煤炭能源及太阳能

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煤炭能源利用技术 报告人：郭占成 北京科技大学特聘教授　中国科学院过程工程研究所研究员 我国能源情况简介 Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ 比例　Ｒａｔｉｏ　０．８　０．６　０．４　０．２　０　１８５０　天然气　ＮＧ　核能　ｎｕｃｌｅａｒ　太阳能　ｓｏｌａｒ　２０５０　２１００　ｙｅａｒ　年份 ｗｏｏｄ　木材 煤炭　ｃｏａｌ ｏｉｌ　石油 ＮＧ－ｈｙｄｒａｔｅ　水合物 ｃｏａｌ　→　ｏｉｌ　→　ＮＧ　Ｃｏａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　→　ｏｉｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　→　ＮＧ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｃｏａｌ：Ｈ／Ｃ　～　０．８／１　ｏｉｌ　：　Ｈ／Ｃ　～　２／１ ＮＧ：　Ｈ／Ｃ　＝　４／１ １９００ １９５０ ２０００ Ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｍａｉｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ 世界人均能源消费 能源消费水平　（吨标煤／人年）　中国：　世界：　美国：　ＯＥＣＤ：　中国　一次能源效率　１．０　２．１　１１．７　６．８　３３％ 发达国　４３％ 按目前的技术水平和产业结构发展，人均　万美元时　万美元时，　按目前的技术水平和产业结构发展，人均１万美元时，　能源缺口２０亿吨标煤　能源缺口　亿吨标煤　亿吨　能源供应已成为国民经济发展的瓶颈－－“节能优先”　能源供应已成为国民经济发展的瓶颈－－“节能优先”　－－ －能源结构特征 水电　天然气　９％　７％　石油　２０％ 煤炭是中国能源的主导 ２００４年：１９亿吨，　６７％　２０２０年：２５亿吨，　６０％ 我国以煤为主的能源结构　长期不会改变 煤　６４％ ２０１０年　２０１０年　一次能源构成 ７０．０％　６０．０％ 能源结构　Ｐｅｒｃｅｎｔ ５０．０％　４０．０％　３０．０％　２０．０％　１０．０％　０．０％ 石油　ｏｉｌ 天然气　ＮＧ 煤炭　水　／　核电　ｃｏａｌ　ｏｔｈｅｒｓ ｗｏｒｌｄ Ｃｈｉｎａ ５ 中国工业能源消费情况 工业能源消费占总能源消费的７０％左右　左右　工业能源消费占总能源消费的　冶金、化工、　冶金、化工、建材是节能减排的重点 ３０．４％　２３．５％ １０％　钢　铁 １０．６％　６％ 冶金 化工 交通 建材 能源　开采 －国家需求（１）　国家需求（ ８０％的煤直接燃烧　８０％的煤直接燃烧 提高能效　要求　降低污染 ７０％的烟尘、９０％的ＳＯ２，　６７％的ＮＯＸ，８２％酸雨　污染造成的经济（健康）　损失占ＧＤＰ的７％左右 能源效率低、　能源效率低、环境污染重阻碍着我国经济的可持续发展　７ －国家需求（２）　国家需求（ 石油依赖进口 ３３％ ２００３年，３０％左右　２０２０年：６０－７０％ 能源供给安全隐患 中国原油生产与消费量 迫切要求解决石油缺口和能源安全保障问题　８ －国家需求（３）　国家需求（ 电力供应紧张 预计２０２０年我国用电量增加到４８０００亿度，　需要年增长５－６％　虽然水电、核电、风力发电总量在增加，　但火力发电也需持续增加，　７５％左右的电力要燃煤火电厂提供，　电力结构不会发生根本性转变。

９ 煤的多联产是解决我国能源问题的最佳技术途径 满足能源需求：　满足能源需求：油、电　提高能源效率　煤的多联产　降低环境污染、减少ＣＯ２排放　降低环境污染、减少　提高经济效益 没有任何一个单一过程可同时满足煤炭的高效、　没有任何一个单一过程可同时满足煤炭的高效、　洁净和经济利用　１０ 做什么样的多联产？　做什么样的多联产？ －出发点 共性：高效、洁净 出发点 国情 １．　重要产品需求：液态燃料、电　２．　煤种可获得性及煤种多样性　３．　技术经济性　４．　为氢能制备留有发展余地　５．　为ＣＯ２处理留有发展余地 １１ 现有单元技术能否满足多联产？　技术　可以　技术经济性差　经济　不满足 需要符合多联产要求的单元技术 １２ 煤炭直接燃烧技术 链条炉锅炉 块煤，原料价格高，转换效率低 煤粉炉锅炉 粉煤，磨粉成本高，转换效率高 循环流化床锅炉 原煤，原料成本低，转换效率高、污染小 煤化工　液体燃料合成技术）　（液体燃料合成技术） 直接液化 制氢 煤碳液化 煤炭－液化－分离－蒸馏　－油品加工－油品　间接液化　煤炭－气化－变换－净化　－合成－液体燃料　甲醇、二甲醚、油品 直接液化 煤种适应性　反应条件　油品特点　设备材料要求　技术成熟度　工业化情况　差　４３５－４４５ｏＣ　杂链烃为主　材料要求高　设备需进口　小规模试验　小规模试验 间接液化 强　２５０－３５０ｏＣ　直链烃为主　材料要求低　设备可国产　工业性试验　国内技术：Ｋ吨级　国外技术：工业生产 －煤化工主工产品 合成气 甲醇　Ｈ　２　／ＣＯ＝２ 二甲醚　Ｈ　２　／ＣＯ＝２ 液体燃料　Ｈ　２　／ＣＯ＝２ 乙烯　Ｈ　２　／ＣＯ＝２ 乙醛　Ｈ　２　／ＣＯ＝２ 醋酸　Ｈ　２　／ＣＯ＝１ 乙二醇　Ｈ　２　／ＣＯ＝１．