修改稿--氢能经济、CO2减排和IGCC-9-17

1、氢能经济、氢能经济、CO2减排和减排和 IGCC 倪维斗倪维斗 张斌张斌 李政李政 2003年年4月月 用更理性的思考来看待氢能经济用更理性的思考来看待氢能经济 n全世界的热点全世界的热点 q氢燃烧仅产生水蒸汽并释放热量，这是其最吸引人的地方氢燃烧仅产生水蒸汽并释放热量，这是其最吸引人的地方 q主要推动力：燃料电池和主要推动力：燃料电池和CO2减排减排 q日本日本NEDOWENET n聚合物电解膜电解水技术、大规模氢气液化厂、聚合物电解膜电解水技术、大规模氢气液化厂、500MW氢燃料燃氢燃料燃 气轮机等气轮机等 q德国德国80年代开始研究年代开始研究 n燃料电池公共汽车、纽伦堡的燃料电池联产项

2、目、飞机改造成液氢驱动等燃料电池公共汽车、纽伦堡的燃料电池联产项目、飞机改造成液氢驱动等 q美国美国DOE n为车辆找到一种替代燃料，以减少对进口石油的依赖程度为车辆找到一种替代燃料，以减少对进口石油的依赖程度 q布什计划投资布什计划投资10亿美元建设零排放火力发电厂亿美元建设零排放火力发电厂 q国际能源署国际能源署(IEA) n通过技术发展，推动建立基于氢能的可持续发展的清洁能源供应体系通过技术发展，推动建立基于氢能的可持续发展的清洁能源供应体系 q q研究是必要的，但是应该更加理性研究是必要的，但是应该更加理性 一些概念的澄清一些概念的澄清(1) n误解误解 q氢气是氢气是“取之不尽、用之

3、不竭取之不尽、用之不竭”的、解决能源的、解决能源 和环境问题的万能灵药、以氢气为燃料的燃料和环境问题的万能灵药、以氢气为燃料的燃料 电池汽车很快就能普及，电池汽车很快就能普及，“氢能经济氢能经济”时代就时代就 要来临要来临 q氢气燃烧就是水氢气燃烧就是水, 可以大大减少污染可以大大减少污染, 减少温室减少温室 气体排放气体排放 q氢气的利用可从根本上改善能源构成氢气的利用可从根本上改善能源构成 q氢气在燃料电池中高效利用氢气在燃料电池中高效利用, 可以节省大量能可以节省大量能 源源 一些概念的澄清一些概念的澄清(2) n氢气不是一次能源氢气不是一次能源(燃料燃料), 自然界中不存在纯自然界中不

4、存在纯 氢氢, 它只能从其它化学物质中分解、分离得到它只能从其它化学物质中分解、分离得到, 这个过程需要耗费大量能源这个过程需要耗费大量能源 n由于氢气密度为所有物质中最轻的由于氢气密度为所有物质中最轻的, 单位重量单位重量 体积最大体积最大, 所以氢气的运输和存储费用太贵所以氢气的运输和存储费用太贵, 而而 且从技术角度看非常复杂且从技术角度看非常复杂尤其是燃料电池尤其是燃料电池 车辆的车载储存车辆的车载储存 n氢气和电力一样氢气和电力一样, 只是一种能源载体只是一种能源载体 氢气的独特物性氢气的独特物性 n氢气是所有能源载体中能量密度最低的氢气是所有能源载体中能量密度最低的 q在环境状态下

5、在环境状态下, 氢气的能量密度只有天然气的氢气的能量密度只有天然气的30%, 汽油的汽油的 0.24% q氢的能量密度最大的状态是超低温氢的能量密度最大的状态是超低温(-253)时的液氢。氢气时的液氢。氢气 的液化是非常贵的的液化是非常贵的, 而且能耗非常大而且能耗非常大( 10 kWh/kg H2) q即使是液氢即使是液氢, 能量密度也只有汽油的能量密度也只有汽油的27% 各种不同能量载体的体积能量密度各种不同能量载体的体积能量密度 氢气的独特物性氢气的独特物性 n热值热值 q氢气的低位热值只有高位热值的氢气的低位热值只有高位热值的84.6% q冷凝烟气回收汽化潜热是很不容易的冷凝烟气回收汽

