煤氣化技術(shù)發(fā)展助力中國減少排放和降低成本

作者：高山河；國際思捷有限公司, 香港

煤氣化技術(shù)發(fā)展助力中國減少排放和降低成本

作者：高山河；國際思捷有限公司, 香港

隨著中國現(xiàn)代城市化的發(fā)展，能源的消費(fèi)逐漸轉(zhuǎn)向天然氣，包括電力行業(yè)在內(nèi)的許多工業(yè)領(lǐng)域要么已經(jīng)開始把天然氣作為主要燃料，要么正計(jì)劃著在近期向著這一方向轉(zhuǎn)變。推動(dòng)這一發(fā)展趨勢的主要因素是人們對于環(huán)境問題的擔(dān)憂和中國在當(dāng)前的“十二五”（2011—2015）期間對于清潔能源產(chǎn)業(yè)的大力支持。國家對于全國范圍在減排方面的政策也增進(jìn)了清潔及綠色能源的發(fā)展，這將有助于中國減少對環(huán)境足跡的不良影響。

為滿足國內(nèi)對更為清潔的天然氣需求的不斷增長，中國一直在加大從國外進(jìn)口管道天然氣和液化天然氣；而且石油和天然氣價(jià)格一直居高不下，使得能源工業(yè)領(lǐng)域更為關(guān)注如何通過利用國內(nèi)生產(chǎn)的價(jià)格低廉的煤炭生產(chǎn)出天然氣的有效替代品。近年來，國內(nèi)的一些能源企業(yè)已經(jīng)投入數(shù)十億美元的物力人力用以對國內(nèi)廣闊的煤炭資源進(jìn)行氣化加工，獲得合成氣和工業(yè)化學(xué)制品。煤氣化是國家開發(fā)國內(nèi)資源規(guī)劃中的重要組成部分，煤氣化過程產(chǎn)出的產(chǎn)品有合成天然氣、液化煤、二甲醚、烯烴、乙烯和乙二醇等。

中國煤炭資源豐富，據(jù)最近的統(tǒng)計(jì)顯示我國煤炭保有儲(chǔ)量高達(dá)一萬億噸。但是，由于運(yùn)輸問題，大部分的儲(chǔ)煤并非經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)煤，70%的儲(chǔ)煤位于西部貧瘠的邊遠(yuǎn)地區(qū)，如內(nèi)蒙的鄂爾多斯盆地和新疆的準(zhǔn)格爾、吐哈盆地。然而，如果這些位于邊遠(yuǎn)地區(qū)的煤炭資源能夠得以開采并就地進(jìn)行氣化處理，一旦將其轉(zhuǎn)化成合成天然氣就可用管道輸送至有能源需求的地區(qū)。通過這種方式，煤炭加工所產(chǎn)生的污染物對環(huán)境帶來的破壞便可在生產(chǎn)的源頭通過高科技煤氣化設(shè)備得到更好的控制。雖然我國煤儲(chǔ)量豐富，但是油氣短缺，因此煤氣化是提升我國通過環(huán)境友好型途徑滿足國內(nèi)能源需求的能力的一項(xiàng)有效解決方案。

進(jìn)口燃?xì)鈨r(jià)格不斷上漲，而且人們也擔(dān)心未來是否能夠保持天然氣的供應(yīng)，使得中國急切需要找到替代性的解決方案來開發(fā)國內(nèi)能源。煤氣化不僅是獲得天然氣的一個(gè)新的來源，而且也能帶來了大量多種不同的工業(yè)化學(xué)制品。鑒于煤炭氣化后的實(shí)際用途廣泛而且效益優(yōu)良，全球的能源和化工企業(yè)把煤氣化看作許多全球性問題的一項(xiàng)有效解決方案。對于煤炭資源豐富而油氣資源嚴(yán)重依賴進(jìn)口的各國而言，煤氣化更是一項(xiàng)優(yōu)良的能源解決方案。煤氣化產(chǎn)出的合成氣將有效降低國家對進(jìn)口油氣的依賴。當(dāng)下中國的煤炭儲(chǔ)備豐富，而且在未來的幾十年里將會(huì)保持著這樣的儲(chǔ)備優(yōu)勢。相比進(jìn)口油氣而言，煤炭的價(jià)格要低廉許多，使得開發(fā)合成氣的成本更低、價(jià)格更為穩(wěn)定。

