

两大系列铁基催化剂技术

相应的浆态床反应器技术分别形成两个系列合成工艺

针对低温合成催化的重质馏份合成工艺ICC-HFPT

针对高温合成催化剂轻质馏份合成工艺ICC-LFP

应用：

山西潞安集团2008年12月

内蒙伊泰集团2009年3月

神华集团间接法煤制油工业化示范项目2010年开车

采用中科院山西煤化所技术(浆态床反应器、费托合成催化剂、油品加工和系统

集成)，示范厂生产规模16～21万t/a山东兖矿集团有限公司

自主研发了低温法和高温法间接液化技术，已建成5000t级实验装置，并打通流程

大连化物所

钴基固定床千吨级中试完成5000小时稳定性试验，催化剂综合性能处于世界先进水平各种改进F-T合成工艺技术的对比合成工艺条件F-TMTGTIGASAMSTGSMDSMFT开发者南非Sasol公司Mobil+新西兰丹麦Topsos公司日本三菱/石油公司荷兰Shell公司中科院煤化所原料气路线煤基天然气基天然气基甲醇裂解气煤或天然气基煤基催化体系Fe系Cu-Zn-Al/分子筛复合催化剂/分子筛Cu-Zn-Cr/分子筛Co/Zr/SiO2Fe系/分子筛温度/℃(Ⅰ/Ⅱ)220～225250～300/320～380220～300/350～400270/360200～220250～270/310～320压力/MPa(Ⅰ/Ⅱ)2.5～2.65～25/24.6/5.44.5/0.52.02.5/2.5原料气H2/CO1.7～2.52.02.02.02.0～3.01.3～1.5尾气循环比1.5～2.5－5Ⅰ段循环－2～4CO转化率/%76.5－98.090.2－85.4烃选择性/%－－74.175.8－79.0产物分布，W/%CH45.020.14.80.318～236.8C2～C412.620.118.818～2316.9C5～C11（汽油）22.579.975.180.915～1976.3C12+59.9－约0约058～66约0工艺特点1.产物复杂，汽油收率低，质量差。2.产品后加工繁琐，投资庞大。不宜中小型规模3.操作容易1.产品单一，汽油收率高，质量好2.原料气H2/CO≥23.不等压操作，能耗较高4.合成气单程转化率低1.产品单一，汽油收率高，质量好2.基本等压操作1.产品单一，汽油收率高，质量好2.不等压操作，能耗较高3.中试规模较小1.产品可调性好(汽、煤、柴油)2.过程较繁琐，投资较高1.产品可调性好(煤油、汽油、蜡)2.过程简单，反应条件温和，等压操作3.适合中小型规模开发技术成熟程度已工业化已工业化中试（1000kg/d）中试（117kg/d）中试工业化

中国煤制油技术应用及进展2009年1月，神华集团鄂尔多斯百万吨级直接液化煤制油示范装置试车成功

2009年该装置总计出产10万吨汽油、柴油等油品

2012年装置负荷达到100%，共生产油品86.5万吨，完成销售收入60.4亿元

2013年一季度生产石脑油82001吨，柴油145622吨，液化石油气25526吨2009年3月，伊泰16万吨/年煤间接液化煤制油项目试车成功

2010年完成产量9.67万吨

2011年完成产量15.17万吨

2012年达到和超过了设计产能2009年8月，潞安集团16万吨/年铁基浆态床F-T合成油装置产出合格的柴油、石脑油产品。项目还配套建设18万吨/年合成氨、30万吨/年尿素以及利用F-T合成低热值尾气的12.8MWIGCC发电项目，实现了煤基多联产。2009年12月，配套的合成氨尿素项目产出合格产品

潞安在山西规划建设540万吨/年煤基合成油及化学品多联产项目，项目一期180万吨/年装置位于山西长治，将以劣质高硫煤为主要原料，并以焦炉气、瓦斯气等为补充原料，2012年11月百万吨煤基油项目已获得国家发改委核准立项2009年6月，晋煤集团10万吨/年甲醇制汽油项目试车成功。2009年11月，神华宁煤与SASOL公司合作的间接液化煤制油项目可行性研究报告通过预审

但是，在长达10年的谈判之后，神华宁煤与南非沙索公司的煤制油合资项目中止，转而采用中科合成油公司技术，独立建设位于宁夏宁东的400万吨/年间接液化煤制油项目，总投资550亿元，采用GSP粉煤加压气化工艺，年用煤量约2200万吨，年产油品404万吨

2012年12月6日动力站装置桩基工程开工

2013年2月20日由青岛联信催化材料有限公司和三维工程公司承接的神华宁煤400万吨/年煤间接液化项目耐硫变换工艺包交包

2013.9.28.神华宁煤4Mt/a煤间接液化项目奠基；2016.12.9.正式出油2009年月1月，兖矿集团自主知识产权的陕西榆林100万吨/年间接液化煤制油项目通过环保部环评

2011年3月由陕西省发改委备案批准，山东省国资委备案批复同意，正式开工建设

2013年4月项目基础设计已经全部完成，详细设计基本完成，生产所需的超限设备、长线设备等主要设备已经全部订货完毕，气化框架主体已经完成施工量的60%，净化、合成、油品加工等各界区的施工正进行中2013年4月24日，延长石油榆林煤化资源综合利用制油示范装置开工

建设15万吨/年合成气制油示范项目，预算投资8.4亿元

以榆林煤化20万吨/年甲醇、20万吨/年醋酸及配套项目为基础，采用延长石油与大连化物所共同开发的合成气制油技术，年产15万吨柴油、石脑油等油品，装置计划2014年建成投产煤制甲醇燃料技术甲醇及其基本物性、性状

最简单的饱和脂肪醇CH3OH，相对分子量32.04常温常压下纯甲醇是物色透明、易挥发、可燃且略带醇香味的有毒液体可与水、乙醇、乙醚等许多有机液体无限互溶，但不与脂肪烃类化合物互溶

爆炸极限6.0~36.5v%强极性，溶解能力强，能与多种有机物形成共沸物对气体(特别是CO2和H2S)的溶解能力强－净化煤气剧毒

口服5～10ml严重中毒

10ml以上失明

60～250ml致人死亡可通过消化道、呼吸道和皮肤进入人体甲醇的燃料性质

甲醇化学组分单一，具有抗爆性好、含氧量高、热值低、气化潜热大等特点甲醇、汽油、柴油主要物理性质比较甲醇作为燃料的特点甲醇分子中含50%的氧，是富氧燃料

尾气中排放的CO和烃类物质较低，但含有少量甲醇和不完全氧化产物甲醛；

燃烧热值低，甲醇完全燃烧所需的空气量比空气少；

但：甲醇和空气理论混合气的热值与汽油相当