6、化潜热是很不容易的 n可燃及爆炸极限范围很大可燃及爆炸极限范围很大 q空气中可燃极限空气中可燃极限475 vol.%, 爆炸极限爆炸极限1365 vol.% q一般在高压下进行处理、应用成本较高一般在高压下进行处理、应用成本较高 n储氢系统储氢系统 q容器重量很大容器重量很大, 成本较高：储存成本较高：储存1kg超高压超高压(400个大个大 气压气压)氢气的高级复合材料罐重达氢气的高级复合材料罐重达65kg，高级金属氧，高级金属氧 化物和碳纳米管储氢的效果也不理想化物和碳纳米管储氢的效果也不理想 目前氢气的应用目前氢气的应用 n年产量超过年产量超过5000亿立方米亿立方米 n大部分用于氨气生产

7、和炼大部分用于氨气生产和炼 油行业等化工行业，而不油行业等化工行业，而不 是作为燃料使用是作为燃料使用 n“就地生产、就地使用就地生产、就地使用” q所以应用氢气时只考虑其所以应用氢气时只考虑其 制造成本制造成本 q不考虑其能源利用效率，不考虑其能源利用效率， 更不考虑储存、分配、车更不考虑储存、分配、车 载和基础设施等作为燃料载和基础设施等作为燃料 使用时的一系列问题使用时的一系列问题 氢气作为燃料需要考虑的问题氢气作为燃料需要考虑的问题 n首先必须考虑氢气的能量利用效率首先必须考虑氢气的能量利用效率 q制备、输运、存储、分配等过程耗费的能量制备、输运、存储、分配等过程耗费的能量 n基础设施

8、的建设基础设施的建设 q现有能源经济到氢能经济的转换将会影响到整个能源现有能源经济到氢能经济的转换将会影响到整个能源 供应及配送系统供应及配送系统 n从整个系统的角度出发考虑从整个系统的角度出发考虑 q只有这样，才能和其它的方案作出合理、公正的比较只有这样，才能和其它的方案作出合理、公正的比较 q只有这些中间过程的能量消耗与被输送氢气的总能量只有这些中间过程的能量消耗与被输送氢气的总能量 相比足够小，而且成本有竞争力，实现全面利用氢气相比足够小，而且成本有竞争力，实现全面利用氢气 作为燃料的氢能经济才有意义作为燃料的氢能经济才有意义 氢气的生产氢气的生产 n化石燃料制氢是工业上的主要途径化石燃

9、料制氢是工业上的主要途径 q目前全世界有目前全世界有99%的氢气是由化石燃料制造的的氢气是由化石燃料制造的 n原料中的氢碳比是决定制氢成本的主要因素原料中的氢碳比是决定制氢成本的主要因素 q天然气蒸汽重整天然气蒸汽重整: 能量效率能量效率75%85%, $5.6/GJ H2 (10.3 RMB/kg H2) , 最便宜最便宜 q煤气化制氢煤气化制氢: 效率为效率为60%65%, $10.3/GJ H2(18.9 RMB/kg H2) q水电解制氢水电解制氢: 效率效率7085%(热功当量热功当量, 若按发电效率若按发电效率 40%算算, 效率效率2834%), 成本最高成本最高, $20.1/

10、GJ H2 (36.8 RMB/kg H2) q目前的技术发展水平来看目前的技术发展水平来看, 在相当长一段时期内在相当长一段时期内, 化化 石燃料制氢将继续占统治地位石燃料制氢将继续占统治地位 氢气的储存氢气的储存压缩压缩 n压力压力 q200300 bar, 甚至甚至800 bar n耗功耗功 q绝热压缩功绝热压缩功,同等重量同等重量, CH4:He:H2 = 1:4:8 q理想等温条件下理想等温条件下, 压缩耗功大概压缩耗功大概 是氢气是氢气HHV的的5%(按热功当量按热功当量 计算计算) q目前先进的多级压缩设备：目前先进的多级压缩设备：5级级 压缩、中间冷却压缩、中间冷却, 每小时处

11、理每小时处理1 吨氢气吨氢气, 将氢气压缩到将氢气压缩到200 bar, 单位能耗是单位能耗是HHV的的7.2%(若按发若按发 电效率电效率40%来计算来计算, 耗费能量占耗费能量占 HHV的的18%), 若是压缩到若是压缩到 800bar, 耗能将超过耗能将超过10% 氢气压缩到氢气压缩到200bar 能量效率能量效率93.3%(热功当量热功当量) 84.7%(按发电效率按发电效率40%) 氢气的储存氢气的储存液化液化 n液化比压缩耗能更大液化比压缩耗能更大 q100 kg/hr氢气液化厂氢气液化厂, 能能 耗大约为耗大约为16.6 kWh (60 MJ)/kg H2, 小容量的氢气小容量的

