中國能源系統(tǒng)的戰(zhàn)略思考倪維斗講座

中國能源系統(tǒng)的戰(zhàn)略思考清華大學熱能工程系教授中國工程院院士倪維斗2014年12月提綱一、能源與環(huán)境形勢嚴峻二、煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化2習近平同志最近強調(diào)：能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。面對能源供需格局的新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，必須推進能源生產(chǎn)和消費革命。

——要立足國內(nèi)建立多元供應(yīng)體系，大力推進煤炭清潔高效利用，著力發(fā)展非煤能源，形成煤、油、氣、核、新能源、可再生能源等多輪驅(qū)動的能源供應(yīng)體系。

——推動能源技術(shù)革命，帶動產(chǎn)業(yè)升級。以綠色低碳為方向，分類推動技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新，把能源技術(shù)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)成帶動我國產(chǎn)業(yè)升級的新增長點。3能源與環(huán)境形勢嚴峻全世界，尤其是中國，能源和環(huán)境問題日趨嚴重中國在這個問題上實際上已被逼到“墻角”，是“矛頭”的指向氣候變化：中國每年排放CO2已達95億噸(BP世界能源統(tǒng)計2014，該數(shù)據(jù)與中國官方數(shù)據(jù)相比偏高)，貢獻率達27%，為世界第一能源安全：現(xiàn)狀堪憂，尤其是石油用量的不斷增長，國產(chǎn)石油最多2億噸/年，對外依存度已達59.0%（中國能源統(tǒng)計年鑒2013）。美國卻從前幾年的60%下降到28%（IEA世界能源展望2013），不久美國頁巖氣將出口。我國汽車生產(chǎn)量全世界第一，還要持續(xù)。利比亞、南蘇丹、尼日利亞、緬甸（伊洛瓦底江）……到處被擠壓。4能源與環(huán)境形勢嚴峻PM2.5——是一個非常大且復(fù)雜的問題，來源非常廣泛，主要是化石能源（煤、汽油和柴油）的燃燒。我國煉油工藝和設(shè)備需要大改革。煤焦油中的多環(huán)芳烴進入油品，有機污染物與霧霾等。據(jù)研究，PM2.5的形成過程中NOx和VOC是主要驅(qū)動力。我國官員和全體人民是否有強烈的危機感？我國是否對此做好了臨戰(zhàn)準備？5如何在2011~2050年間用好1000~1200億噸標煤十億噸標準煤數(shù)據(jù)來源：BP2030世界能源展望，2011世界一次能源消費預(yù)測6在世界一次能源消費中的比重數(shù)據(jù)來源：BP2030世界能源展望，20117全球能源消費產(chǎn)生的二氧化碳排放量數(shù)據(jù)來源：BP2030世界能源展望，2011十億噸二氧化碳8TheworldThefutureofcleanenergyisdirtycoal92010202020302050一次能源消費總量(108

tce/a)32.54555652010–2050累計煤炭消費≈1000億噸標煤一次能源消費預(yù)測Δ=1.25Δ=1.0Δ=0.5兩個要點：煤仍為主力能源2013年我國人均能源消費量約為2.6tce/a，遠低于美、德、法、日等國預(yù)計2030年我國人均能源消費量4tce/a（預(yù)計人口14億）10數(shù)據(jù)來源：工程院

中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究，2011CO2排放CO2排放峰值出現(xiàn)時間203020352040峰值（億噸CO2/年）8090100在2030年后大幅度減排CO2主要還是靠煤的清潔低碳利用！11數(shù)據(jù)來源：工程院

中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究，2011中國可再生能源的發(fā)展趨勢6億噸標煤占總量45億噸標煤的13.3%12數(shù)據(jù)來源：工程院

