煤炭清洁转化技术丛书--煤基多联产系统技术

广义上讲，煤炭清洁高效利用包括煤的安全、高效、绿色开采，煤炭利用前的洗选，煤炭利用中的污染控制与净化，新型清洁煤燃烧与先进煤发电，先进输电，煤清洁高效转化为化学、化工产品，煤基多联产生产化、动、热一体化技术等主要内容。而煤基多联产系统技术是指将煤发电和煤清洁高效转化所涉及的主要工艺单元过程集成优化，通过系统间能量流、物质流的科学分配以实现提高效率、降低成本、节能减排的目的，达到系统整体资源、能源、环境等综合效益最优的煤炭清洁高效综合利用技术。
据国民经济和社会发展统计公报，2022年我国一次能源生产总量为46.6亿吨标准煤，其中原煤占一次能源生产总量的比重为67.4%；能源消费总量为54.1亿吨标准煤，其中煤炭占56.2%。根据中国工程院发布的《中国能源中长期（2030，2050）发展战略研究报告》，到 2050 年，煤炭在能源结构中的理想占比将降为35%，但总量仍有 27.3 亿吨标准煤。因此，中国以煤为主的能源结构在未来较长时期内难以根本改变。与此同时，由于技术水平所限，煤作为燃料和原料的转化利用，2018 年产生的碳排放增速达到了自 2010 至 2011 年度以来的最高水平。2022年中国碳排放同比增加9.1%，这与《巴黎协定》设定的加快转型的目标背道而驰。所以，推进传统能源清洁高效利用，特别是"加强煤炭清洁高效利用"，就成为保障国家能源供给安全、推动我国经济社会发展的引擎。
近15年，煤基多联产系统技术与工业实践得到了快速发展，体现在以中低变质程度煤为主，以热解反应或者气化反应为龙头技术，联合生产化学品、电力、高性能燃料和能源产品的多联产系统工程蓬勃发展。分别有"低阶煤热解多联产与混合发电系统""醇氨动力联产系统""劣质煤热解燃烧分级转化系统技术""热电联产与风电机组联合系统""钢铁制造流程系统""钢铁-　化工-　燃气-　电力-　供热-　供冷多联产系统""煤基液体燃料-　动力多联产系统""多能互补综合能源系统""规模风电并网下多区域互联系统""煤热解分级转化热电油天然气多联产系统技术""煤热解制油和油页岩制油耦合技术""热电化联产联合污染物一体化脱除系统技术"等，这些多联产系统技术的运用和实施，不仅提高了原料能源利用效率、有效元素转化率，而且提升了产品价值，并降低了产品制造成本以及对生态环境的影响程度。但是，煤基多联产系统因为其工艺流程长，技术难度大，能量和物质转化过程复杂，对单元过程的技术要求严格，所以存在多联产系统工程中不同工艺单元优化集成的诸多难题。
根据上述考虑，《煤基多联产系统技术》作为"煤炭清洁转化技术丛书"的一个分册，结合近年来煤基多联产领域的技术进步和工程需要，聚焦于煤基多联产系统技术概念设计与经济性评价，从煤基多联产的概念、多联产系统的发展变迁和多联产系统所涉及关键技术和主要工艺单元技术的介绍，到煤基多联产系统理论基础研究，对已运行的、在建的多联产系统中工艺的配置、产品的选择及相关的系统特性进行了优化与评价分析，对我国多联产系统技术发展中存在的问题、面临的机遇和挑战进行了分析与总结，提出在当前能源环境条件下适于我国社会经济发展的多联产系统技术方案。由于"煤炭清洁转化技术丛书"中已有专门的煤气化、液化、热解、化学品合成等分册，所以本书中的相关内容以概述为主。
本书第 1章由冯杰主笔，对煤基多联产进行了概述；第 2 章煤基多联产的单元和共性技术，由李文英、范鸿霞、李方舟、李旺、薛怡凡编写；第3章是以太原理工大学谢克昌团队开发的"双气头煤基多联产系统"为例，在多联产系统技术理论基础上，详细分析并优化关键单元；第 4 章重点介绍煤基多联产系统技术及工程，从能量、元素的利用率方面分析多联产系统技术的经济性和环境效益，由易群、黄毅、李方舟、魏国强等编写；第 5 章是煤基多联产系统技术的拓展，由荆洁颖、宋云彩、叶翠平等编写。全书由谢克昌院士和任相坤教授审定。
本书内容中涉及的研究结果得到了如下项目资助：中国工程院（学部）重大战略咨询项目（2011-ZD-7-9、2011-XZ-22、2013-ZD-14-5-2、2013-ZD-14-7-2、2016-ZD-07-04-02）、863计划课题（2011AA05A20403、2011AA05A202、2013AA065404）、国家自然科学基金煤炭联合基金重点支持项目 （U1361202）、国家自然科学基金项目 （51276120）、高等学校博士学科点专项科研基金（博导类，20121402110016)、973 计划课题（2011CB201303）。
本书是太原理工大学碳基能源高效清洁利用课题组多年工作和集体努力的成果。随着社会的进步，多种因素的制约，煤基多联产系统技术仍在不断发展中，作者们虽然力求本书高质量面世，但由于知识水平所限，书中定会有不妥之处，真诚希望读者不吝指正，作者将不胜感激。
诚挚感谢科技部、教育部、国家自然科学基金委员会、中国工程院等部委计划项目资助；感谢化学工业出版社对本书出版的支持和付出。