12、氢气 液化厂很不划算液化厂很不划算 q虽然随着液化厂容量的增虽然随着液化厂容量的增 加加, 单位能耗会降低单位能耗会降低, 但是但是 其理论最小值仍为其理论最小值仍为11.1 kWh (40 MJ)/kg H2 q最大的氢气液化厂最大的氢气液化厂 (10,000 kg/h), 单位能耗单位能耗 仍占仍占HHV的的30%左右左右(按按 热功当量计算热功当量计算)。如所用的。如所用的 电按照电按照40%的发电效率的发电效率, 耗费能量占耗费能量占HHV的的75%。 液化环节液化环节 能量效率能量效率77%(热功当量热功当量) 57%(按发电效率按发电效率40%) 氢气的储存氢气的储存其它方式其它方

13、式 n金属氢化物金属氢化物 q物理吸附方式物理吸附方式 n5560 kg氢气或氢气或70 kg液氢液氢/m3 n能耗少于氢气压缩到能耗少于氢气压缩到200 bar的能耗的能耗 q化学吸附方式化学吸附方式 n单位能量输入为氢气单位能量输入为氢气HHV的的1.6倍以上倍以上 q金属氢化物一般比较贵金属氢化物一般比较贵, 储氢成本高储氢成本高, 另外金属氢化另外金属氢化 物的储存重量比一般都不到物的储存重量比一般都不到4%, 没有实际利用价值没有实际利用价值, 更不可能应用于车载燃料电池氢燃料的储存更不可能应用于车载燃料电池氢燃料的储存 n甲醇：甲醇：100 kg H2/m3，能量密度较高，能量密度

14、较高 氢气的输运氢气的输运罐车罐车 n比较方案比较方案 q200 bar的高压氢气、的高压氢气、200 bar的甲烷、液氢、甲醇、丙烷和的甲烷、液氢、甲醇、丙烷和 辛烷辛烷(代表汽油代表汽油) q40吨的罐车吨的罐车, 满载时油耗为每百公里满载时油耗为每百公里40 kg柴油柴油, 且各方案罐且各方案罐 车的发动机效率都相等车的发动机效率都相等 q液体燃料可以用满载去空载回液体燃料可以用满载去空载回 q运输高压气体燃料时只能实现运输高压气体燃料时只能实现80%的配送的配送 n由于终端用户接收系统的压力为由于终端用户接收系统的压力为40 bar，卸载时压力降到，卸载时压力降到42 bar与之相容与

15、之相容 q甲醇、辛烷甲醇、辛烷(汽油汽油)每车的运输量约为每车的运输量约为26吨吨, 丙烷为丙烷为20吨吨, 液氢液氢 只能运输只能运输2.1吨吨, 200 bar的天然气的天然气(甲烷甲烷)可以运可以运3.2吨吨, 而而200 bar氢气的运输量只有不到氢气的运输量只有不到500 kg 罐车输运相对能耗罐车输运相对能耗(单位能耗单位能耗/H2 HHV) 100200300400500 Delivery Distance km 0 10 20 30 5 15 25 35 Energy Consumed Relative to HHV Energy Delivered % H2 Gas (200

16、 bar) Methane (200 bar) Liquid H2 Methanol Propane Gasoline 1. 罐车运输压缩氢气的相对能耗罐车运输压缩氢气的相对能耗 约为约为汽油的约为约为汽油的32倍！倍！ 32%HHV(500公里公里) 2.2.液氢的运输相对能耗较小液氢的运输相对能耗较小, , 但但 液化过程能耗太大液化过程能耗太大 输运等量的能量输运等量的能量, , 一个中等加油一个中等加油 站站, , 汽油每天只需一辆卡车汽油每天只需一辆卡车, , 压压 缩氢气需要缩氢气需要1515辆辆, , 会增加道路负会增加道路负 荷荷, , 并可引起交通事故的上升并可引起交通事故的

17、上升, , 导致社会安全问题导致社会安全问题 罐车输运效率罐车输运效率8897% (200公里内公里内) 氢气的输运氢气的输运管道管道 n目前世界上已有超过目前世界上已有超过16,000公里的输氢管道公里的输氢管道 q大部分管道较短，且靠近工业区中大型用氢户，如大部分管道较短，且靠近工业区中大型用氢户，如 化工品批量制造、金属还原、尤其是石油冶炼中的化工品批量制造、金属还原、尤其是石油冶炼中的 加氢处理等加氢处理等 q能耗是放在产品能耗中考虑能耗是放在产品能耗中考虑 n和天然气管道输运作对比和天然气管道输运作对比 q为保证天然气以为保证天然气以10m/s的速度输运，每隔的速度输运，每隔150公