中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究，2011應(yīng)對全球氣候變化，國際上可能留給中國的CO2排放空間已經(jīng)非常小——應(yīng)及早主動應(yīng)對而不是被動減排若要將未來全球溫升控制在2~3攝氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年減少50%左右，只能排放104億噸(1990年208億噸)，這也就是屆時全球CO2排放的總空間。即使發(fā)達國家承諾減排其中80%，發(fā)展中國家整體上也需要比2005年減排36%。中國正處于CO2排放的上升期，面臨國際上對我國CO2排放峰值出現(xiàn)時間和絕對值的要求（譬如2030年80億噸，2035年90億噸，2040年100億噸等），在已經(jīng)大力強化節(jié)能和發(fā)展核能和可再生能源的條件下，未來在碳減排上仍將處于被動狀態(tài)。關(guān)鍵是我們把CO2減排真正看做自己和國際上的需要，還是國際上對我國發(fā)展的制約？是否真心想減排？13不可改變的事實煤現(xiàn)在是、將來仍是我國能源的主力。66.6%50%煤炭是中國最重要的能源，生產(chǎn)和消費的數(shù)量大、比重高，短期內(nèi)難以替代。煤用于發(fā)電的比例將越來越大。從目前的49.8%上升到70%以上，絕對量的增加更大。煤的直接燃燒已引起嚴重的環(huán)境污染。70%~80%以上的SO2，NOX，汞，顆粒物，CO2等。煤的直接燃燒很難解決溫室氣體減排問題。數(shù)據(jù)來源：現(xiàn)狀來自中國能源統(tǒng)計年鑒，201314不可改變的事實根據(jù)我國探明的化石能源儲量，煤炭占94%的資源特點，以煤為主的能源格局在相當長的一段時間內(nèi)還會持續(xù)。以煤為主的可持續(xù)發(fā)展的出路在于高效清潔利用（包括CCS）。2012年我國煤炭消費36.7億噸（13年概略為37.5億噸）（包括進口2.9億噸），其中用于發(fā)電（含熱電聯(lián)產(chǎn)）為18.3億噸，僅占總消費量的49.8%。2012年世界煤炭消費中用于發(fā)電的比例約為53.5%，更低于美國98%和德國89%的水平。數(shù)據(jù)來源：現(xiàn)狀來自中國能源統(tǒng)計年鑒，2013；使用標煤計數(shù)15煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的途徑先進的燃煤發(fā)電技術(shù)進一步提高能效，減少排放例如：上海外高橋第三發(fā)電廠IGCC煤基多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)過程集成，物質(zhì)和能量多維度梯級利用甲醇電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)煤“拔頭”提質(zhì)??16I.上海外高橋第三發(fā)電廠的先進指標原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱、低溫海水冷卻機組，2009年供電煤耗（不含供熱）286.08克/千瓦時（凈效率42.93%），平均發(fā)電負荷率89%。折合75%負荷率下的供電煤耗288.48克/千瓦時。平均負荷率75%75%74%81%77%年平均運行供電煤耗（含脫硫、脫硝）全國發(fā)電平均煤耗330gce/kWh17現(xiàn)在的實際運行性能在全年平均負荷率為75-81%的條件下，其實際全年平均供電煤耗（包括脫硫和脫硝）276gce/kWh，折算到額定負荷下的供電煤耗為264gce/kWh全年平均實際供電效率（包括脫硫和脫硝）為44.5%如果將全年平均實際供電效率折算至設(shè)計工況，則供電效率應(yīng)為46.5%排放濃度

粉塵排放：11.63mg/m3；

二氧化硫SO2：17.71mg/m3；

氮氧化物NOx：27.25mg/m3廠用電率（額定負荷）：2.0%兩年來被迫停機率：0已達到氣體燃料的排放指標18創(chuàng)新和優(yōu)化對外三廠的供電效率的改善年份20082009201020112012實際供電效率（包括脫硫和脫硝），%42.7343.5343.9744.5044.40實際供電煤耗（包括脫硫和脫硝），gce/kWh287.44282.16279.39276.02276.14年平均負荷率，%7575748177根本問題是CO2的捕捉與處理，這是外三模式所不能處理的問題。19自主產(chǎn)權(quán)成果：高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機組技術(shù)特點：采用高低位方式布置雙軸、二次中間再熱發(fā)電機組，將高壓汽輪機、第一中壓汽輪機和第一發(fā)電軸系高位布置在緊靠鍋爐的位置；第二中壓汽輪機、低壓汽輪機和第二發(fā)電機等低位布置在常規(guī)汽輪機房。技術(shù)優(yōu)點：有效縮短高溫高壓蒸汽管道長度，節(jié)省大量高溫高壓管道；大大降低主蒸汽和再熱蒸汽的壓力損失。20自主產(chǎn)權(quán)成果：高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機組1350MW、二次再熱、超超臨界機組高低位分軸布置汽輪發(fā)電機組設(shè)計參數(shù)：額定功率：1350MW主蒸汽流量：3229T/h，最大3416T/h主蒸汽壓力/一次/二次再熱蒸汽壓力：