環(huán)保發(fā)電與工業(yè)化學(xué)制品生產(chǎn)

中國的煤氣化工業(yè)一直在向前發(fā)展，通過引進(jìn)國外氣化技術(shù)獲取經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)消化國外技術(shù)發(fā)展本國的氣化設(shè)備。我國目前已根據(jù)需要引進(jìn)了西門子公司的先進(jìn)煤炭氣化技術(shù)，并對其進(jìn)行消化研發(fā)。西門子的500MW級煤炭氣化爐整體設(shè)計(jì)長18米、內(nèi)徑3米、重220噸，是全球最大型、功能最強(qiáng)大的高效的煤炭氣化爐。該氣化爐煤炭日處理量達(dá)2000噸。西門子煤氣化工藝先進(jìn)，硬煤、褐煤及其他物質(zhì)如生物質(zhì)、石油焦和精煉廠廢料等都可作為原料用來生產(chǎn)合成氣；同時(shí)在氣化過程中經(jīng)凈化系統(tǒng)處理徹底清除硫和二氧化碳等環(huán)境污染物。經(jīng)過凈化后的合成氣將可用作環(huán)保型發(fā)電燃料或是化工行業(yè)中的原料。西門子500MW級煤炭氣化爐整體設(shè)計(jì)簡單、可用性高、維護(hù)要求低、同時(shí)具有快速開車和快速停車的特點(diǎn)。

高效氣化爐所生產(chǎn)出的合成氣適用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)工廠（IGCC）的發(fā)電、工業(yè)化學(xué)制品與合成燃料的生產(chǎn)。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠把最新的氣化工藝和先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合。西門子整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)先是在氣化爐中生成合成氣，然后合成氣經(jīng)過凈化系統(tǒng)處理進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒發(fā)電。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的排放水平能夠滿足當(dāng)今最為苛刻的排放規(guī)章的要求，實(shí)際上它的表現(xiàn)性能甚至能超過最為潔凈的蒸汽電廠的水準(zhǔn)。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠采用“先治理后發(fā)電”的策略，通過目前已商業(yè)化的碳捕集技術(shù)直接捕集二氧化碳，根據(jù)需求把二氧化碳的排放降至非常低的水平。西門子的氣化處理工藝憑借著對包括褐煤、煙煤和次煙煤、硬煤、石油焦和生物質(zhì)在內(nèi)的多種不同給料能夠靈活適應(yīng)的品質(zhì)在國際市場上具有突出的領(lǐng)先地位。

西門子氣化處理工藝的獨(dú)到之處在于它可靈活處理多種類型的煤原料，產(chǎn)出的燃?xì)忸愋头N類繁多。通常，氣化過程可用于生產(chǎn)多種類型的燃料，生產(chǎn)出多種不同的終端產(chǎn)品。一個(gè)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠會(huì)有一個(gè)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠，它的燃?xì)馐怯缮嫌螝饣瘡S來供給的。這樣的裝置設(shè)計(jì)使其能夠隨意使用無法在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中使用的固體燃料或是液體燃料。同時(shí)通過一道額外的程序進(jìn)行二氧化碳捕集，在進(jìn)入實(shí)際燃燒程序之前把二氧化碳從燃料中分離出來。除了具有獨(dú)到的多種煤原料氣化技術(shù)外，西門子在運(yùn)行精煉廠的煤氣化整體聯(lián)合循環(huán)工廠的燃?xì)廨啓C(jī)方面也有經(jīng)驗(yàn)（如在意大利的Isab能源公司的Priolo Gargallo煉油廠項(xiàng)目和EniPower公司的Sannazzaro煉油廠項(xiàng)目），在這些項(xiàng)目中把精煉廠液質(zhì)廢料進(jìn)行氣化處理生產(chǎn)出的合成氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。目前西門子燃料氣化工藝已經(jīng)應(yīng)用于中國、澳大利亞和美國等國的多個(gè)煤炭相關(guān)工程項(xiàng)目中，產(chǎn)出的合成氣用作下游化學(xué)制品的加工。