18、里公里 需要耗费需要耗费0.3%的天然气驱动压缩机来中继增压的天然气驱动压缩机来中继增压 q氢气密度小氢气密度小, 就等量的能量流来说就等量的能量流来说, 氢气要比天然气氢气要比天然气 多耗费多耗费3.8倍倍(湍流输运湍流输运)到到4.6倍倍(层流输运层流输运)的能量的能量, 即使考虑到氢气的低粘度即使考虑到氢气的低粘度 管道输运相对能耗管道输运相对能耗 n5000公里以内公里以内,天然气相对能耗小于天然气相对能耗小于10%, 氢气氢气30%以上以上 n管道长距离输运氢气管道长距离输运氢气,每隔每隔150公里需要耗费公里需要耗费1.4%的能量的能量 n在在1000公里的范围内公里的范围内, 用

19、管道输运氢气还是可以考虑的用管道输运氢气还是可以考虑的, 相对能耗小于相对能耗小于10%，比用罐车输运氢气能耗小，比用罐车输运氢气能耗小 n由于采用特殊材料的管道和特殊的泵站设计，输氢管网的由于采用特殊材料的管道和特殊的泵站设计，输氢管网的 基础投资要比天然气管网增加基础投资要比天然气管网增加50%左右左右 管道输运能量效率管道输运能量效率90% (1000公里公里) 加氢站制氢加氢站制氢 n只考虑电解水制氢方案只考虑电解水制氢方案 q如果在加氢站用天然气蒸汽重整制氢如果在加氢站用天然气蒸汽重整制氢, 不利于不利于CO2的的 集中回收埋存集中回收埋存, 无助于氢能经济零污染排放的实现无助于氢能

20、经济零污染排放的实现 n假定假定 q一个加油站一个加油站(加氢站加氢站)每天可为每天可为1002000辆车服务辆车服务 q每辆车加汽油或柴油每辆车加汽油或柴油60升升(50公斤公斤), 加氢加氢11.9公斤公斤 q电解水的效率随规模大小而异，约为电解水的效率随规模大小而异，约为70%85% q水处理需电水处理需电0.11.52 MW，把氢加压到，把氢加压到200bar需电需电 0.34.45 MW 加氢站制氢相对能耗加氢站制氢相对能耗 n单位能量输入是氢气单位能量输入是氢气HHV的的1.5倍倍(按热功当量按热功当量 来算来算), 效率效率67%; 如果按发电效率如果按发电效率40%来算，来算，

21、 需要输入需要输入3.75HHV的能量的能量, 效率效率26.7% n大量供氢将会大大增加电网的负荷大量供氢将会大大增加电网的负荷 q20个每天供给个每天供给2000辆燃料电池车的总耗电量为辆燃料电池车的总耗电量为100 万千瓦，相当于一个大型电厂的净输出容量万千瓦，相当于一个大型电厂的净输出容量 n这种方式从能量的利用角度来说显然是不可取这种方式从能量的利用角度来说显然是不可取 的的 典型燃料供应方式的效率典型燃料供应方式的效率(Well to Tank) n化石燃料制氢化石燃料制氢 q200bar 氢气氢气, 罐车运输罐车运输100 km, 燃燃 料效率料效率5057%(煤煤)、63%75

22、%(天天 然气然气) q200bar 氢气氢气, 管道运输管道运输, 燃料效率燃料效率 48.655.6%(煤煤)、6173%(天然气天然气) q氢气液化氢气液化, 罐车运输罐车运输100 km, 燃料效燃料效 率率 49%(煤煤)、 63%(天然气天然气) n电解水制氢电解水制氢 q200 bar, 罐车运输罐车运输100 km, 燃料效燃料效 率率5875% q200 bar, 管道运输管道运输, 燃料效率燃料效率 5773% q氢气液化氢气液化, 罐车运输罐车运输100 km, 燃料效燃料效 率率63% n加氢站上制氢加氢站上制氢, 压缩到压缩到200 bar, 燃料燃料 效率效率67%