５ 各产品对应的适宜合成气组成　２０ －煤制合成气 １．煤的入口；２．　煤的闭锁室；３．　在冷却水套　发生的蒸汽的出口；４．　配煤器驱动装置；　５．　配煤器；６．　煤气出口；７．　洗涤冷却器；　８．　清洗后的煤气出口；９．　配煤叶片；１０．　旋转　炉排；１１．　旋转炉排的驱动装置；１２．　冷却水　套；１３．　气化剂入口；１４．　渣的闭锁室；１５．　渣　的排出口 １．　煤的闭锁斗；２．　配煤器与搅动器；３．　隔　热衬套：４．　水套：５．　压力壳；６．　渣的淬冷　器；７．　渣的闭锁斗；８．　循环的淬冷用水；　９．　渣口；１０．　风口；１１．　蒸汽／Ｏ２的入口；　１２．　煤气出口；１３．　煤气淬冷器；１４．　驱动　器 固态排渣Ｌｕｒｇｉ炉 液态排渣Ｌｕｒｇｉ炉 ２１ －煤制合成气 德士古水煤浆气化炉 煤粉循环流化床气化炉 ２２ －天然气制合成气 工艺天然气　水蒸汽　燃料天然气　燃料　天然气 火焰 转化　反应管　合成气 管式炉结构示意图 ２３ －煤与天然气共气化制合成气 Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｕｅｌ Ｃｏａｌ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ：　６０－６５％　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｓｔ：　－５０％　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ：　０．６４　（Ｓｈｅｌｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ）　Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ　Ｓｈｉｆｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ：　－５０％　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｓｔ：　６０－６５％　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ：　０．４２　（ｓｔｅａｍ　ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ） Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｇａｓ　（ＣＯ＋Ｈ２）　Ｌｉｑｕｉｄ　ｆｕｅｌ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　Ｂａｓｅ Ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ　ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　＝　ＣＯ＋３Ｈ２　Ｈ２／ＣＯ＝３　（ｈｉｇｈｅｒ）　１０００ｍ３　Ｉｎｐｕｔ　ｈｅａｔ　３５００　ＭＪ　Ｈ２　Ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｃ１０Ｈ８＋５Ｏ２　＝　１０ＣＯ＋４Ｈ２　Ｈ２／ＣＯ＝０．４　（ｌｏｗｅｒ）　１０００ｍ３　Ｏｕｔｐｕｔ　ｈｅａｔ　３０００　ＭＪ Ｈｅａｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏ　ｓｙｎ－ｇａｓ　Ｈ２／ＣＯ＝１－２　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ａｕｔｏ－ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：　ｃｏａｌ　ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ Ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗａｙ ｗａｙ Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ　Ｃｏｎｓ．　ｆｏｒ　１０００ｍ３　（ＣＯ＋Ｈ２）　Ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ：　４２０　ｓｔｅａｍ：　２４０　ｋｇ　ｍ３　１３　ＧＪ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｍｐ．　ｏｆ　ｓｙｎｇａｓ Ｈ２：　７２．４％　ＣＯ：　２３．５％　ＣＨ４：　３．１％　ＣＯ２：　０．５％　Ｎ２：　０．４％　Ｈ２：　３０．１％　ＣＯ：　６０．２％　ＣＨ４：　０．１％　ＣＯ２：　１．６％　Ｎ２：　３．６％　Ｈ２：　５１．６％　ＣＯ：　４３．４％　ＣＨ４：　１．０％　ＣＯ２：　１．０％　Ｎ２：　２．０％ Ｈ２／ＣＯ ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ ３．１ ０．