在中國，西門子已為神華寧夏煤炭工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(SNCG)交付了5臺(tái)500MW級煤炭氣化爐。該類型煤炭氣化爐每臺(tái)具有500MW熱容量的生產(chǎn)能力，它們是為中國西北地區(qū)寧夏自治區(qū)的寧夏煤基聚丙烯生產(chǎn)工廠定制的。2011年夏季，在氣化爐交付之后，該廠合成氣每小時(shí)的產(chǎn)量約54萬立方米。神華寧煤集團(tuán)是一家大型煤炭企業(yè)，目前擁有煤炭資源儲(chǔ)量241億噸，煤炭年產(chǎn)量達(dá)3300萬噸。到目前為止，國家有關(guān)部門已核準(zhǔn)了神華寧煤集團(tuán)5項(xiàng)煤化工項(xiàng)目，總投資近1000億元人民幣。這些煤化工項(xiàng)目工廠位于寧東煤田，它是全國13個(gè)億噸級煤炭基地之一。煤化工基地整個(gè)作業(yè)區(qū)面積超過20平方公里，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，附近有一發(fā)電廠。煤田的煤炭品質(zhì)不一，從質(zhì)地較軟的褐煤到無煙煤都有，而西門子交付的氣化爐就是為處理各個(gè)不同類型的煤炭而設(shè)計(jì)的。

寧東煤基地的煤炭氣化廠所處的區(qū)域類似沙漠，屬大陸性氣候，這樣的氣候環(huán)境給煤氣化設(shè)施在設(shè)計(jì)、工程學(xué)以及整套復(fù)雜的化工設(shè)施帶來了更多限制。雖然工廠的用水可以從附近的黃河抽取，但是水資源的不足仍舊是一大問題；因此，在生產(chǎn)過程中需要節(jié)約用水和循環(huán)用水，而寧東煤基地已經(jīng)很好地做到了這一點(diǎn)。由氣化島排出的廢水經(jīng)過一系列的污水處理系統(tǒng)的處理，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，從而在根本上實(shí)現(xiàn)了節(jié)水。寧煤集團(tuán)的煤氣化項(xiàng)目不僅是本集團(tuán)迄今為止最大型的項(xiàng)目，而且也是全世界最大型的煤炭氣化工程，它采用了當(dāng)今世界最先進(jìn)的核心技術(shù)和設(shè)施。寧東煤基地的開發(fā)目的在于把整個(gè)基地全面建設(shè)成為一個(gè)可生產(chǎn)甲醇、二甲醚、聚丙烯和煤制油的綜合性的煤化工、煤炭深加工基地。

西門子還為新疆伊犁市的一座煤炭氣化廠提供了8臺(tái)500MW級的氣化爐。該工廠把當(dāng)?shù)氐膩啛熋恨D(zhuǎn)化為合成天然氣，以減少發(fā)電和供熱用的天然氣進(jìn)口量。在工廠一期完成之時(shí)，該廠每年將生產(chǎn)合成天然氣近20億立方米。該煤氣化項(xiàng)目屬于中電投新疆能源化工集團(tuán)有限公司，它是中國最大的五家發(fā)電企業(yè)之一中國電力投資集團(tuán)公司的子公司。該煤炭氣化廠計(jì)劃將于2015年末上線投產(chǎn)。西門子也為山西省晉城的山西蘭花煤化工公司旗下的煤氣化廠供應(yīng)了2臺(tái)煤炭氣化器，安設(shè)在原本的煤轉(zhuǎn)氨工廠內(nèi)，計(jì)劃采用無煙煤年產(chǎn)30萬噸氨和52萬噸尿素。