23、 燃料效率制氢效率燃料效率制氢效率储存储存 效率效率配送效率配送效率 能量效率能量效率 (% HHV) 制氢制氢 环节环节 效率效率 化石燃料化石燃料 606065(65(煤煤) ) 757585(85(天然气天然气) ) 水电解水电解7085 加氢站上加氢站上,200 bar,200 bar67 储存储存 环节环节 效率效率 压缩压缩9095 液化液化77 配送配送 环节环节 效率效率 罐车罐车, 200 bar H, 200 bar H2 2, 100 km, 100 km93 罐车罐车, , 液氢液氢, 100 km, 100 km97 管道管道, 1000 km, 1000 km90

24、按热功当量来算按热功当量来算 燃料效率燃料效率(按发电效率按发电效率40%) n化石燃料制氢化石燃料制氢 q200bar 氢气氢气, 罐车运输罐车运输100 km, 燃料效率燃料效率 4751%(煤煤)、59%67%(天然气天然气) n电解水制氢电解水制氢 q200 bar, 罐车运输罐车运输100 km, 燃料效率燃料效率2227% n加氢站上制氢加氢站上制氢, 压缩到压缩到200 bar, 燃料效率燃料效率 1 储存手段储存手段 深海埋存深海埋存N.A.14002x107 陆地储存陆地储存N.A.N.A. 地下蓄水层地下蓄水层87872700 枯竭的气井枯竭的气井414083314 枯竭的

25、油田枯竭的油田14042187 中国中国CO2排放分析排放分析 n95%以上是由能源活动以上是由能源活动 引起的引起的 q能量利用仍以煤为主能量利用仍以煤为主, 2001年年26.8EJ, 占占63.8%。 石油石油10.8EJ, 25.7%。 q2001年年, 76.8%的的CO2排排 放量来自煤燃烧放量来自煤燃烧, 其次是其次是 石油石油21.1%, 天然气天然气2.1% n目前我国的目前我国的CO2排放量仍排放量仍 以年均以年均4%的速度递增的速度递增 中国中国CO2排放量变化趋势排放量变化趋势 中国中国CO2减排切入点减排切入点(1) n石油石油 q石油开采行业消耗石油开采行业消耗10

26、%15% q80%86%用于石油加工和炼焦业用于石油加工和炼焦业 q加工出来的产品如汽油、柴油等主要用作交通运输、农用机加工出来的产品如汽油、柴油等主要用作交通运输、农用机 械、燃料油锅炉及其它行业的燃料械、燃料油锅炉及其它行业的燃料 q这些应用排放出来的这些应用排放出来的CO2非常分散非常分散, 不可能实现不可能实现CO2的收集和的收集和 集中处理集中处理 q只能通过使用混和动力发动机等先进的动力系统提高能源利只能通过使用混和动力发动机等先进的动力系统提高能源利 用效率用效率(油耗从油耗从8升升/百公里降到百公里降到3升升/百公里百公里), 以减少运输等行以减少运输等行 业的业的CO2排放排

27、放 n天然气天然气 q所占份额不大所占份额不大,收效不会很显著收效不会很显著 nCO2减排的主力军只能是煤减排的主力军只能是煤 中国中国CO2减排切入点减排切入点(2) n煤炭煤炭 q主要应用于矿藏采掘业、工业制造业主要应用于矿藏采掘业、工业制造业(包括很多行包括很多行 业业)、发电行业、生活消费以及农林牧渔等其它行、发电行业、生活消费以及农林牧渔等其它行 业业 q其中以制造业和发电行业耗煤量最大其中以制造业和发电行业耗煤量最大, 均在均在40%以以 上上 q消费变化趋势消费变化趋势 n制造业每年递减制造业每年递减30004000万吨万吨 n采矿业每年递减采矿业每年递减900万吨左右万吨左右

28、n生活消费每年递减生活消费每年递减450万吨万吨. n发电行业则每年递增发电行业则每年递增1000万吨左右万吨左右, 并在并在1999年首次超过年首次超过 制造业制造业, 成为第一用煤大户成为第一用煤大户 中国中国CO2减排切入点减排切入点(3) 中国中国CO2减排切入点减排切入点(4) n按照这种调整趋势按照这种调整趋势, 将来煤可能主要用来发电将来煤可能主要用来发电 (70%80%) n工业制造业工业制造业 q包括非金属矿物制造、黑色金属冶炼、化学原料及包括非金属矿物制造、黑色金属冶炼、化学原料及 制品制造制品制造, 石油加工等很多行业石油加工等很多行业 q和石油的情况类似和石油的情况类似

