浅谈煤基多联产技术

浅谈煤基多联产技术摘要：多煤、贫油、少气的资源结构，以及可再生能源短期内占比很小的现实决定了未来很长一段时间内煤炭仍将是我国的主体能源。煤炭的清洁高效利用既是我国能源发展的战略选择，也是当前节能减排最重要、最现实的手段。从电力和优质燃料两个方面的重大需求看，煤基多联产系统显然是未来洁净煤发展的重要方向。本文对煤基多联产系统的概念和特点以及国内外发展现状进行了概述，指出了关键技术问题并提出了建议。关键词：煤基多联产高效清洁问题建议前言：中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是目前世界上仅有的四个以煤为主要能源的国家之一，煤炭占一次能源消费的75%左右。从我国的能源资源和经济发展水平看，在相当长的时期内，煤炭仍将是我国最主要的一次能源。煤炭作为能源对人类的发展做出了巨大的贡献，但在煤炭的开发与利用过程中也产生了一系列污染问题，危及生态平衡和人类生存。既要支撑经济的高度发展又要保持良好的生存环境，就必须提高煤炭利用效率，使煤成为洁净、高效和便于使用的能源和原料，唯一的出路就是开发和应用“洁净煤技术”，而煤基多联产系统正是满足这一需求的高效、经济、灵活的煤炭综合利用技术。1、煤基多联产系统的概述1.1概念煤基多联产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（甲醇、F－T合成燃料、二甲醇、城市煤气、氢气）以及用于工艺过程的热和进行发电等。该系统的概念示意图如下所示：该技术以煤炭气化为“龙头”，将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和多种洁净的二次能源。煤基多联产系统通过气化把两大系统：燃料/化工产品生产系统、动力生产系统统一结合起来进行物质与能量交换，使动力系统达到合理利用能源和低污染排放，又使化工产品或清洁燃料的生产过程低能耗与低成本，是一个实现多领域功能需求和能源资源高增值目标的可持续发展能源利用系统。1.2系统组成典型的多联产系统集成的单元技术，一般包括：合成气制备过程（气化、净化与显热回收单元），混合气分离过程（如空分单元等），甲醇、二甲醚、汽油、柴油等化工产品合成与精馏等过程，以及由燃气轮机、余热锅炉与汽轮机等热功转换过程，或和燃料电池等直接发电过程组成。1.3技术特点煤基多联产系统的核心就是强调系统内物质交换和能量转换过程的有机耦合、优化与集成，从而使得系统具有灵活的产品和原料系统。该技术解决了燃料和电独立生产时效率低、产品制造成本高的问题，在系统内部控制污染，具有高效、洁净、灵活等显著特点。该系统在经济上达到充分的弹性结构，具有非常强的市场竞争力，并且可以弥补正在开发的煤炭发电和利用单项技术（超临界燃煤发电、增压流化床燃烧、煤液化、整体煤气化联合循环、先进燃气轮机和燃料电池等）难以同时满足效率、成本和环境等多方面要求的不足。与常规煤发电和煤基化工相比，煤基多联产技术是一种跨越式发展，并且与氢能利用、削减CO2排放的长远可持续发展目标相融合。2、煤基多联产系统的关键问题煤基多联产系统是一个跨行业，涉及多学科的巨大复杂系统，各个生产过程的物质流、能量流、信息流和价值流相互交叉、耦合，其复杂程度远远超过单个产品的生产。故在开发与应用该系统时难免遇到许多问题，其中关键问题列举如下：2.1系统方面多联产系统的核心就是强调系统内物质交换和能量交换过程的有机耦合、优化与集成，因而从系统工程角度而言，有大量的科学问题有待研究。如：联产系统的优化综合、优化运行、负荷跟踪和控制、灵活系统（燃料、产品）设计等。国内外联产系统的研究发展也表明将联产系统作为一个整体进行系统集成和优化是联产关键技术的重点和前沿，这需要功能强大的计算机软件平台作为支撑。2.2关键单元技术方面（1）气体分离的膜技术在煤炭多联产系统生产的各个阶段需要各种气体的大流量、低能耗、廉价的分离。例如，在用于IGCC的煤气化中，空气中氧和氮的分离，用目前的空分装置生产氧气的费用一般要占整个电厂运行费用的15%-20%。再如，CO2和H2的分离，合成气经蒸汽重整后所得的CO2和H2用金属和非金属（陶瓷）膜加以分离，使之比目前的变压吸附方法降低成本。Vision21已将膜分离技术列为先导技术，正在研究开发大容量、低成本的高温陶瓷膜（离子迁移膜），以代替昂贵的深度冷却空分工艺。（2）各产品新的工艺流程、新型催化剂和催化工程、反应工程从联产系统的效率、效益和环境出发，以上技术都需要有面向新目标的突破。（3）先进的高温、高效燃气轮机21世纪的化石能源和资源的利用均以燃气轮机作为动力生产的关键核心部件，技术进步（先进冷却技术、材料）将使得透平进口温度提高至1500℃以上，同时结合系统的研究，天然气为燃料时，将使系统效率达到60%左右。促使先进燃气轮机在中国的发展和应用也是中国能源工业所面临的重大挑战之一。