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IGCC与煤气化多联产的战略思考IGCC与煤气化多联产的战略思考 Strategic thinking of IGCC and Polygeneration based on coal gasification 倪维斗Prof. Ni Weidou 中国工程院院士 Academician of Chinese Academy of Engineering 清华-BP 清洁能源研究与教育中心指导委员会主席 President of Advisory Committee, Tsinghua-BP Clean Energy Centre 2010年年5月月 May 2010 1 可再生能源的发展趋势Ⅰ（常规方案） 百万tce Ⅰ 来源中国工程院，2008. 2 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 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20052010201520202025203020352040204520502055 IEA EIA 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 3 天然气需求预测Ⅰ 年份 亿方 自产进口 4 Prediction of Primary Energy Consumption – Possible Scenario 20102020203020402050 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 coal oil NG hydro power nuclear power wind power solar power biomass power alcohol gasoline biodiesel 10 8 tce 200520102020203020402050 Primary energy consumption 108tce/a 21.930.843.052.759.463.5 Annual increase 108tce/a 2010 – 2050 Accumulate coal consumption ≈ 1110*108tce 1.81.20.960.680.40 5 Prediction of Primary Energy Consumption – Sustainable Scenario 20102020203020402050 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 coal oil NG hydro power nuclear power wind power solar power biomass power alcohol gasoline biodiesel 10 8 tce 2010 – 2050 Accumulate coal consumption ≈ 830*108tce 200520102020203020402050 Primary energy consumption 108tce/a 21.931.040.344.448.251.6 Annual increase 108tce/a1.80.93 0.400.390.34 6 CO2Emissions – Possible Scenario 2005201020152020202520302035204020452050 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 coal oil NG CO2 emission 108 t 2005201020152020202520302035204020452050 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 coal oil NG CO2 emission 10 8 t Peak time202020352040 Peak value 108 t/a809010 2050 emission value 108t/a 607088 Peak time204020402040 Peak value 108 t/a90100120 2050 emission value 108 t/a 8595115 7 CO2Emissions – Sustainable Scenario 2005201020152020202520302035204020452050 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 coal oil NG CO2 emission 10 8 t 2005201020152020202520302035204020452050 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 coal oil NG CO2 emission 10 8 t Peak time202020352040 Peak value 108 t/a8090100 2050 emission value 108 t/a 607088 Peak time204020402040 Peak value 108 t/a90100120 2050 emission value 108 t/a 8595115 8 应对全球气候变化，国际上可能留给中国的应对全球气候变化，国际上可能留给中国的CO2排放 空间已经非常小 排放 空间已经非常小应及早主动应对而不是被动减排应及早主动应对而不是被动减排 若要将未来全球温升控制在23摄氏度，2050年全球CO2 排放需要比1990年减少50左右，只能排放104亿吨1990 年208亿吨，这也就是届时全球CO2排放的总空间。 