29、, 用煤太分散用煤太分散, 排放的排放的CO2不容易不容易 集中回收处理集中回收处理 n发电行业发电行业 q主要是发电厂燃煤排放的主要是发电厂燃煤排放的CO2, 排放是比较集中的排放是比较集中的 q处理起来相对容易可行处理起来相对容易可行 发电行业发电行业CO2减排技术减排技术 烟气中的烟气中的CO2分离分离(1) n溶剂洗涤溶剂洗涤(吸收吸收CO2)/溶溶 剂再生剂再生(分离分离CO2)法法 q化学溶剂化学溶剂 nMEA(甲乙醇胺甲乙醇胺)、 DEA(二乙醇胺二乙醇胺)、氨、氨 和热碳酸钾等和热碳酸钾等, 其中其中 以以MEA和活性碳酸钾和活性碳酸钾 最常用最常用 n在低在低CO2分压分压(

30、或浓或浓 度度)较低时较低时, 化学溶剂化学溶剂 洗涤比较经济洗涤比较经济 n化学溶剂再生过程能耗较大化学溶剂再生过程能耗较大, 胺洗分离胺洗分离CO2的过程耗费大量的过程耗费大量 的蒸汽的蒸汽(1.5吨蒸汽吨蒸汽/吨吨CO2), 另另 外将分离后的外将分离后的CO2从常压压缩从常压压缩 到临界状态也需要耗费大量的到临界状态也需要耗费大量的 压缩功压缩功 电厂类型电厂类型烟气中烟气中COCO2 2典型典型 的体积浓度的体积浓度 (%)(%) 常规煤粉电厂常规煤粉电厂14 整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环9 天然气联合循环天然气联合循环4 发电行业发电行业CO2减排技术减排技术 烟气中的烟气

31、中的CO2分离分离(2) n物理溶剂物理溶剂 qSelexol、Rectisol等等 q可以工作在高压下，并且要分离的可以工作在高压下，并且要分离的CO2的分压或浓度较高的分压或浓度较高 q再生过程采用降压过程再生过程采用降压过程, 不需要耗费蒸汽不需要耗费蒸汽 q出口出口CO2的压力比化学吸收的压力比化学吸收(胺洗分离过程胺洗分离过程)高高 n混合溶剂混合溶剂 qa-MDEA(活性甲基二乙醇胺活性甲基二乙醇胺), Purisol, Sulfinol(DIPA，二异丙醇，二异丙醇 胺胺), UCARSOL等等 n吸附分离法吸附分离法 q变压吸附变压吸附(PSA)或变温吸附或变温吸附(TSA)

32、q吸附剂主要有：氧化铝、沸石分子筛吸附剂主要有：氧化铝、沸石分子筛(天然或人造的硅铝酸天然或人造的硅铝酸 盐盐)、活性炭等、活性炭等 q变压吸附比变温吸附更有吸引力，变压吸附比变温吸附更有吸引力，TSA的能耗是的能耗是PSA的两到的两到 三倍，设备尺寸是三倍，设备尺寸是PSA的的10倍左右倍左右 n膜分离、低温等其它分离方法膜分离、低温等其它分离方法, 实际的应用不多实际的应用不多 电厂燃烧前减排电厂燃烧前减排CO2的途径的途径 n主要针对现有的合成气主要针对现有的合成气(煤气煤气)发电技术发电技术(主要指主要指 IGCC)而言而言 n用水煤气变换反应提高洁净煤气中的用水煤气变换反应提高洁净煤

33、气中的CO2浓度浓度, 变换后的变换后的CO2分压可以比烟气中的高出分压可以比烟气中的高出2到到3个个 数量级数量级 n可以采用能耗低的物理溶剂洗涤法分离可以采用能耗低的物理溶剂洗涤法分离, 且分且分 离出的离出的CO2压力可达压力可达312个大气压个大气压, 降低了随降低了随 后处理后处理CO2时的压缩能耗时的压缩能耗 n可以实现氢气和电力联产可以实现氢气和电力联产 IGCC燃烧前减排燃烧前减排CO2的途径的途径 IGCC进一步发展的驱动力在哪里进一步发展的驱动力在哪里? CO2减排减排 nA. IGCC的发展历程的发展历程 q上世纪上世纪80年代美国冷水电厂的成功试验引起了全世界对年代美国

