如何使甲醇/二甲醚生产更“绿色”——风电和现代煤化工的集成

摘要：替代石油化工和替代燃料发展的迫切需求是以甲醇为代表的现代煤化工发展的重要推动力；风能作为可再生能源中技术最成熟、份额较大的一种近年来迅猛发展，每年装机容量增长一倍以上，但是风电的上网和利用有许多难题尚未解决。本文提出的风电与煤基甲醇生产集成的系统，利用非并网风电电解水产生O2和H2，O2作为气化介质送入气化炉，H2作为部分甲醇原料气与气化炉生产的富碳合成气掺混，将H2/CO调整至甲醇生产的合适比例。本系统可以省略昂贵且高能耗的空分装置，同时大大减少CO的变换量，使得煤中的碳元素大部分进入甲醇产品，甲醇产量提高近一倍，并有效降低CO2排放。本系统切合我国能源发展现状，煤资源和风力资源自身及其分布的特点，具有重要的现实和战略意义。

关键词：风能；非并网；煤基甲醇/二甲醚；电解1、甲醇/二甲醚的需求近年来，我国石油消费量和对外依存度均逐年增长，2007年我国石油消费量为3.657亿吨，其中净进口量为1.794亿吨，对外依存度达到49.05%[1]，今后将继续增加。在我国，随着汽车保有量的不断增加，汽车对石油的消耗和尾气的排放对大气带来的污染日益严重。因此，从能源安全和环境污染考虑，发展替代燃料便成为当务之急。我国能源的总体情况是多煤缺油少气，车用液体燃料还是得从煤基替代燃料上找出路。大力发展现代煤化工以缓解石油供应，提高能源安全是我国能源系统的发展趋势之一[2]。甲醇/二甲醚作为液体燃料，其储运、分配、携带和使用都与传统的汽、柴油类似。此外，相对于汽油和柴油，采取适当措施后其汽车尾气排放更为清洁。因此世界上许多国家的政府和汽车企业都大力推动甲醇替代汽油和二甲醚替代柴油的研究、实验和推广。我国从上世纪80年代起开展了有关甲醇燃料和甲醇汽车的研制和推广工作，也取得了巨大的成绩。此外，由于石油的短缺，我国烯烃和丙烯的缺口日益增大，以煤基甲醇来生产烯烃和丙烯也是缓解石油进口的一个重要技术路线。因而在我国新型的以甲醇为基础的煤化工势在必行。

2008年我国甲醇产量将达到1100万吨。初步估计2015年我国甲醇产量将达到3000万吨，到2020年用于化工生产的煤炭将达到3-4亿吨标煤。虽然煤炭对我国来说也是稀缺产品，但相对其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料（或甲醇，或二甲醚，或煤制油）的生产，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。煤化工目前的发展势头非常迅猛，包括甲醇、二甲醚、煤制烯烃、煤制油等。如大唐内蒙多伦的165万吨/年的褐煤制甲醇项目，已成为我国目前最大的甲醇项目，其它多个大项目正在规划、设计和建设中。

但以甲醇生产为代表的现代煤化工行业通常都要排放大量的CO2，同时煤化工行业也要消耗大量的水。大约1吨甲醇生产-排放CO22.5吨，消耗水5-10吨。由此产生的问题是大量的CO2排放和低碳经济、气候变化不相容。我国煤炭资源丰富的地区通常水资源都非常匮乏，要大力发展煤基甲醇就必须考虑这两个制约因素。

2、风能利用现状我国经济的快速发展使得化石能源消费总量日益增大，严重影响了环境、能源、经济的可持续发展，可再生能源（水能、生物质能、风能、太阳能等）的大规模、现代化利用日益受到重视。风能技术发展较成熟、在可再生能源中所占份额较大，更为人们所青睐[3]。大力发展可再生能源，尤其是大规模风力发电是我国能源系统的重要发展趋势之一。从数量上而言，我国风能资源较丰富，据估计，风能资源经济可开发量中陆上约6亿kW，海上1.1-1.2亿kW，但风能的随机性和分散性（能量密度低）的特点导致难于大规模地有效利用。此外，风能资源丰富的地区，如新疆、内蒙、甘肃等，一般地处偏远的西部地区，当地负荷小，且电网薄弱，大规模风电的接入导致电网不稳定。风电要接入电网，风机的结构和控制系统不得不复杂化，引起风电基本投资增加。风电的随机性，电网必须要有相应的旋转备用电源，导致总投资增加。图1和图2为位于新疆达坂城和内蒙古赤峰的风场2007年每天的风力发电量，从归一化的结果可以看出，以全年每天的平均发电量为基准，新疆达坂城和内蒙古赤峰的最大和最小发电量相差分别约30和40倍。