即使发达国家承诺减排其中80，发展中国家整体上也 需要比2005年减排36。 中国正处于CO2排放的上升期，面临国际上对我国CO2排 放峰值出现时间和绝对值的要求（譬如2030年80亿吨， 2035年90亿吨，2040年100亿吨等），在已经大力强化节 能和发展核能和可再生能源的条件下，未来在碳减排上仍 将处于被动状态。 9 为了给将来的碳减排买为了给将来的碳减排买“保险保险”，需要及早推进低成本，需要及早推进低成本 CCS技术的研发、示范和应用技术的研发、示范和应用 参考情景的CO2峰值最可能出现在2040年（110亿吨），可持续 情景的CO2峰值可能出现在2020年（87亿吨），2050年排放总 量为85.4亿吨 剩余的减排量只能通过超极限的节能、超极限发展核能和可再生 能源发展，甚至购买碳减排指标，以及化石能源的CCS来实现 如果要将2050年的CO2排放控制在2005年的水平51.7亿吨，需 要将比可持续情景进一步减排33.7 亿吨CO2。 在可持续情景基础上进一步强化节能、发展核能和可再生能源的 潜力有限，要完成33.7亿吨的额外减排量，必须在化石能源应用 部门大规模应用CCS（尤其是发电和煤化工）。 即使CCS只承担其中的50，则意味着需要通过CCS减排16.9亿 吨的CO2。 参考资料国家发展和改革委员会能源研究所课题组. 中国2050年低碳发展之路能源需求暨碳排放情景分析. 北京，科学出版社，2009年9月 10 化石能源额外的减排任务（化石能源额外的减排任务（CCS）由谁来承担那 种方式最经济 ）由谁来承担那 种方式最经济应及早研究和规划我国化石能 源 应及早研究和规划我国化石能 源CCS的总量、技术路线和布局，特别是煤炭的总量、技术路线和布局，特别是煤炭 石油交通和化工，移动源（交通）的捕捉可能性小， 石油化工的捕捉难度较大 天然气本身就是相对低碳和昂贵的“精品”能源，捕捉不 太划算 煤炭将是主要承担者排放量最大、相对集中，也更 容易捕捉 11 煤电和煤化是煤炭捕捉煤电和煤化是煤炭捕捉CO2的大头的大头 未来煤炭60-70甚至更多会用于发电（含已有煤电和新建煤电） 总量最大 通过直接燃烧捕捉CO2，耗能大，成本高昂 要对比“超超临界CCS”，IGCCCCS，或“IGCC多联产CCS”，哪 条路线可能更为经济精心规划各种路线随时间变化的发电份额。 煤化工直接/间接液化，甲醇/二甲醚，烯烃等，约占15-20 50的含碳成为高纯度的CO2，最容易捕捉，国际上已有先例加 拿大Weyburn的EOR项目，CO2来自美国Great plain的煤制SNG工 厂（1百万吨CO2/年） 分散式燃煤（工业锅炉/窑炉/其他民用）约占10-25 高度分散，单点排放小，捕集难度较大 12 0 200 400 600 800 1000 1200 600MW 超临界531MW IGCC 体积流量m/s 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 600MW 超临界531MW IGCC 质量流量t/h 处理气体的体积流量对比 Comparison of volume flow rates of processed gas 处理气体的质量流量对比 Comparison of mass flow rates of processed gas 烟气流量 Flow rate of fluegas 1141m3/s 149℃,1atm 合成气流量 Flow rate of syngas 7m3/s 207℃,27.2atm 烟气流量 Flow rate of fluegas 3493t/h 149℃,1atm 合成气流量 Flow rate of syngas 363t/h 207℃,27.2atm Volume flow rate m3/s Mass flow rate t/h 类似装机规模，IGCC捕捉CO2需要处理的气体流量远小于超临界/超超临界 IGCC处理的合成气中CO2浓度高达40，而超超临界烟气中只有8-12 煤炭应用煤炭应用CO2捕捉的技术路线应考虑经济性，从易到难、循序渐进捕捉的技术路线应考虑经济性，从易到难、循序渐进 煤化工→新建煤化工→新建IGCC/多联产→现役多联产→现役/新建超超临界新建超超临界 IGCC多联产CCS将负起“伟大的历史使命” 13 整体煤气化联合循环（整体煤气化联合循环（IGCCIGCC）） 14 多联产系统的简单阐释一次通过法制甲醇多联产系统的简单阐释一次通过法制甲醇 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 Slurry Bed Synthesis MeOH/DME 特点 15 多联产（资源多联产（资源/能源能源/环境一体化能源系统），可一进步 改善 环境一体化能源系统），可一进步 改善IGCC的经济性，以及提高综合效益的经济性，以及提高综合效益 多联产产品 Polygen. products 1、城市煤气 2、电力 3、热/冷 4、液体燃料 5、化工产品 6、氢气 7、纯CO2 16 多联产系统的特点多联产系统的特点 有机的耦合和集成电有机的耦合和集成电/热热/冷冷/燃料燃料/化工化工 –不是多个生产过程简单的叠加每种产品工艺流程/设备简化， 投资 和运行成本降低 –各流程优化组合，总体效益/污染最优；多个产品之间的“峰一谷”差调 节互补；规模效应 –实现能量流、物质流、Energy等的总体优化温度对口、梯级利用； 组分对口（碳氢比），优化利用；变废为宝（CO2等），综合利用 高度高度“灵活灵活”和和“开放开放”。