30MPa/9.17MPa/2.25MPa主蒸汽溫度/一次/二次再熱蒸汽溫度：

600℃/610℃/620℃冷卻水溫：19℃21自主產(chǎn)權(quán)成果：高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機組（續(xù)）技術(shù)目標：

在成熟的600oC參數(shù)下，目標為能耗指標發(fā)電效率50.75%發(fā)電凈效率（含脫硫、脫硝）48.92%供電標準煤耗251g/KWh環(huán)保指標SO2排放濃度≦15mg/m3NOX排放濃度≦20mg/m3煙塵排放濃度≦5mg/m322燃煤超超臨界蒸汽電站（USC）

不一定是煤高效利用的唯一重點方向歐盟AD700計劃（37.5MPa/700℃/720℃，η=52~55%），此工作自1998年在歐盟國家已開展了10余年，至今未商業(yè)化使用大量昂貴的合金材料，其根本原因在于鍋爐是外燃式，高溫煙氣要通過管壁來加熱工質(zhì)。我國28MPa、600℃超超臨界參數(shù)鍋爐所用的材料P91、P92主要靠進口，1000MW級機組鍋爐成本約5億，其中2.5億用于進口材料。目前已運行的超超臨界鍋爐已發(fā)生過熱器蒸汽側(cè)管道較嚴重的腐蝕問題，其機理不明。若要進一步提高蒸汽溫度（如720℃或以上）和相應(yīng)壓力，在材料方面會有更高的要求，這種高級合金的每單位裝機所用數(shù)量是相對比較大的，材料的價格是一大關(guān)鍵。23燃煤超超臨界蒸汽電站（USC）

不一定是煤高效利用的唯一重點方向煤直接燃燒，從煙氣里收集CO2代價很大煙氣中CO2濃度低（濃度大約13~14%，70~80%都是氮氣）、壓力低、處理的煙氣體積流量大，因而能耗大（分離和再生過程均是耗能的）按目前的技術(shù)，CO2捕捉和埋存使整個燃煤發(fā)電效率降低11個百分點，投資將增加1倍。原來發(fā)電效率是45%，則加上CO2捕捉、埋存環(huán)節(jié)會降為34%。隨著環(huán)保要求越來越高，尾部煙氣所需脫除的污染物標準越來越嚴，除SO2、NOX、Hg、PM2.5，進一步還有CO2（在直接燃燒條件下脫除要耗費較大能源和成本）燃煤超超臨界蒸汽發(fā)電從技術(shù)、經(jīng)濟（價格）、常規(guī)污染物的脫除、CO2減排上都具有一定先天性的缺陷24各種典型捕碳發(fā)電系統(tǒng)捕碳前后的效率

（捕碳率為90%，NETL）燃燒后捕集燃燒前捕集富氧燃燒捕集SubPC亞臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組SCPC超臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組Texaco采用Texaco水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組E-Gas采用CoP水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組Shell采用Shell干煤粉氣化爐+廢鍋流程的IGCC發(fā)電機組25各種典型捕碳發(fā)電系統(tǒng)捕碳前后的發(fā)電機組

單位投資成本（捕碳率為90%，NETL）燃燒后捕集燃燒前捕集富氧燃燒捕集SubPC亞臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組SCPC超臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組Texaco采用Texaco水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組E-Gas采用CoP水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組Shell采用Shell干煤粉氣化爐+廢鍋流程的IGCC發(fā)電機組26各種典型捕碳發(fā)電系統(tǒng)捕碳前后的單位發(fā)電成本