编著者
2023年10月
于太原理工大学

李文英，太原理工大学教授，曾获教育部长江学者奖励计划特聘教授、国家第二批“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、中国青年科技奖获得者、教育部创新团队带头人全国三八红旗手等荣誉称号。围绕煤炭清洁高效转化利用方向，一直从事煤化学化工基础和煤炭资源化技术集成系统研究。包括：煤的物理化学结构与煤热解气化反应性、低阶煤热解与高效转化过程设计、煤基液体产物深加工提质精制、煤制清洁燃料/化学品催化剂研制及工艺开发、基于CO2排放约束的煤基多联产系统过程优化。作为主要完成人获国家自然科学奖二等奖、国家科学技术进步奖二等奖、教育部高等学校自然科学奖一等奖、山西省高等学校科技进步奖一等奖等8项。作为项目负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、教育部创新团队项目等30余项；在国内外学术刊物及学术会议上发表研究论文300余篇；授权中国国家发明专利35件；出版著作2部，参编2部。

本书聚焦煤基多联产系统技术概念设计与经济性评价，提供了在运行的煤基多联产系统工程实例。从煤基多联产的概念、多联产系统的发展变迁和多联产系统所涉及关键技术和主要工艺单元技术的介绍，到煤基多联产系统理论基础研究，对多联产系统建设过程中工艺的配置、产品的选择及相关的系统特性进行了优化与评价分析，对我国多联产系统技术发展中存在的问题、面临的机遇和挑战进行了分析与总结，提出在当前能源环境条件下适于我国社会经济发展的多联产系统技术解决方案。
本书可供煤炭清洁转化和能源化工研究方向的生产单位、相关科研部门、高等院校研究人员和师生参考。

1煤基多联产概述001
1.1煤基多联产的定义001
1.2煤基热电多联产的发展001
1.3煤基热电多联产的分类004
1.3.1蒸汽轮机热电联产004
1.3.2燃气轮机热电联产005
1.3.3燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电联产006
1.3.4核电-热电耦合联产008
1.3.5燃料电池热电联产系统009
1.3.6煤气-燃气轮机-蒸汽轮机整体联合循环发电011
1.3.7我国热电联产存在的问题015
1.3.8热电联产发展前景与展望016
1.4煤基热电化多联产系统019
1.4.1热电化多联产系统的技术特点019
1.4.2热电化多联产系统的基本类型020
1.4.2.1热电化多联产系统的结构分类020
1.4.2.2原料结构形式不同的多联产分类及特性022
1.4.2.3产品结构形式不同的多联产分类及特性027
1.4.2.4能源耦合形式不同的多联产分类及特性028
1.4.3热电化多联产系统存在的问题029
1.4.4热电化多联产发展前景与展望030
1.4.4.1世界热电化多联产主要发展趋势030
1.4.4.2我国热电化多联产主要发展趋势031
参考文献032

2煤基多联产的单元和共性技术034
2.1热解技术034
2.1.1热解工艺发展现状034
2.1.2褐煤热解工艺的关键问题及改进036
2.1.2.1煤热解焦油产率和品质的调控036
2.1.2.2热解过程煤焦破碎和粉尘夹带的管控038
2.1.2.3从化学反应工程角度认知煤热解工艺中的问题038
2.1.3多联产系统煤热解技术的选择039
2.1.4多联产系统煤热解工艺的选择044
2.2煤气化技术047
2.2.1煤气化技术发展047
2.2.2多联产系统煤气化技术的选择049
2.2.3多联产系统煤气化工艺的选择050
2.3高温除尘技术054
2.4合成气制备的重整单元055
2.4.1CO2/CH4重整反应对能量的利用效果057
2.4.2重整反应条件对转化率的影响057
2.4.3催化剂060
2.4.3.1催化剂积炭过程及种类062
2.4.3.2化学链式CO2消炭循环的催化剂再生工艺063
2.4.4反应机理066
2.5高温脱硫技术067
2.5.1高温脱硫在整个多联产系统中的地位067
2.5.2高温脱硫技术的新方法、新技术068
2.5.3高温脱硫技术目前存在的问题及展望070
2.6气体分离技术071
2.7产品选择及其在联产过程中的特点076
2.7.1化工产品选择076
2.7.2联产过程技术特点079
2.7.3液体燃料/化学品合成在多联产系统中的作用与地位082
2.7.4化学品的选择及费-托合成技术084
2.7.5液体燃料的选择及合成技术087
2.7.5.1高温煤焦油加氢制取液体燃料088
2.7.5.2中低温煤焦油加氢制取液体燃料089
参考文献090