34、冷水电厂的成功试验引起了全世界对 IGCC的关注的关注 q九五攻关九五攻关(国家国家863)等计划也将等计划也将IGCC的研究列为重点的研究列为重点 qIGCC“效率高、污染少效率高、污染少”, 似乎代表了燃煤发电的先进方向似乎代表了燃煤发电的先进方向 q十多年过去了十多年过去了, 然而世界新建的然而世界新建的IGCC电厂屈指可数电厂屈指可数 nTampa、New Orleans、Wabash River、Beg、Pentro。 我国烟台虽然已论证多年我国烟台虽然已论证多年, 至今还未开始建设至今还未开始建设 q目前几乎全部新建火电厂仍都是目前几乎全部新建火电厂仍都是“煤粉锅炉煤粉锅炉+蒸汽轮

35、机循环蒸汽轮机循环” 的传统结构的传统结构 B. IGCC发展缓慢的原因发展缓慢的原因(1) nIGCC在效率方面的优势不大在效率方面的优势不大 q目前采用部分整体化空分系统的目前采用部分整体化空分系统的IGCC效率为效率为 38%43%(LHV), 美国美国IGCC电厂电厂4042% (HHV), 而而 采用高参数的煤粉电厂效率可以达到采用高参数的煤粉电厂效率可以达到42%45% q为了提高效率为了提高效率, 欧洲建了几个高度集成的欧洲建了几个高度集成的IGCC示范示范 电厂电厂, 结果发现需要增加结果发现需要增加25%的额外投资的额外投资, 而效率只而效率只 提高了提高了2个百分点个百分点

36、, 另外由于盲目地追求高效率另外由于盲目地追求高效率(设想设想 充分利用从气化炉出来的煤气显热等充分利用从气化炉出来的煤气显热等), 这些复杂示这些复杂示 范电厂的可用性或利用率大大降低范电厂的可用性或利用率大大降低 nIGCC在在CO2排放方面也没有多大改善排放方面也没有多大改善 qEPRI/DOE: IGCC 719 gCO2/kWh, 超临界煤粉电厂超临界煤粉电厂 774 gCO2/kWh, 超超临界煤粉电厂超超临界煤粉电厂 733 gCO2/kWh B. IGCC发展缓慢的原因发展缓慢的原因(2) nIGCC投建费用比煤粉电厂高了投建费用比煤粉电厂高了30%以上以上, $1450/kW

37、 vs. $1050/kW nIGCC实际上也是一个补贴政策实际上也是一个补贴政策 nIGCC涉及到煤气化等化学过程涉及到煤气化等化学过程, 而在大多数电而在大多数电 厂缺乏掌握化学过程的专业人才厂缺乏掌握化学过程的专业人才 q从简单的湿法脱硫技术在电厂的应用历史来看从简单的湿法脱硫技术在电厂的应用历史来看, 在在 电厂应用化学过程十分吃力的电厂应用化学过程十分吃力的 n目前大部分运行情况良好的目前大部分运行情况良好的IGCC示范电厂并示范电厂并 不是高度集成不是高度集成(integrated)的的 C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(1) nCO2减排为减排为IGCC的进一步发

38、展提供了新的动的进一步发展提供了新的动 力和切入点力和切入点 n对四种发电减排对四种发电减排CO2方案的分析方案的分析 q煤粉电厂煤粉电厂, 超临界机组超临界机组(Coal-SCS), 烟气脱碳烟气脱碳, 未减未减 排时排时462.1 MWe q煤粉电厂煤粉电厂, 超超临界机组超超临界机组(Coal-UCS), 烟气脱碳烟气脱碳, 未未 减排时减排时506.2 MWe q天然气联合循环天然气联合循环(NGCC), 烟气脱碳烟气脱碳, 未减排时未减排时 384.4 MWe q燃煤燃煤IGCC(CGCC), 燃烧前脱碳燃烧前脱碳, 未减排时未减排时424.5 MWe C. 发电发电减排减排CO2各

39、方案分析各方案分析(2) C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(3) C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(4) n效率效率 qNGCC降低了降低了10.3个百分点个百分点, 超临界、超超临界煤超临界、超超临界煤 粉发电厂的效率则分别降低了粉发电厂的效率则分别降低了11.6和和11.7个百分点个百分点, 燃煤联合循环效率下降最小燃煤联合循环效率下降最小, 只有只有6.1个百分点个百分点 q原因是烟气中原因是烟气中CO2浓度低浓度低, 采用化学溶剂洗涤分离采用化学溶剂洗涤分离 CO2能耗大能耗大, 另外另外CO2压缩到临界状态压缩到临界状态, 还需要耗很还需要耗很 大功大