图12007年新疆达坂城每天风电电量图22007年内蒙古赤峰每天风电电量2007年我国累计风电装机达到588万kW，位居世界第5位。与2006年相比，累计风电装机容量增加了127%。目前风能以每年100%的发展速度增长，到2008年将达到10GW[4]。我国原有的风电发展规划是到2020年风电装机容量达3000万kW，但按这几年发展的势头，准备重新修改的规划是2020年风电总装机容量将达到1亿kW，是原规划的3倍以上。国家对于风电的发展在政策和财政上也给予了很大的扶持力度，现在各地头在规划风力发电，尤其是风力丰富地区，如内蒙古、新疆、甘肃、江苏等。这些地区的风电规划都超过10GW以上，称之为风电“三峡”。随着风电发展力度的不断加大，这些风电的消化利用是个大难题，如何合理利用风电是一个必须考虑的问题。

3、风能和煤炭资源综合利用我国能源资源较丰富的地区，具有多种能源，如煤、石油、天然气、风能、太阳能等。如何利用多样化的能源？是各自开发、转化、运输，“各打各的仗、各吹各的号”；还是整合起来，通过综合利用，使得各种能源发挥特长、克服其固有缺陷，达到多种能源综合利用最优化的目的？随着世界经济的快速增长，化石资源日益短缺成为十分尖锐的问题，可再生能源正朝着替代化石能源的方向发展，但在当前和今后相当长的时期内，由于资源和技术发展的限制，可再生能源在我国总能源中尚不能作为一个有份额的替代。因此，可再生能源和传统化石能源（煤、石油和天然气）以集成互补的方式利用将是一个发展趋势。本文提出的风能和煤基甲醇生产集成的系统正是这一发展趋势的体现。该系统的主要思想是：1）非并网风电电解水产生O2和H2；2）O2作为气化介质送入气化炉；3）H2与气化炉生产的富碳合成气掺混，将H2/CO调整至甲醇生产的合适比例[5]。

与传统的煤基甲醇生产系统相比：省去了昂贵且高能耗的空分装置；大大减少了变换的气体量；煤中大部分碳元素进入甲醇产品而被利用，大大减少了CO2的排放，从而达到能量和资源利用整体最优的效果。

4、系统设计与流程模拟图3是单独的甲醇生产系统和风电系统，其中A为传统的煤基甲醇生产系统，B为风电系统。图4所示为风电和煤基甲醇生产集成的系统（简称集成系统）。

采用非并网的风电利用方式，风电利用系统的控制设备可以大大简化，同时无需电网备用系统。

图3单独的甲醇生产系统和风电系统图4风电和煤基甲醇生产集成的系统传统煤基甲醇生产系统和集成系统的系统简图分别如图5和图6所示。从图5可以看出，传统煤基甲醇生产系统的煤中的碳元素去向包括两部分：一部分作为甲醇中的碳存在于甲醇产品中，另一部分以CO2的形式排放到大气中。CO2主要有两个排放源：一是变换之后的CO2分离过程，为使气化炉生产的富碳合成气满足甲醇合成原料气H2/CO的要求，而进行变换和CO2分离操作，这是最主要的来源；二是弛放气在余热锅炉中燃烧后排放的CO2。

从图6的集成系统中可以看到，和传统煤基甲醇生产系统相比，采用风电电解水生产O2和H2，一方面省略了空分装置；另一方面H2用于掺混富碳合成气进行调比，同时根据煤种进行少量的变换过程，大大减少富碳合成气的变换量，进而有效减排CO2。在图6中，需要有O2和H2储气罐来平衡不稳定的风电和相对稳定的化工生产。

图5传统煤基甲醇生产系统简图图6集成系统简图利用AspenPlus分别对传统煤基甲醇生产系统和集成系统进行流程模拟[6]，计算的主要结果如表1和2所示。在计算中电解制氢的电耗为4kWh/mH2。

本系统进行模拟时，选择两种不同的煤种，对应不同的原料气H2/CO，分别为0.623和0.758。表1的案例1与2中，在相同的煤耗下，集成系统的甲醇产量是传统煤基甲醇生产系统的1.93倍，CO2排放减少了57.2%；案例3和4在相同的煤耗下，集成系统的甲醇产量是传统煤基甲醇生产系统的1.66，CO2排放减少了47.9%；此外，由于电解，案例2和4的耗水量分别增加了19.9%和14.5%。

