以煤气化为基础的多联产技术创新

★本刊特稿★以煤气化为基础的多联产技术创新肖云汉(中国科学院先进能源动力重点实验室，北京市海淀区北四环西路12号，100190)摘要分析了我国煤电油化对IGCC/联产的重大需求，国内外IGCC/联产发展的历程、现状与趋势。介绍了“十一五”863计划重大项目“以煤气化为基础的多联产示范工程”，该项目以我国能源企业要建设的IGCC及联产工程为依托，将完成大型煤气化、合成气低污染重型燃气轮机改进、液体产品合成、系统优化集成及设计、运行及控制等关键技术的研发、验证，液体产品联产电、IGCC等典型系统的试验和示范。最后，对我国IGCC/联产的技术路线和前景进行了展望。关键词煤炭IGCC联产研发示范中图分类号TQ54文献标识码ACoal Gasification Based Co- production Technology InnovationXiao Y unhan,(Bureau of High- Technology Research and Development, Chinese Academyof Sciences, beisihuanxilu 12, haidian distrit, Beiing, 100190)Abstract This paper analyzes the great demand for IGCC/ co一production based on the rapid growth in coal,power, oil, chemical production, consumption & demand and related problems caused by them in China, summari-zes the progress of IGCC/Co- production in the world and the evolution in China, and introduces the Key Project of863 program “IGCC and Co - Production Demonstration Engineering"(2006 - 2010). The project will independentlyresearch and develop key technologies of IGCC/co- production, including large scale coal gasificaion, syngas firedheavy duty gas turbine, liquids synthesis, system integration and optimization, and plant operation & control tech-nologies. These technologies will be validated and demonstrated with IGCC and co- production demonstration plantswhich will be built by energy companies. Finally, the paper gives the prospect for the development of coal gasifica-tion- based IGCC and co- production technologies in China.Key words Coal IGCC Co- production R&D Demonstration煤炭消费量占一次能源消费总量的比例仍将达到1 IGCC/联产是洁净煤利用技术发展的方向52. 9%,以煤为主的一次能源格局在本世纪上半叶我国的一次能源以煤为主。煤炭在中国化石能很难改变。源剩余可采总储量中比例达92. 6%，相对丰富和电力消费水平是一个国家现代化水平的重要标廉价。而石油和天然气都比较紧缺。2007 年我国志之一，我国的电力主要依赖于以燃煤发电为主的原煤产量为25.2亿t，占一次能源生产总量的火电。