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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date煤炭气化多联产现状及技术原理煤炭气化多联产现状及技术原理煤气化多联产技术现状及系统构建的原理武欣（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 100083）摘 要：文章介绍了多联产系统的基本定义、主要产品和构成形式。对煤气化生产过程中多联产技术研究进展进行了评述，主要包括以煤制天然气为基础、以煤气化联合循环(IGCC)为基础、以合成氨基础的联产过程。并指出多联产发
2、展中的有关问题。关键词：煤气化多联产；研究进展；系统组成；原理The Development and Construction Principle of Coal Gasification Polygeneration SystemWU Xin(The School of Chemistry & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology,Beijing 100083, China)Abstract: The definition,main products and form of poly-genera
3、tion was explained in the paper. Research progress of co- production during coal-chemical industry were reviewed, including co-production based on ammonia synthesis, integrated gasification combined cycles(IGCC), coal to synthetic nature gas. Some problems that ought to besolved are pointed out.Keyw
4、ords: coal gasification polygeneration; research progress; system composition我国的能源结构以煤为主, 其中以煤气化为核心的多联产系统是解决我国未来可持续发展的方向之一1。煤气化技术是以煤炭为原料,采用空气、氧气和水蒸气为气化剂,在气化炉内进行煤的气化反应,以生产出不同组分及不同热值的煤气，是实现煤炭综合利用和洁净煤技术的重要手段,是发展现代煤化工、煤造油、燃料煤气和发电等重要工业化生产的龙头。多联产系统有多种集成方式,但都以气化技术作为核心2，并在气化时进行硫元素、氮元素等脱除，以期实现环境污染物的近零排放；同时根据
5、市场的需求变化，在气化下游集成不同的生产工艺技术路线来合理地使用合成原料气。一方面节省装置投资，另一方面通过各环节的串联或并联以期实现更加合理有效地利用能源资源，并最终实现资源、经济、环境等多方面共赢的局面3。1 煤气化多联产国内外研究现状1.1多联产系统含义所谓多联产系统是指利用从单一的煤气化装置中产生的合成气(CO+H2),来进行跨行业、跨部门的联合生产,以得到多种具有高附加值的化工产品(如甲醇、醋酸、醋酸乙烯等)、液体和气体燃料(如F-T合成燃料、城市煤气、人工天然气等)、其他工业气体(如CO2、H2、CO等),以及充分利用工艺过程的热并进行发电的能源系统4。多联产是一个非常复杂的系统工
6、程,其实质是通过以煤气化技术为龙头的多种煤炭转化技术的优化集成,不仅可以实现煤炭资源价值的梯级利用,而且能够达到煤炭资源价值提升、利用效率和经济效益的最大化,同时还能做到煤炭利用过程对环境最友好。图1 煤基多联产系统示意图化工产品Figure 1 Coal-based Co-production System Diagram多种煤转化技术优化集成液体燃料气体燃料煤炭气化用于发电1.2 以SNG为基础的多联产技术现状煤制天然气技术，是将低阶煤气化制造合成气，然后合成气转化为甲烷，用作替代传统天然气的气体燃料的过程。国家先后在内蒙、新疆等地规划审批了数个SNG项目。但是，SNG项目生产的甲烷成本价
7、格较高，技术经济性是影响该技术开展的重要因素，另外，SNG属于气态产物，不利于储存，而国内城市燃气的用气季节性、时段性非常不均衡，天然气调峰难题亟待解决。在发展储气库、天然气发电等调峰技术的同时，采用煤制天然气工厂生产过程调峰也逐渐受到关注。通过优化建设方案，在天然气需求淡季，将过剩产能用于联产液体燃料、化工品等，能够同时解SNG项目技术经济性和城市天然气调峰两个方面的问题5。目前，国内提出了众多研究方案6-7，包括多联产催化剂开发、新工艺设计等，但是仍然处于概念设计阶段或实验室研究阶段，未有应用报道。随着国内SNG产业的发展，SNG多联产技术将受到更大重视，属于未来煤化工技术的重点发展方向之