（捕碳率為90%，NETL）燃燒后捕集燃燒前捕集富氧燃燒捕集SubPC亞臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組SCPC超臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組Texaco采用Texaco水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組E-Gas采用CoP水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組Shell采用Shell干煤粉氣化爐+廢鍋流程的IGCC發(fā)電機組27各種典型捕碳發(fā)電系統(tǒng)的單位減碳成本

（捕碳率為90%，NETL）燃燒后捕集燃燒前捕集富氧燃燒捕集SubPC亞臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組SCPC超臨界煤粉鍋爐發(fā)電機組Texaco采用Texaco水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組E-Gas采用CoP水煤漿氣化爐+激冷流程的IGCC發(fā)電機組Shell采用Shell干煤粉氣化爐+廢鍋流程的IGCC發(fā)電機組28II.IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）IGCC系統(tǒng)的熱效率為44%華能公司在天津建成一套200MW的IGCC電站IGCC系統(tǒng)復(fù)雜，首套造價12000￥/kW，超臨界約為￥4000/kW來自空分設(shè)備合成氣CO+H2燃氣1400oC29IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）捕捉CO2較容易合成氣壓力高，≈3~4MPaCO2濃度高，≈40%由于單位裝機投資較大，所以以氣化為基礎(chǔ)的IGCC只用于發(fā)電在經(jīng)濟上有較大問題，暫不適合推廣30shift合成氣CO+H2（從氣化爐來）蒸汽CO2H2燃燒室III.多聯(lián)產(chǎn)：煤炭現(xiàn)代化協(xié)同利用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以煤氣化技術(shù)為核心，通過化工合成與動力生產(chǎn)過程的集成耦合，實現(xiàn)了煤炭物質(zhì)和能量的梯級轉(zhuǎn)化與利用。多聯(lián)產(chǎn)是可持續(xù)發(fā)展的,技術(shù)上有良好繼承性和可行性,有良好經(jīng)濟效益