2007 年，我国发电装机容量达到7.1亿76.7%;原煤消费量为25.8亿t，占一次能源消费kW,其中火电(主要为煤电)装机容量为5.5亿总量的69.5%。我国政府已经开始采取积极的措kW，占总装机容量的77.7%;全国发电量3. 26施，争取在今后30~50年内增加非化石能源的开亿kWh,其中火力发电量2.7亿kWh,火力发电发利用，逐步降低煤炭在生产和消费结构中的比量占中国煤化工于火力发电的电煤例，但我国的煤炭消费总量还将增长，预计到为HCNMHG%.我国人均用电2030年，在大力发展“低碳能源经济”的情景下，量约为2480 kWh,仅为世界平均水平的一半左1右。要实现我国社会经济的发展目标，电力需求必以煤为主的高效洁净能源动力系统的重要技术选择将快速增长，预计到2030年，我国煤电发电量仍方向。同时，以IGCC发电技术为基础，可方便地将占总发电量的68.2%，新增的大部分煤炭将用实现电能和液体燃料、化学品的联合生产，将煤的于发电。单一利用模式发展成为综合利用模式，从单-能源随着我国经济社会的快速发展，在电力儒求增企业发展成为综合能源企业，达到煤炭高效、洁加的同时，对石油及化工产品的需求也会迅速增净、经济的利用。从长远发展来看，煤化工的发展长。自1993年从石油净出口国变为净进口国以来，应该与发电相结合，即发展煤气化联产系统，可提石油进口急剧增加，进口依存度不断提高。2007高系统总能利用效率、降低投资、减少污染，实现年我国原油表观消费量达到3.46亿t,净进口原油电、燃料/原料、化工品的联产。IGCC 技术既可1.59亿t，对进口原油的依存度达46%，预计到方便地走向多联产，也是迈向CO2近零排放的最2030年可达到80%.随着技术、经济的发展和市经济、现实的燃煤发电技术，是未来洁净煤利用技场的巨大需求，新型煤化工在我国正面临新的发展术发展的主要方向。机遇和长远的发展前景，煤制甲醇、二甲醚、烯IGCC/联产是在现有能源利用技术基础上的-一烃、油品等石油替代产品将成为煤化工产业发展的次本质飞跃和提升，是近期可实现、未来可发展的主要推动力和缓解石油供需矛盾的重要手段。新型能源系统，对于促进我国能源与环境协调发目前我国煤炭利用的方式主要是直接燃烧，不展，维护国家能源安全，实现能源装备业的自主创仅能源利用效率低，而且污染排放量大。煤炭燃烧新，满足国民经济快速稳定发展的需要都具有重要排放的污染物是中国大气污染物的主要来源，占各的战略意义。类污染物总排放的比例是: SO2为90%、NO2为2国外IGCC/联产发展的现状及趋势67%、烟尘为70%、CO2 为70%，重金属以及可吸入颗粒物的污染也日益受到关注。在温室气体排自20世纪80年代起，美国、欧盟和日本等国放方面，我国目前燃料燃烧CO2排放量仅次于美政府分别制定和实施了IGCC和煤炭联产研究、发国居世界第2位，根据国际能源署预测，2004一展和示范的国家计划。2030年，中国的COr排放量将从47.7亿t上升到1985-2000年，美国先后部署了5轮“洁净104.2亿t,其中来自煤炭的比例分别为81.7%和煤发展计划”(CCT)， 其中先后资助建成了4座78.3%，未来-一个时期内，我国能源的发展将面临IGCC示范电站，总投资21.7亿美元，占该计划全球温室气体减排的巨大压力。总投资的31%.为了低成本地消除电力和交通运总之，同时解决能源规模、效率和环保问题是输部门利用化石能源而带来的环境问题，克林顿政未来中国能源体系建设面临的重大挑战。能源消费府制定了愿景(Vision) 21能源工厂发展规划，总量的快速增长，能源转换效率的低下，以及在能IGCC和联产是其中的重要内容:在2015年实现.源生产、转换和使用中带来的环境污染、生态系统基于煤气化的燃气轮机发电、车用液体燃料和化工破坏等问题，已成为中国社会和经济发展的巨大障产品的联产。2002 年实施了CCPI (Clean Coal碍。随着全球变暖的加剧，在减少COr排放方面，Power Initiative) 计划，历时10年安排4轮项目，中国也面临着越来越大的国际压力。