主要思想从系统的高度对现有的技术 进行集成和优化，从系统要效益，从耦合要效益 。主要思想从系统的高度对现有的技术 进行集成和优化，从系统要效益，从耦合要效益 –是一种概念，可以用于不同产品的生产系统 –按照技术进步和投资分阶段逐步推进/添加 17 煤炭的高效洁净化利用评价指标研究 技术指标环境指 标 6040504550504060 亚临界CCS1.761.661.561.36 超超临界CCS1.411.331.251.09 IGCCCCS1.271.201.141.02 富氧燃烧CCS1.721.641.561.40 多联产CCS0.760.830.91.03 能源可持续发展综合指标值 引自徐旭常院士，清华大学 能源可持续发展综合指标值 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 6040554550504060 技术指标环境指标 亚临界CCS 超超临界CCS IGCCCCS 富氧燃烧CCS 多联产CCS 18 随着越来越严格的环保规定, 煤气化多联产 在经济上的优势将会越来越显著。 燃煤锅炉气化炉 SO2NOx SO2NOx HgPM2.5-10 SO2NOx HgPM2.5-10CO2 19 实施煤炭现代化战略刻不容缓 目前正值新一轮电力建设高潮； 现在兴建的电厂将决定2020年及以后的煤炭利 用模式； 错过这一时期，今后实施煤炭现代化战略将更 为困难； 继续按传统技术模式发展，将导致环境、能源 安全、温室气体排放等一系列困难。 20 实施煤炭现代化战略刻不容缓 如果延误过渡到以煤气化为核心的多联产技术 的时机，将会 显著增加将来中国治理空气污染的成本； 难以控制未来石油进口； 大大增加减排温室气体的成本。 21 多联产发电未来情景讨论 2020年2030年2050年 当量甲醇产量亿t0.660.81.522.53 甲醇煤耗量亿tce0.991.22.2533.754.5 多联产用于发电的煤耗量亿tce0.991.22.2533.754.5 多联产的发电量万亿kWh0.330.40.7511.251.5 多联产发电的装机容量多联产发电的装机容量亿亿kW0.660.81.522.53 自2008的总煤电装机增量亿kW3.58 6.23 6.60 多联产发电占装机增量的比例多联产发电占装机增量的比例182224323845 自2008的煤电发电增量万亿kWh2.1 3.1 3.3 多联产发电占发电增量的比例161924323846 此分析采用动化煤耗比11，动化比如何考虑 发电煤耗300 g/kWh，运行小时数5000 h 22 两个不同的命题 在多次会议上听到能源局的领导说“IGCC基本 投资大，发电成本高，建IGCC电站不如建核电 厂。”也许这个观点导致很多IGCC多联产装置 的核准一拖再拖。实际上建核电和建IGCC是两 个不同的命题。核电肯定要大发展，但是我们 面对的是到2050年有1000亿吨标煤必须要利用 ，命题的本身不是和核电比基本投资谁合算， 而是这1000亿吨煤如何得到高效、低碳应用， 应对全球气候变化，这笔账是躲不开的。混淆 了这两个命题，一定程度上导致了IGCC多联 产CCS规划、示范和推广工作的拖延。 23 新能源的定义因地、因时而不同。比如核电在中国是新 能源，而在法国、美国则不是。 “能源”是一个广泛的称呼，有四大主要环节 四个环节中的一个或几个环节有大的变化，且相对于在 役主力能源而言，能大幅度地节约资源、大幅度减排的 能源或能源技术即可称为 “新能源”。 例煤的现代化利用，如以煤气化为核心的多联产系统 柴薪柴薪 煤炭煤炭 能源的多样化能源的多样化 天然气天然气 水能水能风能风能 太阳能太阳能 核能核能 资源转化输送终端利用 新能源的定义新能源的定义 24 有关中国“广义资源禀赋” Comprehensive Resource EndowmentsComprehensive Resource Endowments 生态生态 条件条件 技术技术 水平水平 经济经济 体制体制 教育教育 水平水平 人的人的 素质素质 经济发经济发 展阶段展阶段 环境环境 容量容量 自然自然 资源资源 广义资广义资 源禀赋源禀赋 能源产业只能连续地、 稳定地在不断累积中发 展，必须和我国的广义 资源禀赋相适应。 发展新能源要适合我国 的广义资源的禀赋广义资源的禀赋 发展重点、发展速度也 不一样，不同国家有不 同的新能源 国家应全局规划、有序 发展、科学决策制定新 能源发展规划 25 有关中国“广义资源禀赋”（续） Comprehensive Resource EndowmentsComprehensive Resource Endowments 有限的资金国家补贴用在哪里才是最优的，效果最大的 风电120亿，200亿，400亿 PV1GW，3GW，6GW 其它 补贴的需求大一些投资大军把钱投向哪里中国有很多 需要补贴的方面 社会保险、医疗、生态、水库移民、农村清洁能源生物 质颗粒、生物质气化裂解、沼气池等、三江地区沙化、 荒漠化 一味扩大生产能力，增加装机容量，不考虑整个产业链的 协调发展，是否符合我们现阶段的发展方向 国家应全面考虑，在有限的补贴下，应该支持什么，什么 方向是作用大，并且长远的。 26 2020发电技术的CO2减排成本 Source McKinsey Company “Costs and Potentials of Greenhouse Gas Abatement in Germany”, Energy Sector Perspective, Berlin 2007 27 谢 谢