４２ Ｃｏａｌ　Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ （Ｓｈｅｌｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ） ｃｏａｌ：　５２０　ｋｇ　ｏｘｙｇｅｎ：　３００　ｍ３　ｓｔｅａｍ：　１４　ｋｇ　２００　ｋｇ　２２０　ｍ３　２２０　ｍ３　１９０　ｋｇ １８　ＧＪ ０．５ ０．６４ ｃｏａｌ：　Ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ：　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｇａｓ　ｏｘｙｇｅｎ：　Ｃｏ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｓｔｅａｍ： １４　ＧＪ １．２ ０．３１ Ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｏ－ｃｏｎｖｅｒｓｅ Ｒａｗ　ｓｙｎｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１　ｂｙ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　Ｂｅｄ ｂｅｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ＩＣＣ，　ＣＡＳ Ｃｏａｌ Ａｉｒ　Ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　Ａｉｒ＋Ｓｔｅａｍ Ａｓｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２　ｂｙ　Ｂｌａｓｔ　Ｆｕｒｎａｃｅ ｂｅｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ＩＰＥ，　ＣＡＳ Ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　Ｃｏ－ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂｙ　２０ｍ３／ｈ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ １００　２．４ Ｈ２＋ＣＯ ２．２　９０　２．０　１．８　１．６　１．４　１．２　１．０ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（Ｖｏｌ．％） ８０ Ｈ２／ＣＯ　ｏｆ　Ｃａｌ． ６０　８　６　４　２　０　０．８　１．０　１．２　１．４　１．６　１．８ Ｈ２／ＣＯ ＣＨ４ ０．８　０．６ ２．０ ＣＨ４／Ｏ２（Ｈ２Ｏ／Ｏ２＝０．１７） Ｈ２／ＣＯ ７０ ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ　ｃｏａｌ　ｌｅａｎ　ｃｏａｌ　ｆａｔ　ｃｏａｌ　ｃｏｋｅ Ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｃｏ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｗａｙ Ｌｏｗ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｂｙ　ｓｈｏｒｔｉｎｇ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｓｙｎ－ｇａｓ　ｂｙ　ｌｅｓｓ　ＮＧ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｓａｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｂｙ　ｔｈｅｒｍｏ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｒｅｄｕｃｅ　ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ａｖｏｉｄ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ＣＯＧ，　ＣＢＧ　ａｌｓｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ＮＧ －燃料合成 气相产品 水蒸气 ．　……　．　……　．．　．　．　．．　．　．　．　……　．　．．　．　．． 浆态床　锅炉进水　石蜡（液相产品）　气体分配器 合成气入口 固定床反应器示意图 浆态床反应器示意图　３０ ３１ …． ３２ …． ３３ －煤转化过程分析　１、煤发电的效率分析　、 煤发电方式　主要能级转化途径　效率 煤　蒸汽轮机 电　化学能 热能 电能 ￣　４０％　％ 煤 ＩＧＣＣ 化学能、　电　化学能　化学能、热能　电　化学能　化学能 电能 ￣　４５％　％ 煤 多联产 电能 ￣６０％　％ 煤中的化学能转化为电能的过程中，能量转化的方式不同，　煤中的化学能转化为电能的过程中，能量转化的方式不同，　其效率不同。