资源与环境的总投资达20亿美元。在第一轮项目中有41 MW约束决定了高效、洁净的煤炭发电技术和煤炭转化发电和5000桶油/d的联产示范工程。在第二轮项技术是未来我国能源体系的重大需求。目中有采用输运床气化技术和通用公司燃气轮机的以整体煤气化联合循环(IGCC) 为代表的清285 MW IGCC及采用E- Gas气化技术和西门子洁煤发电技术效率高(目前已达43%),排放低燃气轮机的603 MW IGCC示范项目。2003 年初，[S0,<10 mg/m' (标准状态) (@16%O2)， NO,美国政府宣布开始执行未来电力(FutureGen) 项<10 mg/m' (标准状态) (@16%O2)], 具备CO2.目，投资10亿美元，计划10年内建设一座以煤气低成本捕集的条件，并且效率提高潜力大(采用化为中国煤化工，并结合CO2捕H级燃机、高温净化的IGCC系统供电效率可达.集与!YHCNMH G丘零排放的新一代52%以上),被普遍认为是21世纪中国建设大规模清洁能源示范厂。2008 年初该项目进行了重组，12中国煤炭第34卷第11期2008年11月将重点支持多座IGCC或其他先进燃煤电站示范获得更高效率的潜力，到2020年预计可达50%，并CO2捕集与封存技术。另外，美国联邦政府还制且每kW投资预计可与同级别的常规燃煤电站相当。定了税收优惠和贷款保证政策，支持IGCC的发迄今为止，IGCC也是迈向CO2近零排放的最经济、展。截至目前，3个IGCC示范项目享有联邦政府现实的燃煤发电技术，考虑COr捕集后，IGCC的的税收优惠政策，2个IGCC示范项目获得了联邦发电成本比超临界燃煤电站低15%~20%.政府的贷款保证。在技术发展方面，经过20多年的示范与发展，欧盟也十分重视IGCC的发展，自2004 年开.具有高温除尘、更大容量的气化炉、更大容量的燃始执行HYPOGEN项目，该项目以建成煤气化为机(F级)、更高效的形成标准化的第3代IGCC基础、生产电力和氢并进行CO2分离和处理的近正在设计与建设之中。在燃气联合循环快速发展阶零排放电站为目标。该项目从2004年开始，计划段，形成了通用、西门子、三菱等垄断的燃气轮机到2015年完成建设和示范运行，总投资达13亿欧制造商。随着1GCC的需求快速增长，为加强技术元。德国提出了COORETEC (CO, Reduction的整体化，体现IGCC中的“I”， 正在逐步形成垄Technologies for fossil - fired power plants)计划，断的IGCC技术，为此通用收购了德士古(Tex-旨在研究开发以化石燃料为基础的近零排放发电技aco)气化、西门子收购了GSP气化、三菱公司自术。该计划研发和示范的技术重点是提高电站供电主研发气化技术，形成了更为透明的气化分系统、效率的技术和CO,分离与运输技术，主要包括6燃机分系统。同时为了确保发挥IGCC的优良性能，个工作小组，分别是燃气联合循环电站、传统粉煤各制造商与工程公司也结成了联盟，通用与柏克德电站和燃烧后捕集、IGCC 和燃烧前捕集、纯氧燃.公司(Bechtel)、 康菲石油公司(ConocoPhllips) 与烧、CO2封存和叶轮机械。在该计划的支持下，西门子和福陆公司(Fluor)、 壳牌与美国的博莱克德国RWE公司正在筹建-一个包括CO2捕集与封存●威奇国际公司(Black & Veatch) 和德国的克虏伯的lGCC示范电站，该电站功率为450MW,净功●伍德公司(KruppUhde)等形成IGCC电厂的单率为330 W,计划2010年开始建设，2014年投入一供应商，提供工程总承包合同，保证IGCC电站运行，每年捕集260万tCO2。的总体性能，提交交钥匙工程。日本非常重视IGCC的研究开发，走的是一条据统计，目前世界上在建或计划新建的IGCC主要依靠本国技术发展的道路。从煤气化技术到燃.电站有55座，其中以煤为燃料的41座，总装机容气轮机技术，在政府和企业的共同努力下，取得较量12966 MW以上。在美国拟新建的151个煤基电大进展。