8、一。1.3以IGCC为基础的多联产技术现状IGCC技术是超清洁、高效发电技术，其发电效率可达43%-45%，在国内首先在石化行业获得成功，具有污染物排放低、节能节水等优势8，但是存在投资费用高、操作不够灵活的缺点。采用IGCC与煤化工联产，实现物料、能量的总体优化，使装置的能源利用效率提高，单一项目的经济效益改善，污染物排放减少。IGCC联产产品有甲醇、氢气、油品等，可以为下游的化工产业提供基本原料。美国采用IGCC发电联产氢气。山东某集团多联产示范装置，以24万吨甲醇辅以60MW级IGCC 发电9，运行结果表明，系统总能效比分产高3.14%。进一步将甲醇装置与甲醇制丙烯(MTP)装置多联产，
9、则有望进一步提高项目的整体收益。研究表明10，若IGCC与煤制油联合，把传统的费托合成尾气大量循环的方式改为一次通过方式，不循环的低热值尾气作为IGCC燃料，综合能效可以达到60%，高于单独发电(40%)或单独合成油(50%)。 但是IGCC本身属于一个复杂的系统工程，对设备、过程控制要求高，而且需要解决行业垄断、技术与市场之间的转移等问题11。因此，在一定程度上，多联产技术推动了IGCC技术的发展。但是，目前投入应用的项目仍然较少。1.4以合成氨为基础的多联产技术现状在一段时期内，针对中小型氮肥厂产品单一、经济效益低，而甲醇一度火爆的市场局面，通过技术改造联产甲醇技术受到高度关注12-14。
10、利用合成氨工业联产甲醇，既可发挥氮肥厂以化肥为主、多种经营的积极性，又为企业从甲醇出发，发展一系列高附加值下游产品奠定基础15。若利用合成氨过程中富余的二氧化碳生产纯碱，可大幅减少二氧化碳排放。合成氨联醇工艺分为串联工艺、并联工艺和串并联工艺16-17。其中，串联工艺在国内应用最多，只需在合成氨工序的甲烷化塔之前串联甲醇合成系统，即可实现同一装置得到两种产品。串联艺比较容易实现技术改造，变换和甲烷化工序的负荷降低，但是全气量通过甲醇合成塔，对脱硫要求高，影响甲醇合成催化剂的寿命，而且醇、氨产能相互制约。并联工艺改进了醇、氨相互影响的问题，甲醇合成单独一条生产线，但是新增投资大，也不能利用驰放气
11、中残留的CO。串 并联工艺对上述两种工艺进行了改进，原料气共同处理，然后两个合成流程并联，但是工艺比较复杂，新增投资也很大。2 多联产系统组成及原理2.1 煤气化多联产系统构成多联产系统显然是未来洁净煤技术发展的主要方向之一,并且与未来石油替代能源、氢能利用、削减CO2排放等长远可持续发展目标相容18。因此多联产作为一跨行业的大系统,需要各行业从国家整体利益高度加以支持和协同才能得到发展。在中国发展煤基多联产系统应在以下几个方面起步,逐步积累经验,扩大完善多联产体系：(1)由于合成气的主要成分是CO和H2,因此可以打破煤作为合成气的唯一来源,融合煤层气、天然气、化工废气(如焦炉气、黄磷尾气、冶
12、金高炉气等)以及生物质造气等多种C、H来源,与多产业耦合,实现以煤气化为基础的多种资源高效耦合；(2)结合煤化工项目(如煤制大甲醇或二甲醚),发展一步法液相合成甲醇(或二甲醚),避免片面追求甲醇收率而带来的复杂的工艺流程及设备,同时甲醇(或二甲醚)作为储能载体,可提高后端发电系统的运行稳定性、可靠性和整个多联产系统的灵活性19；(3)结合国家规划中的煤炭间接液化项目,参照世界上已成功实施的F-T合成项目的建设模式,发展间接液化和发电联产相结合的多联产系统,从整体系统的高度对项目进行优化；(4)将合成气下游产品拓展到氢能产业,发展燃料电池等氢能产业技术,为今后高科技氢能产品提供能源支持20,进一
13、步丰富完善多联产结构；(5)根据合成气成分特点,合成其他化工产品,例如传统由天然气制备的合成氨等,同时可与二氧化碳结合生产尿素等化肥产品；(6)对于多联产体系中产生的冷与热进行充分的体系内循环消耗,并可作为副产品提供给商业楼宇和住宅,充分降低系统能耗,提高整体经济效益；(7)整个体系虽然会产生大量CO2,但由于浓度高,易于后续集中处理,可以通过埋存、干冰、化工吸收、农业生产、煤层气开采等不同途径集中回收利用高纯度CO2,同时还可集中回收利用H2S生产硫磺,可以大幅度减少环境污染。2.2 煤气化多联产系统原理气化炉生产出的合成气，通过净化后将干净合成气首先通过合成反应器,生成甲醇、二甲醚、合成油