（4）先进的高温（如固体氧化物SOFC）和低温（质子交换膜PEMFC）燃料电池技术目前，以燃料电池能源公司和Siemens-Westinghouse（Pittsburgh，PA）为代表正在开发熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池系统，这些系统能够在高温下运行，并能与Vision21以高效气化技术为主题的系统有机结合起来。（5）高温除尘脱硫为充分利用从气化炉出来的合成气的显热，不宜采用水激冷的办法，因而高温条件下合成气净化问题成为了一个重要课题。此外，煤炭基多联产系统和合成气的各种其他杂质，包括有害金属化合物的脱除都是一个共性的关键问题。目前，高温除尘多处在实验室与中试规模，进入示范应用的有陶瓷过滤器和陶瓷阻隔过滤器，而高温干式脱硫以循环可再生金属氧化物吸收剂为研究重点。（6）CO2的处理与应用能源系统中合成气通过蒸汽重整转换成CO2和H2，经膜分离后，所获得的CO2可注入深煤层以强化煤层气的开采，所得到的煤层气用于高效发电。3、煤基多联产系统发展现状3.1国外发展现状自20世纪80年代起，美国、欧盟和日本等国政府分别制定和实施了IGCC和煤炭联产研发计划。1998年，克林顿政府制订了愿景（21Vision）能源工厂发展规划，鼓励煤炭联产系统关键技术的研发。一些国际上著名公司，如BP公司、Texaco公司、GE公司、Shell公司等都在进行煤炭联产系统的研发。2003年初，美国政府宣布开始执行未来电力（FutureGen）项目，2008年初对该项目进行了重组，重点支持IGCC或其他先进燃煤电站。自2004年欧盟开始执行HYPOGEN项目，该项目以建成煤气化为基础，生产电力和氢并进行CO2分离和处理的近零排放电站为目标德国提出了COORETEC计划，旨在研究开发以化石燃料为基础的近零排放发电技术。日本于1993年在“新能源产业技术综合开发机构”（NEDO）内设立“洁净煤技术中心”（CCTC）制订了阳光计划。日本新能源开发机构于1998年提出了以煤气化净化、燃气发电和燃料电池发电为主要内容的EAGLE多联产计划。3.2国内发展现状国内研究所和大学与国际同步，在20世纪末开始了现代意义上的煤炭多产品联产概念的探索，并已开始进行系统研究和相关单项技术的研究开发。国家中长期科技发展规划研究提出，“将多联产技术作为能源科技发展的战略重点方向之一”。煤气化、煤制油、燃气轮机等多项单元技术已被列入国家“973”、“863”计划。有关科研单位和企业分别提出了符合各自发展特点的多联产工艺路线，有的已经开始进行系统集成研究。中科院工程热物理研究所在国家863计划和中科院知识创新工程重大项目的支持下，与山东兖矿集团合作进行76MW发电和年产24万吨甲醇煤气化合成甲醇、联合循环发电部分联产示范工程的建设，该项工程的流程示意图如下所示：华能集团公司、神华集团公司等大型企业已经制定了多联产发展规划，计划到2015年前后实现初级系统的工业应用，并逐步向先进系统发展。其中，中国华能集团公司处积极探索参加FutureGen国际合作项目的可能外，还对比美国“未来电力”项目提出了“绿色煤电”计划。4、对我国发展煤基多联产技术的建议4.1因地制宜，合理选择技术路线根据我国能源的供需特点，将发展煤化工、生产液体燃料和实现洁净发电共同作为多联产的发展方向。具体技术路线的选择，应由企业根据国家导向、所在地区条件、煤种煤质、产品市场等情况自行确定。4.2加强规划，完善政策加强多联产发展的整体规划，做好科技规划与产业规划的衔接、产业规划与配套政策的衔接，同步推进初级系统产业化和先进系统的技术研发。4.3启动示范工程，加强技术攻关建议成立国家多联产技术研究中心，集中优势科研力量，对关键技术、系统技术和专属性技术进行攻关。4.4加强领导，快速发展5、结束语以煤为主并且在相当才时间内难以根本改变的能源结构决定中国必须高效洁净利用煤炭资源。从电力和优质燃料两方面的重大需求和国内外煤基多联产技术发展状况来看，煤基多联产系统显然是未来洁净煤发展的主流趋势。多联产能源系统是综合解决我国21世纪面临的能源问题的重要途径，具有十分重要的现实意义。6、参考文献[1]蔡瑞贤，金红光，林汝谋.21世纪100个交叉科学难题-能源动力系统与环境协调相容的难题[M].北京：科学出版社，2005.[2]倪维斗，李政，薛元.以煤气化为核心的多联产能源系统[J].中国工程科学，2002，2（8）：59-68.[3]周怀祖，刘红艳，王应时，赵丽凤.煤基洁净高效多产品联合生产系统.中美清洁能源技术论坛论文集.北京，2011.[4]肖云汗.21世纪能源系统——中国能源利用与环境[J].华北电力大学学报，2000（27增刊）：20-23.洁净煤技术综述性学术论文姓名：蒋慧班级：化工09-2班学号：21098284班级序号：19指导老师：王月伦2011年10月