日本经济产业省(METI) 及新能源和工站(装机容量约90 GW)中，拟采用基于煤气化的业技术发展组织(NEDO) 1998 年提出了以煤气IGCC和联产电站34个(总装机容量约18GW),占化、净化、燃气轮机发电和燃料电池发电、液体燃44%.我国计划基于自主研发技术建设6座，总装料合成为主要内容的EAGLE (Coal Energy Appli-机1490 MW,计划引进的超过10座。cation for Gas, Liquid & Electricity) 联产计划。总之，从国外的最新研究进展和发展趋势来该计划主要发展氧吹喷流床气化炉(EAGLE Gasifi-看，IGCC 正在受到越来越多的关注，经过多年的er) 和研发适合燃料电池应用的合成气净化技术，发展，IGCC技术正在逐步走向大规模的商业示并建成了煤处理量为150 t/d的包括空分、净化和燃范。作为可持续发展的先进洁净煤技术，IGCC 将气轮机的系统中试装置，获得了该计划下一阶段系逐渐成为现代的主流洁净煤发电技术之一，也将是统放大所需要的数据。另一个以煤为燃料的IGCC未来能源系统的核心技术和重要基础。示范电站采用三菱公司吹空气的气流床气化技术，3我国IGCC/联产发展的历程与进展.额定功率为250 MW,已于2008年建成示范。目前，世界上已有6座煤基IGCC示范电站投我国从20世纪70年代末开始IGCC的研究。人运行，其中美国2座、欧洲2座、日本1座，我1979年由原国家科委立项，以原水电部为主，会国1座。由于成本高(投资成本比常规燃煤电站高同原-中国煤化工负责，拟在苏州20%)和可用率(约80%)等问题，煤基IGCC还电厂复YHC NMH G试验电站，其主不具备市场竞争力。但是，IGCC有比常规燃煤电站要任务是进行IGCC技术的原理概念验证，并提供以煤气化为基础的多联产技术创新1攻克技术关键的研发试验平台。但此后由于多种原我国自主研发IGCC技术的信心。因，这一工程中止建设。在“八五”、“九五”、“十4“十- 五”国家科技计划针对发展IGCC/联产五”期间国家对IGCC系统方案分析及系统优化都及其关键技术的部署进行了支持。1996年由美国能源部和当时的国家科委组织.“十一五”期间国家对于发展IGCC及其关键了美中1GCC专家报告，在这个报告中明确提出与技术作出了重大部署，拟在“十五”研发的基础联产结合发展1GCC的思路。1998年中国科学院上，继续推进IGCC系统关键技术进行工程化放大工程热物理研究所开始了发展IGCC和联产的探和深化，并实现集成创新。2006年9月“十一五”索，在国内外发表了一批有影响的研究成果，有些863“以煤气化为基础的多联产示范工程”重大项观点被引用至今。目正式启动，该项目是“十一五”863能源领域第1999年，IGCC 被重新提上议事日程，并在一个启动的重大项目，投入3.5亿元政府资金，以《中国21世纪议程》中向世界宣布，到2000年建我国能源企业投资超过220亿元将建设的IGCC和成装机容量为300~400 MW的IGCC示范电站联产工程为依托，自主研发、验证、示范大型煤气(山东烟台1GCC示范)，由于项目关键技术全部引化、合成气低污染重型燃气轮机、液体产品合成、进、工程造价较高等诸多原因，此项目的进展并不系统优化集成及设计、运行及控制等关键技术及其顺利，至今未能开工建设。集成系统，实现2000 t/d级新型水煤浆气化技术、“十五”期间，国家863计划在洁净煤技术主2000 t/d级干煤粉加压气化技术和600/1800 t/d题决策中支持了IGCC和联产研发及工业示范，部级粉煤加压密相输运床气化技术工业示范，完成署了围绕IGCC和联产发展需要的单项技术研发和40MW和130MW级天然气燃气轮机改烧合成气前沿课题，华东理工大学、兖矿集团和天辰化学工技术，突破10~100万t间接液化合成油技术，在程公司合作研发并示范了1150 t煤/d新型水煤浆珠三角、长三角、环渤海选择3个示范点，应用自气化技术，西安热工研究院建成36t/d干煤粉加压主研发的技术建成4座具有不同技术和区域特点的气化中试装置，由兖矿集团和中科院山西煤化所分120~200 MWe级IGCC电站，并实现商业示范。