20090328倪维斗院士达州报告

以煤气化为核心的多联产系统倪维斗中国工程院院士清华大学清华-BP清洁能源研究与教育中心指导委员会主席中国教育部科学技术委员会主任2020年7月1内容能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向——多联产煤炭现代化利用战略的意义2内容能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向——多联产煤炭现代化利用战略的意义3世界能源领域面临的挑战如果按照目前的燃料应用趋势（按照常规情景）,我们将在耗尽化石燃料之前先耗尽“大气”。恐怖主义不会威胁到高科技生活方式下我们的生存能力，但是能源会。人类活动所引起的气候变化将抵消所有我们在防治疾病、减少贫困、防止战争和保持生物多样性等方面所做的所有努力。4中国在能源领域面临的五大严峻挑战总量需求的巨大压力2000~2020年，GDP翻两番，能源需求翻一番，要求能源弹性系数为0.5；而最近3年，这个系数为1.3以上。发展中高能耗重化阶段不可逾越。液体燃料短缺环境污染严重温室气体排放90年代——30亿吨/年2008年——60亿吨/年农村能源供应城镇人口平均用能是农村人口的3.5倍5内容能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向——多联产煤炭现代化利用战略的意义6我国能源需求前景分析——Ⅰ方案2010年2020年2030年2050年情景假设国务院发展常规发展方案21.332.8基准情景研究中心稳妥发展方案20.628.940适当调整有关政策（2003年）积极推进方案18.624.6能源环境强制政策清华大学积极推进方案14.82334.2高效政策方案（2003年）常规发展方案23.331.139.549.4基准方案中国工程院（2004）29~3237.246综合方案IEA，世界能源展望2007高速增长方案56.968.1基准情景方案政策推进方案47.954.8变化情景低增长方案26.742.246.5低增长情景能源研究所（2004年）30354250中国可再生能源发展战略研究推荐方案30.0±1.035.0±1.042.0±2.050.0±2.0亿吨标准煤Ⅰ来源：中国可再生能源发展战略研究，中国工程院咨询研究项目，20087可再生能源的发展趋势——Ⅰ（中间方案）0200400600800100012001400160018002006202020302050百万tce交通燃料固体颗粒地热热利用太阳能热水器供气（沼气等）生物质发电光伏发电风力发电87654321水电98765432197.6%17.6%34.1%24.635425224.5%可再生能源供应量总能源需求/亿tce1.886.1710.317.18可再生能源的发展趋势——Ⅰ（常规方案）02004006008001000120014002006202020302050百万tce交通燃料固体颗粒地热热利用太阳能热水器供气（沼气等）生物质发电光伏发电风力发电水电24.6354252可再生能源供应量总能源需求/亿tce1.875.428.6113.27.6%15.5%20.5%26.4%9中国石油需求预测——Ⅰ国内外不同机构对中国石油需求预测012345678920052010201520202025203020352040204520502055IEAEIA工程院能源办亿吨我国原油产量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！10天然气需求预测——Ⅰ01000200030004000500060002020203020402050年份亿方自产进口11一次能源消费预测——Ⅰ（中间方案）01020304050602006202020302050亿吨标准煤可再生能源核电天然气石油煤炭6.4%0.8%3.0%20.4%69.4%17.6%4.6%10.9%22.4%44.5%24.5%11.0%13.6%22.8%28.1%32.8%13.3%12.5%20.9%20.5%2050能源消费总量：52亿tce2005-2050总煤耗量：455亿tce12一次能源消费预测——Ⅰ（中间方案）2050能源消费总量：63亿tce0102030405060702006202020302050亿吨标准煤6.4%0.8%3.0%20.4%69.4%可再生能源核电天然气石油煤炭26.9%10.9%10.3%17.1%34.9%19.5%8.8%10.9%18.2%42.7%14.3%3.8%8.8%18.3%54.8%2005-2050总煤耗量：733亿tce13一次能源消费预测——Ⅰ（常规方案）2050能源消费总量：52亿tce2005-2050总煤耗量：590亿tce01020304050602006202020302050亿吨标准煤可再生能源核电天然气石油煤炭6.4%0.8%20.4%3.0%69.4%15.5%4.6%22.4%10.9%46.6%20.5%11.0%22.8%13.6%32.1%25.4%13.3%20.9%12.5%27.9%14一次能源消费预测——Ⅰ（常规方案）0102030405060702006202020302050亿吨标准煤6.4%0.8%20.4%3.0%69.4%12.6%3.8%18.3%8.8%56.5%16.4%8.8%18.2%10.9%45.9%20.8%10.9%17.1%10.3%40.9%可再生能源核电天然气石油煤炭2050能源消费总量：63亿tce2005-2050总煤耗量：793亿tce15一次能源消费预测——Ⅱ010203040506070200520102020203020402050亿吨标准煤其它可再生能源可再生发电水电核电天然气石油煤炭20.7%68.9%2.9%1.9%6.3%1.9%7.1%20.6%59.3%5.2%3.1%6.5%4.3%8.0%20.1%52.9%7.2%6.2%5.2%9.9%9.4%18.2%43