中國不斷地在尋找并引進(jìn)新的技術(shù)，確保煤炭生產(chǎn)的清潔能源的穩(wěn)定供應(yīng)，尤其是當(dāng)這些技術(shù)能夠使煤炭對環(huán)境更加友好時(shí)中國更是不遺余力地引進(jìn)。要使燃煤火電廠降低對環(huán)境的污染的有效途徑就是要提高電廠的效率，采用超臨界和超超臨界燃煤機(jī)組及制粉技術(shù)來最大化電廠效率并把污染降至最低。另外一種有效的方法采用目前正逐漸在全球成為流行的煤氣化，將污染較大的‘臟’煤碳?xì)饣傻那鍧嵉暮铣蓺饪捎米髡w煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠的燃料，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠內(nèi)帶有的碳捕集和封存（CCS）系統(tǒng)能夠清潔合成氣，使電廠達(dá)到極高的效率水平，而且廢氣排放要遠(yuǎn)低于天然氣電廠的排放量。

煤炭在現(xiàn)代中國的基礎(chǔ)性關(guān)鍵地位

煤炭在能源、經(jīng)濟(jì)以及在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中生態(tài)環(huán)境的未來等方面都發(fā)揮著舉足輕重的作用。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國的經(jīng)濟(jì)增長每年都能超過增長目標(biāo)。全國范圍內(nèi)對煤炭需求的增長反映出了人民生活水平的持續(xù)提升，本國的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)的發(fā)展。近年來，國家已開始合理化國家的煤炭行業(yè)，并發(fā)展了許多新型清潔煤炭技術(shù)。在當(dāng)前的“十二五”期間，國家對煤炭行業(yè)每年的投資額超過5000億元人民幣。據(jù)國家能源局報(bào)告稱，“十二五”期間將推進(jìn)國內(nèi)的煤炭行業(yè)企業(yè)的兼并重組，讓中國的煤炭企業(yè)更加國際化。

煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃已經(jīng)正式公布：規(guī)劃到2015年，煤炭生產(chǎn)能力達(dá)到41億噸，煤炭產(chǎn)量控制在39億噸，同時(shí)形成10個(gè)年產(chǎn)億噸級、10個(gè)年產(chǎn)5000萬噸級大型煤炭企業(yè)，煤炭產(chǎn)量占全國的60%以上。同時(shí)要推進(jìn)煤礦企業(yè)兼并重組，發(fā)展大型企業(yè)集團(tuán)，關(guān)閉眾多資金不足的煤礦和清除老舊和效率低下的煤礦，有序建設(shè)大型煤炭基地，保障煤炭穩(wěn)定供應(yīng)。最近，國家為降低碳排放，決定到2015年把煤炭產(chǎn)量控制在39億噸。展望未來，國家已開始鼓勵(lì)煤炭企業(yè)和嚴(yán)重依賴于煤炭的終端企業(yè)用戶（如發(fā)電廠）到國外尋找煤炭資源供應(yīng)已保證未來中國的能源供應(yīng)能夠健康穩(wěn)定。

國家能源局統(tǒng)計(jì)到2020年我國將消費(fèi)55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤炭，而且到2030年標(biāo)煤的消費(fèi)水平將達(dá)到75億噸。隨著環(huán)境問題成為了未來能源消費(fèi)的中心問題，中國已經(jīng)采取了多項(xiàng)重要措施以增進(jìn)中國的能源效率。這些發(fā)展措施包括采用新型先進(jìn)技術(shù)的，尤其是在中國這樣一個(gè)70%的能源供應(yīng)都來自于煤炭的國家。中國一直在按照規(guī)劃在國家整體經(jīng)濟(jì)增長模式的范圍內(nèi)對較為老舊能源密集型產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重組升級、節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。中國正在不斷接納各種新型潔凈煤技術(shù)，如煤制化學(xué)制品、煤液化和煤氣化等環(huán)保的方式增加并加強(qiáng)本國能源的可用性和安全性。世界各國應(yīng)向中國學(xué)習(xí)用煤炭實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的成功增長。