中别完成了煤炭间接液化技术5000 t级中试和kt级国华电集团公司将在杭州新建200MW级的IGCC中试。电厂;中国华能集团将在天津新建250 MWe IGCC经过长期的研究，在973计划、中国科学院知电厂;东莞电化实业股份有限公司将新建4X 200识创新工程和“十五”863计划的持续支持下，中MWe级IGCC电厂和120MWe级燃油联合循环电科院工程热物理研究所重点针对煤炭联产系统的关厂的燃料更新，依靠IGCC实现煤炭对油的替代:键单元特性、联产系统方案的分析优化和动力核心同时在我国西部煤炭基地由潞安矿业集团和兖矿集技术进行了系统研究，在煤炭联产系统理论研究方团分别建设2套不同技术路线的16万t/a级和100面取得突破性进展，为我国联产系统的发展与应用万t/a级煤间接液化油电联产系统。提供了理论支撑。基本形成了具有自主知识产权的“十一五”期间我国IGCC的发展目标是:完煤炭联产设计技术，提出了优化的IGCC-甲醇联成重大关键技术的研发和示范，建成商业示范的整产系统集成设计方案并在示范工程中得以应用。成体煤气化联合循环电厂，自主研发、验证、示范煤功研发示范了40 MW级中低热值合成气燃气轮机炭联产系统中的重大单项技术和系统集成技术，建燃烧室改造技术。与兖矿集团合作，支撑建成了我设支撑我国煤基高效清洁发电和生产液体产品自主国首座60MWe级IGCC发电和24万t级甲醇/a创新的关键技术研发平台和试验示范基地，形成示范工程，于2006年4月投人商业示范运行，至IGCC及联产关键技术自主研发、工程成套和系统2007年底累计运行超过10000 h,每年可使75万t集成能力，掌握具有自主知识产权和核心竞争力洁环保限采的高硫煤得以利用，创造了巨大的经济和净煤利用技术。“以煤气化为基础的多联产示范工社会效益。这是世界上第6座煤基IGCC电站，实程”， 合成气低污染重现了我国IGCC和联产系统示范零的突破，为型燃中国煤化工设计、运行及控制IGCC和联产系统的长期发展奠定了基础，增强了等关CNMHG14中国煤炭第34卷第11期2008年11月前完全做好近零排放发电大规模应用的技术准备。5我国 IGCC/联产发展展望为了实现上述目标，需要进一步重点研发先进大型对于IGCC/联产这样一个对国家能源全局向煤气化技术，以合成气、氢为燃料的更高参数重型题有所贡献的系统，从科技发展的本身来说存在着燃气轮机技术，系统优化集成技术，CO2 捕集与很好的机遇，但是也存在着很多挑战，需要解决新分离等关键技术。同时，根据国家和企业的需求研的技术上、体制上和政策上的很多问题。围绕着这发并示范基于IGCC的联产技术，包括将IGCC与些问题，包括科技发展和产业发展，已经完成了基冶金过程结合，可以通过煤气化与无焦炭炼铁的-一于煤炭气化的IGCC和多联产的优势、障碍和对策体化，实现冶金工业的节能减排;与发电联合生产的分析研究报告。另外在科技部和中科院的支持天然气、化学品和液体燃料，通过联产系统中物质下，已完成了中国发展煤气化联产的路线图研究。转化和能量转换的有机融合大幅度提高能效，增加在这个过程中，科技界和产业界逐步形成了共识，系统的灵活性和产品的多样性，减轻我国对进口石即对于IGCC和联产这样系统级的创新，必须分步油的依赖，保障能源安全。骤、分阶段发展，早期集成比较成熟的单元技术，我国IGCC和联产系统的总体发展目标是:形在第2个阶段突破专属性的重大技术问题，最后实成具有自主知识产权和核心竞争力的洁净煤技术现零排放。群，支持我国能源装备业的发展，降低IGCC系统国内科技界、产业界对IGCC和联产的重要性造价，为电力工业提供经济上可承受的跨越式发展已经形成高度共识，国家中长期发展规划战略研究.解决方案，实现煤炭高效洁净综合利用。通过中“战略高技术”、“基础科学”和“能源、资源与IGCC/联产技术的自主研发推动能源装备制造业的海洋”等专题都将IGCC和煤炭联产科学和技术列自主发展，以自主创新的能源技术带动相关装备制为能源科技发展的战略重点研究方向之一。