和

環(huán)保性能，具有捕捉CO2的天性，是實現(xiàn)未來CO2捕捉和埋存的途徑，它對于中國乃至世界都具有非常重要的戰(zhàn)略意義不需要特殊的技術(shù)突破,同現(xiàn)有技術(shù)是連貫一致的。富集的CO2容易捕捉和分離，易與天然氣化工過程銜接,即多聯(lián)產(chǎn)具有捕捉CO2的天性。如何利用CO2？這是中國CO2減排的戰(zhàn)略方向。31多聯(lián)產(chǎn)：資源/能源/環(huán)境一體化能源系統(tǒng)多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品：1、城市煤氣2、電力3、熱/冷4、液體燃料5、化工產(chǎn)品6、氫氣7、純CO232多聯(lián)產(chǎn)：多維度梯級利用過程相互耦合，實現(xiàn)能量流、物質(zhì)流、流等總體優(yōu)化氫碳比合理優(yōu)化利用（若是一股腦燒掉太可惜）盡量減少“無謂”的化學放熱過程（Shift）熱量的梯級利用（過程內(nèi)部和燃氣/蒸汽聯(lián)合循環(huán)）壓力潛力的充分利用（高壓反應(yīng)、各種膨脹……）物質(zhì)的充分利用（如CO2）電力與化工在運行中可起相互調(diào)峰的作用33多聯(lián)產(chǎn)：能量與物質(zhì)梯級利用按化工生產(chǎn)與動力過程的耦合方式：并聯(lián)、串聯(lián)有無水煤氣變換有無反應(yīng)氣循環(huán)34氣化爐合成氣凈化甲醇合成燃氣輪機空分系統(tǒng)甲醇精餾余熱鍋爐蒸汽輪機shift煤空氣合成氣純氧氮氣甲醇電力反應(yīng)氣循環(huán)水煤氣變換并聯(lián)串聯(lián)35多聯(lián)產(chǎn)：能量與物質(zhì)梯級利用通過過程集成，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在能量利用上獲得收益評價指標--節(jié)能率：聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原料消耗與單獨系統(tǒng)原料消耗（產(chǎn)出相同）相比的下降率與單產(chǎn)系統(tǒng)相比，并聯(lián)系統(tǒng)中獲得的節(jié)煤收益甚微；而串聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)煤效果顯著，特別是串聯(lián)無變換系統(tǒng)，節(jié)煤率能夠達到8%。36多聯(lián)產(chǎn)：能量與物質(zhì)梯級利用從物質(zhì)利用角度，最終轉(zhuǎn)化為化學產(chǎn)品的元素定義為被有效利用。通過過程集成，串聯(lián)系統(tǒng)的碳元素利用率和氫元素利用率均優(yōu)于并聯(lián)。與串聯(lián)完全變換系統(tǒng)相比，無變換系統(tǒng)的物質(zhì)利用率較高，特別是氫元素利用率有明顯地提高。綜合考慮能量利用和物質(zhì)轉(zhuǎn)化水平因素，無變換、一次通過的串聯(lián)系統(tǒng)性能最優(yōu)37多聯(lián)產(chǎn)：能效進一步提升伴隨單元技術(shù)進步，多聯(lián)產(chǎn)能效可以進一步地提升火用效率串聯(lián)無變換一次通過45.5%38多聯(lián)產(chǎn)：能效進一步提升A：高溫合成氣凈化技術(shù)（盡可能利用合成氣的高溫顯熱）火用效率串聯(lián)無變換一次通過45.5%49.3%高溫凈化技術(shù)39多聯(lián)產(chǎn)：能效進一步提升B：離子膜分離制氧技術(shù)（降低制氧的能耗）火用效率串聯(lián)無變換一次通過45.5%49.3%50.1%高溫凈化技術(shù)膜分離制氧技術(shù)40多聯(lián)產(chǎn)：能效進一步提升C：1700oC燃氣輪機技術(shù)（提高熱功轉(zhuǎn)換水平）火用效率串聯(lián)無變換一次通過45.5%53.0%49.3%50.1%高溫凈化技術(shù)膜分離制氧技術(shù)1700oC燃機技術(shù)41多聯(lián)產(chǎn)：能效進一步提升D：水煤漿預(yù)熱技術(shù)（減少煤漿中水的汽化潛熱，降低氧耗）火用效率串聯(lián)無變換一次通過45.5%53.0%57.3%49.3%50.1%高溫凈化技術(shù)膜分離制氧技術(shù)1700oC燃機技術(shù)水煤漿預(yù)熱技術(shù)42多聯(lián)產(chǎn)：綜合解決我國能源問題的重要方案有助于緩解能源總量要求聯(lián)合生產(chǎn)多種產(chǎn)品，效率提高可以減少總量需求；采用高硫煤拓展了煤炭資源的利用。有助于緩解液體燃料短缺可以大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇、二甲醚、F-T合成油和氫等替代燃料，緩解石油進口壓力。徹底解決燃煤污染問題完全消除常規(guī)燃煤污染物排放，重金屬等痕量污染物脫除更經(jīng)濟。43多聯(lián)產(chǎn)：綜合解決我國能源問題的重要方案有助于解決快速城市化引起的小城鎮(zhèn)和農(nóng)村潔凈能源問題：為具有天然氣管道的城鎮(zhèn)提供城市煤氣煤制DME可以作為LPG的補充或替代物，很可能是小城鎮(zhèn)尤其是住宅高度分散的農(nóng)村地區(qū)的最終能源解決方案滿足未來減排CO2的需要煤氣化系統(tǒng)可以以較小的成本捕捉CO2在煤的清潔高效利用方面電化共軌有很大潛力，是重要方向44IV.實施CCUS戰(zhàn)略——CCUS三階段煤的高效清潔利用離不開：CCUSCCUS技術(shù):CarbonCapture,UtilizationandStorage，即CO2的捕獲、利用與封存技術(shù)。中國CCUS目前已有很大的潛力，關(guān)鍵在于國家重視，全面安排。按照我國國情走自己的路，不要老受國外的影響。我國現(xiàn)代化的能源發(fā)展戰(zhàn)