3煤基多联产系统理论分析096
3.1多联产系统集成优化理论基础096
3.1.1多联产系统中“组分对口，分级转化”原理098
3.1.2多联产系统中“温度（品位）对口，梯级利用”理念099
3.1.3多联产系统物理能与化学能综合梯级利用100
3.1.4多联产系统能量转换与污染物控制一体化原理101
3.2多联产系统的协同效应与节能减排潜力102
3.3多联产系统全生命周期可持续评价分析105
3.3.1评价体系107
3.3.2评价指标107
3.3.2.1能量方面107
3.3.2.2环境方面108
3.3.2.3经济方面108
3.3.2.4技术方面110
3.3.2.5社会方面111
3.4多联产系统中工艺匹配及优化需考虑的问题111
3.5双气头多联产系统的优化与评价112
3.6关键单元工艺和参数优化115
3.6.1元素利用率π元素函数的建立115
3.6.2能量利用率ε能量函数的建立116
3.6.3约束条件的选择与优化117
3.6.3.1重整反应温度的优化118
3.6.3.2重整反应压力的优化120
3.6.3.3重整反应空速的优化122
3.6.3.4焦炉煤气与气化煤气流量比的优化123
3.6.3.5未反应气循环倍率的优化124
3.6.3.6重整单元CO2+CH4转化率对系统效率的影响125
3.6.3.7优化后系统整体性能表现126
参考文献127

4煤基多联产系统技术及工程129
4.1热电化多联产工程实例——兖矿集团煤气化发电与甲醇联产系统129
4.1.1设备装置及关键技术131
4.1.2投运情况与经济效益138
4.2液体燃料及化学品多联产工程实例——“双气头”煤基多联产系统138
4.2.1气化煤气/焦炉煤气合成醇醚燃料流程的经济评价138
4.2.2多联产系统和单产系统的经济性比较143
4.2.3生产规模对流程经济性的影响144
4.2.3.1生产规模与流程固定投资的关系144
4.2.3.2不同生产规模流程的经济性比较145
4.2.3.3产品生产成本和生产规模的关系146
4.2.4产品生产成本敏感性分析147
4.3其他液体燃料及化学品多联产工程实例148
4.4多联产系统的概念设计与评价149
4.4.1高低温费-托合成联产系统的概念设计149
4.4.1.1高低温费-托合成工艺耦合的基础理论依据150
4.4.1.2高低温费-托多联产系统目标产品151
4.4.1.3高低温费-托联产系统的关键参数影响152
4.4.1.4高低温费-托联产系统全生命周期评价154
4.4.2煤热解焦油与制取合成气一体化（CCSI）的概念设计与评价156
4.4.2.1反应机理156
4.4.2.2工艺流程156
4.4.2.3应用前景157
4.4.3固体热载体褐煤热解-气化多联产系统概念设计与评价158
4.4.3.1褐煤固体热载体热解-气化耦合系统简介158
4.4.3.2褐煤固体热载体热解-气化耦合系统工艺条件分析与选择160
4.4.3.3褐煤固体热载体热解-气化耦合系统经济性分析163
4.4.3.4褐煤固体热载体热解-气化耦合系统综合性能评价164
4.4.4煤化学链气化多联产系统概念设计与评价165
4.4.4.1煤化学链气化多联产系统简介165
4.4.4.2煤化学链气化联产电力系统166
4.4.4.3煤化学链气化氢气/电力联产系统166
4.4.4.4煤化学链气化氢气/电力/化学品多联产系统167
4.4.4.5煤化学链气化耦合温室气体CO2裂解联产合成气及CO系统168
4.4.4.6氧化钼辅助煤化学链气化联合循环发电系统169
4.4.5煤焦油精制燃料和化学品联产系统概念设计与评价171
4.4.5.1工艺流程171
4.4.5.2主要单元172
4.4.5.3系统评价173
参考文献175

5煤炭资源低碳化利用技术179
5.1低碳经济提出的背景和意义179
5.2CO2减排方案181
5.2.1避免CO2排放181
5.2.2CO2捕集与封存182
5.2.2.1CO2捕集182
5.2.2.2CO2封存183
5.2.3碳清除184
5.3煤基多联产中CO2的转化利用184
5.3.1CO2作为气化剂生产合成气185
5.3.2CO2加氢转化186
5.3.3CO2/CH4重整制合成气187
5.3.4CO2制羧酸188
5.4多能耦合减排CO2系统189
5.4.1生物质能-煤基低碳能源系统190
5.4.2风能/光能-煤基低碳能源系统191
5.4.3核能-煤基低碳能源系统192
参考文献193