14、等洁净燃料或其它高附加值化工产品,未反应的尾气不再循环而是直接通往燃气蒸汽联合循环生产电力或进行热、电、冷联产20。未来需要时,可以将合成气通过水蒸汽变换反应转化为氢气和二氧化碳,并进行分离。氢气可以集中生产电力或供分散式燃料电池汽车使用;高浓度二氧化碳则可加以利用(如化工原料,强化石油开采等)或集中埋存。多联产系统能够从系统的高度出发,结合各种生产技术路线的优越性,使生产过程藕合到一起,彼此取长补短,从而达到能源的高利用效率、低能耗、低投资和运行成本、以及最少的全生命周期污染物排放。煤气化多联产结构是一个复杂的体系,它需要与之配合的工业载体。生态工业园区恰恰就可以承担这样的角色,它以生态模式
15、为基础,具有共生耦合、废物资源化、经济环境能源效益相协调等特点,其构架原则和本质思想与煤气化多联产结构一致。因此,基于煤气化多联产的生态工业体系将成为未来煤气化多联产的主要实现方式。通过对多种煤化工技术的优化集成,可同时获得多种高附加值的化工产品和洁净的二次能源。它不仅可以实现煤炭资源的梯级利用,而且能够达到煤炭资源价值提升、利用效率和经济效益最大化,同时还能做到煤炭利用过程对环境最友好。可以相信,以煤气化技术为龙头的多联产煤炭转化系统将是今后中国煤化工的发展方向。图2 煤气化多联产系统框图Figure 2 Coal Gasification Co-production System Diag
16、ram气化O2+H2O煤炭净化烯烃羰基化醋酸硫磺脱水IGCC发电硫酸脱硫二甲醚甲醇合成气H2+CO氧化甲醛氢气汽、柴、煤油合成氨脱碳尿素CO2捕捉封存碳酸二甲酯气肥煤气化多联产原理见图2。多联产能源系统以煤气化为核心,空气分离装置来的纯氧与原料煤一起在高温气化炉内发生气化反应,生成主要成份为H2和CO的合成气,经过热量回收和净化处理,除掉灰渣和CO2及含硫气体,得到不含杂质的高热值合成气。合成气可以有多种用途，一部分用于：l)城市煤气,分布式热、电、冷联产；2)大型发电(燃料电池或燃气轮柳蒸汽轮机联合循环)；3)一步法生产甲醇；4)一步法生产液体燃料(F-T液体燃料,二甲醚)；5)其它化工产品
17、(合成氨、尿素、烯烃)。另一部分经过蒸汽重整反应:CO+2H2O CO2+H21)通过气体分离把H2和CO2分开。氢气可用于质子交换膜燃料电池,主要用于城市交通的车辆,可以达到零排放,从根本上解决大城市汽车尾气污染问题。2)长远来看,氢气作为载能体,可作为分布式热、电、冷联供的燃料,实现当地零排放。C02的处理,这个多联产系统所排放出来的CO2不像常规燃煤电站那样掺混在烟气中(含75%以上的氮气),而是十分清洁的纯CO2(纯度达99%),这样,应用的范围就大大扩展了。它可以作为化工原料生产化肥，制造干冰，促进植物生长或用于其他工业用途。也可以利用CO2来强化煤层气（CBM）的开采。实验表明，煤
18、作为一个微孔物质，它对CO2的吸附性要大于甲烷，所以在二氧化碳注入深层煤可以得到宝贵的甲烷，同时又把二氧化碳埋存了。这个系统中各产品（电、热、冷、化工产品）的生产过程不是简单的叠加而是有机的耦合和集成，从而比各自单独生产可以简化工艺流程，减少基本投资和运行费用，降低产品价格，调节多个产品间的产量，使得各流程优化运行，减少了对环境的污染21。3 发展多联产应注意的问题煤气化多联产符合循环经济原则。以煤气化为核心的多联产系统是资源、能源和环境一体化的系统, 是我国可持续发展能源的重要组成部分22。煤气化系统为大规模能源和化工发展创造条件, 这是我国新时期的重大机遇, 也是重大的挑战。多联产的发展应
19、该是有限的、有控制的, 受煤资源和水资源的约束, 应该特别强调节能降耗和环境保护。对于多联产造成的环境影响, 应该是有消除办法并且能同时实施的, 坚决不要走“先污染后治理”的道路。这需要我们严肃和认真地对待! 我们要保留尽可能多的煤资源。目前, 对于多联产的热情, 能源企业重于化工企业。这是由于化工企业向电力延伸的问题, 早在多年以前有所考虑, 并不感觉到非常迫切。一个大型的化工企业, 主要考虑产品结构的合理, 经济效益良好, 并不一定非要向电力延伸。而目前的以煤炭使用为主的电力企业和煤炭采掘企业, 为了得到更好的经济效益,认为向化工发展是很好的出路, 因此就有向化工方向延伸的良好的强烈愿望,
20、 都希望以最快的速度实现煤电化联合的多联产。但是, 这里有一个大家都已经看到的现象: 全国的煤化工热, 各个企业准备上马多套超大型的化工装置, 如上百万吨的甲醇、二甲醚、合成油、MTO 等, 甚至采用边研究、边设计、边施工的方法等。摆在我们面前的是一个非常引人入胜的可争议问题, 需要亟待解决。参考文献1倪维斗,李政,薛元.以煤气化为核心的多联产能源系统资源/能源/环境整体优化与可持续发展J.中国工程科学,2000,2(8): 59-682吕东颖.美国“未来发电(FutureGen)”研究项目J.热力发电, 2005,(12):1093邓剑.煤气化多联产J.上海节能，2006，(6):46-48
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