40、功, 这两方面的影响使得效率下降这两方面的影响使得效率下降2030% qCGCC燃烧前脱碳燃烧前脱碳, 采用能耗低的物理溶剂洗涤分采用能耗低的物理溶剂洗涤分 离离CO2的方法的方法, 且出口且出口CO2的压力较高的压力较高, 减少了压缩减少了压缩 能耗能耗, 因而效率只下降了因而效率只下降了1015% C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(5) C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(6) C. 发电发电减排减排CO2各方案分析各方案分析(7) n发电成本发电成本 q未减排未减排CO2时时, NGCC最便宜最便宜, 4.13/kWh, CGCC最贵最贵 4.87/kWh

41、q减排减排CO2时时, CGCC最便宜最便宜6.57/kWh, NGCC次之次之 6.65/kWh q煤粉电厂比未减排煤粉电厂比未减排CO2时贵了将近一倍时贵了将近一倍, 加上效率降低很大加上效率降低很大, 因此减排因此减排CO2时时, 煤粉电厂已无吸引力煤粉电厂已无吸引力 nCO2单位减排成本单位减排成本 qCGCC最低最低: 一方面减排量大一方面减排量大, 另一方面发电成本增量少另一方面发电成本增量少 qNGCC约是约是CGCC的的3倍多倍多 n由此可见由此可见, 在未来减排在未来减排CO2问题上问题上, CGCC具有具有 很大的优势。很大的优势。CO2减排为减排为IGCC的进一步发展的进

42、一步发展 提供了新的动力和切入点。提供了新的动力和切入点。 D. 减排减排CO2的政策选择的政策选择(碳税碳税)方面考虑方面考虑(1) n政策选择政策选择 q碳税碳税(排放税排放税)、政府补贴、政府补贴(对减排对减排CO2的企业的企业)或允许减或允许减 排贸易排贸易(商品是商品是CO2减排量减排量)等等 n碳税碳税 q假定天然气价格假定天然气价格$4.63/MM Btu (1.3元元/立方米立方米), 煤价煤价 $1/MM Btu (222元元/吨标煤吨标煤), CO2埋存成本为埋存成本为$37/吨碳吨碳 ($10.1/吨吨CO2) q为推动为推动CO2减排减排, NGCC需要课以需要课以$3

43、00/吨碳吨碳($82/吨吨 CO2)的碳税才能刺激企业自主减排的碳税才能刺激企业自主减排CO2, 换句话说换句话说 NGCC不不“怕怕”碳税碳税 q而而CGCC只需课只需课$125/吨碳吨碳($34/吨吨CO2)的税即可的税即可 q在实行碳税等在实行碳税等CO2减排政策时，减排政策时，CGCC将在将在 促进促进CO2减排方面起到关键作用减排方面起到关键作用 D. 减排减排CO2的政策选择的政策选择(碳税碳税)方面考虑方面考虑(2) E. 燃煤燃煤IGCC进一步发展的方向进一步发展的方向多联产系统多联产系统 n虽然虽然IGCC发展缓慢发展缓慢, 但是基于气化的项目发展但是基于气化的项目发展 很

44、快很快 q目前大约已有总容量为目前大约已有总容量为50,000 MWth的气化炉在运的气化炉在运 行行, 而且仍以每年而且仍以每年5,000 MWth的速度递增的速度递增 q新建项目大部分是炼油行业中气化煤、石油焦或沥新建项目大部分是炼油行业中气化煤、石油焦或沥 青青, 用于多联产用于多联产 n全世界有超过全世界有超过15个固体和个固体和40个液体燃料气化制氢厂个液体燃料气化制氢厂, 制得的氢气大部分用来制造氨肥制得的氢气大部分用来制造氨肥, 另有一部分用于石另有一部分用于石 油冶炼油冶炼; 除中国外除中国外, 还有美国、德国、日本、印度和还有美国、德国、日本、印度和 巴西巴西 n煤或石油焦气化制化学品煤或石油焦气化制化学品: 日本的日本的Ube Ammonia， 美国堪萨斯州的美国堪萨斯州的Farmland和田纳西州的和田纳西州的Eastman Chemicals都有这方面的项目都有这方面的项目 E. 燃煤燃煤IGCC进一步发展的方向进一步发展的方向多联产系统多联产系统 采用多联产系统可以使采用多联产系统可以使IGCC在经济上具有竞争性。在经济上具有竞争性。 从长远看从长远看, 可以降低可以降低CO2减排的成本。减排的成本。 构建真正的零排放能源系统构建真正的零排放能源系统(1) n结论结论 q实现纯粹的氢能经济实现纯粹的氢能经济, 在氢作为车辆用燃料供应方面的在氢作