.9%Ⅱ来源：替代能源研究，国务院能源办公室，20072050能源消费总量：63亿tce2005-2050总煤耗量：1158亿tce16电力预测——Ⅱ0246810122010202020302050万亿kWh太阳能生物质能风电抽蓄及其它蓄能元件水电核电燃气煤电13.1%1.7%1.7%82.4%13.6%4.1%1.9%76.2%4.0%13.7%9.0%2.3%68.2%2.5%1.8%8.1%-0.1%10.6%20.1%3.5%53.6%2050能源消费总量：63亿tce2005-2050总煤耗量：1158亿tce17煤炭需求预测——Ⅱ54.0%13.2%14.0%5.5%13.3%60.0%13.3%12.7%5.7%8.3%67.6%10.3%10.0%6.8%5.4%71.8%8.5%7.7%8.2%3.8%70.5%7.7%6.9%11.5%3.3%电力钢铁建材化工其他2006年，23.5亿吨2010年，30亿吨2020年，37亿吨2030年，39亿吨2050年，39亿吨2050能源消费总量：63亿tce2005-2050总煤耗量：1158亿tce18煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题020040060080010001200600MW超临界531MWIGCC体积流量(m³/s)05001000150020002500300035004000600MW超临界531MWIGCC质量流量(t/h)处理气体的体积流量对比处理气体的质量流量对比大型燃煤电厂，60万、100万KW等级的机组利用超超临界蒸汽参数，效率43~45%。若采用尾部烟气脱CO2，效率下降11个百分点，即效率变成32~34%。要得到相同的有用点，需要消耗更多的煤，形成恶性循环。烟气流量1141m3/s149℃,1atm合成气流量7m3/s207℃,27.2atm烟气流量3493t/h149℃,1atm合成气流量363t/h207℃,27.2atm19不可改变的事实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。20不可改变的事实（续）车用液体燃料短缺根本上还得从煤基替代燃料上找出路。石油缺口：2007年1.79亿吨，2010年2.5亿吨粮食乙醇：生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一部分液体燃料短缺问题。煤基替代燃料煤炭对我国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，生产几千万吨的替代燃料，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成为我国能源发展的战略方向。21不可改变的事实（续）再生能源在2020年前不可能解决主要问题风电：装机1亿kW，折合满负荷2500小时，约为火电的1/3，相当于火电3300万kW，是9.5亿kW总装机容量的3.5%。太阳能：热发电最多几万kW示范，光伏发电，不会比风电多。生物质能：可利用的农作物秸秆3亿吨标煤，可利用的森林3亿吨标煤，总量相当有限。不同于国外大农场，绝大部分生物质资源是高度分散的(中国小农经济)。人均耕地少，人均秸秆占有量少。绝对不能照搬外国的做法。由于我国能源消费总量的急剧增长，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前可再生能源在份额上不能解决我国能源的主要问题。资源和环保呼唤煤的现代化利用！22内容能源领域面临的挑战不可改变的事实煤炭现代化利用战略方向——多联产煤炭现代化利用战略的意义23出路何在？除了加速发展核电和可再生能源以外；煤炭利用的可持续发展或现代化的煤炭利用技术（非直接燃烧方式）；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。这就是:多联产24整体煤气化联合循环（IGCC）25多联产系统的简单阐释：一次通过法制甲醇特点：1、动力/化工过程耦合2、两个过程均简化3、经济性/可靠性提高原因：联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，可以简化系统，降低投资和运行成本，提高系统可靠性SlurryBedSynthesisMeOH/DME26并联联产系统变负荷特性案例分析气化+空分甲醇合成反应器GTCC脱硫电力脱硫脱碳煤精馏甲醇蒸汽氮气空气中压蒸汽循环比Xre变换合成气1-γγ驰放气空气分流比=去发电单元的合成气/总合成气量通过调节分流比调节发电单元和合成单元的负荷分配来实现要求的发电负荷271015202530354045505560657075800.0设计分流比0系统设计甲醇输出PmsdEe=250MWEe=300MWEe=400MWEe=500MW0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.40.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0设计动化比0合成单元容量盈余度0.0000.0250.0500.0750.1000.1250.1500.1750.2000.2250.2500.2750.3000.325合成单元额定甲醇输出PmcdPmsd=20Pmsd=30Pmsd=40Pmsd=50Pmsd=60πemin=70%πemin=80%πemin=75%πemin=60%万吨/年（S1，S2，S3）（S1，S2，S3）S1S2S3S1S2S3万吨/年Ee：发电单元总功率输出πemin：发电单元最低负荷电力、甲醇并联联产系统设计：30万t甲醇/a和250MW发电量（总功率）的系统S1电网要求其最低稳定运行发电负荷为80%设计分流比0.6设计动化比1.2盈余度11%合成单元额定容量33.3万/a28串联联产系统变负荷特性案例分析气化+空分甲醇合成反应器G