《国家造业的发展，逐步实现以我国自主能源高技术装备中长期科学和技术发展规划纲要(2006 一2020能源装备制造业，促进电力、煤炭、化工行业实现年)》在优先主题“煤的清洁高效开发利用、液化产业升级，以自主装备实现我国煤炭利用高效率、及多联产”中指出重点研究开发的技术与装备包括低污染的战略目标，消除煤炭利用面临的效率、环“煤炭高效开采技术及配套装备，重型燃气轮机,境以及考虑环境造成的经济障碍，支撑我国经济社整体煤气化联合循环(IGCC)” 等。为贯彻实施会的可持续发展。从而使IGCC和联产成为解决我《纲要》，科技部、发改委等8部委共同制定了《我国能源问题的，经济上可承受的，高效、洁净、综国应掌握自主知识产权的关键技术和产品目录》，合利用及近零排放的解决方案。“整体煤气化燃气一蒸汽联合循环发电机组设计和(在本文的撰写过程中得到中国科学院先进能制造”、“以煤气化为基础的多联产技术”和“重型源动力重点实验室雷宇、赵丽凤等研究团队同志的燃气轮机”在“煤的高效清洁利用技术”中明确列协助，特此感谢!)为应掌握的关键技术和产品。根据已完成的我国发展IGCC优势、障碍与对参考文献:策研究和IGCC技术发展路线图，我国IGCC和联[1] 中国统计年鉴2008, 国家统计局，2008产技术发展的阶段目标是:“十一五”期间实现重[2] 王家減，赵志林主编.中国能源发展报告(2001) .大专属技术实现突破，在完成3座具有不同技术和北京:中国计量出版社2001区域特点的120~200MWe级IGCC示范电站和2[3] IEA. World Energy Outlook 2006.[4]Vision 21 Program Plan - Clean Energy Plants for套建设的基础上，到2015年建成至少3座不同类the 2lst Century, Federal Energy Technology Center Office型的煤炭气化联产典型系统，IGCC 发电达到400of Fossil Energy. U. s. Department of Energy, 1999.MWe级，联产规模达到100万t级燃料和化学品，[5]Joseph P. Strakey, Vision 21 Advanced Power Plants for并实现零排放氢电联产系统的中试;到2020年the中国煤化工Power and Environ-IGCC装机容量争取达到20~100 GW,合成油及mentwn, WV, 1998.化学品实现每年替代5500万t原油，实现氢电联[6]YHCN M H Give Program Facts,产的CO2和污染物近零排放电厂示范。在2030年www. netL. doe gov/ coal/ cpi/ index html.(下转第43页)以煤气化为基础的多联产技术创新15些都需要先进技术的支撑。努力提高煤炭资源的开源,2007(7)发应用技术、综合回收利用技术，需要政府政策的[7] 曲福田。资源经济学[M].北京:中国农业出版社, .2001(7)引导和财政上的支持，也需要鼓励科研单位与大型.[8] 原振雷,冯进城,薛良伟.矿产资源开发利用的经济学煤炭企业的联合，促进科研和生产相结合。特性及其优化配置[J].中国矿业,2006(4)[9] 马中.环境与资源经济学[M].北京:高等教育出版参考文献:社,1999[1] 江一佛。国外在煤炭方面的技术[J].建材工业信息，.[10]中华人民共 和国国家统计局。中国统计年鉴1996(20)[11] Alan Randall. Resource ecomomics An economic ap-[2]杨鉴淞. 煤炭资源可持续利用制度的经济学分析[].proach to natural resource and environmental policy [M]中国煤炭,2006(10). Columbus. 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