表1不同案例的物质流

原料气H2/CO=0.623原料气H2/CO=0.758案例1案例2案例3案例4系统AA+BAA+B甲醇产量/(109kg·a-1)0.5000.9630.5000.832煤耗量/(109kg·a-1)0.6780.6780.6240.624水耗量/(109kg·a-1)5.0005.9945.0005.723CO2排放量/(109kg·a-1)1.0850.4640.9550.498风电消耗量/(TWh·a-1)―3.976―2.893表2将各种案例下的甲醇产量转换成50万吨/年。

表2的案例1与2中，在相同的甲醇产量下，集成系统的煤耗量、水耗量和CO2排放量分别为传统煤基甲醇生产系统的51.9%、62.2%和22.2%；案例3和4在相同的甲醇产量下，集成系统的煤耗量、水耗量和CO2排放量分别为传统煤基甲醇生产系统的60.1%、68.8%和31.3%。

表2相同甲醇产量下不同案例的物质流原料气H2/CO=0.623原料气H2/CO=0.758案例1案例2案例3案例4系统AA+BAA+B甲醇产量/(109kg·a-1)0.5000.5000.5000.500煤耗量/(109kg·a-1)0.6780.3520.6240.375水耗量/(109kg·a-1)5.0003.1125.0003.440CO2排放量/(109kg·a-1)1.0850.2410.9550.299风电消耗量/(TWh·a-1)―2.064―1.7395、基本投资分析为使风电上网，风电系统必须有复杂的控制系统和旋转备用电源等，风电结构设计复杂化，一定程度以牺牲风机的最佳动力学特性和最佳风能区间为代价，使得每度风电成本增加[7]。本集成系统利用简化的风机，并增加了电解装置。风电非并网利用可简化因并网所需的大量辅助设备，降低风电机组的制造成本，据专家估计，与国内外常规风力机比较，成本可降低20%-30%，风机系统设备投资的减少使集成系统在设备投资上更具有优势。电解槽是目前工业上广泛应用的成熟技术，操作温度在85℃左右，风能的间歇性对电解水效率的影响较小，在电解槽不工作期间也无需保温；通过设置H2和O2储气罐来消除风能间歇性生产对气化系统的影响。因此，首先设计出简化的风机大幅度降低风力发电的成本是该集成系统的首要环节。

6、结论风电和煤基甲醇生产集成的系统是一个多赢（win–win–win）的能源系统，其主要优势表述如下：(1)充分合理地利用了大规模的风电，通过集成大甲醇、大风电项目，有效地解决风电上网难和备用等问题；(2)每吨甲醇生产的CO2排放显著减少，是传统煤基甲醇生产系统的22.2%-31.3%，使甲醇/二甲醚生产更“绿色”；(3)在煤耗不变的前提下，甲醇产量增加66%–93%；(4)每吨甲醇的水耗量减少31%-38%，对我国煤和风力资源丰富且缺水的地区，意义尤为重要；(5)梯级利用H2/CO，煤中碳元素的大部分和电解水的氢氧元素的全部进入甲醇产品，对环境、生态的干扰和影响降低到最小；(6)集成系统中所各项设备和技术成熟，并且已在工业生产中广泛应用。

7、讨论1)“把合适的能源放在合适的位置”是发展可持续能源系统的首要原则。在多输入、多输出的能源系统中，每种能源必须根据各自的特点发挥其特殊长处。本文提出的风电与煤化工集成的系统与我国风能、煤炭资源的分布特点紧密结合，对发展我国的现代煤化工是机遇，同时也是挑战。

2）实施风电与煤化工的集成系统对我国能源系统具有重要的战略意义。在我国规划的具有大型煤化工基地的省市，如内蒙、宁夏、陕西、甘肃等已提出年产上千万吨的煤制甲醇项目和建设风电“三峡”的宏伟计划。若不认真整体规划，各行其是，这些项目将会成为一个大量排放温室气体、大量消耗水资源、与生态、可持续发展不能相容的工业群体，从长远来看将长期影响我国能源、环境和生态的发展。因而从现在开始按照各地区的具体情况，认真研究多种能源的集成优化配置（本文提出的系统是一个典型例子），从示范到商业化再到大规模化，要总体规划、分步实施。否则一旦风、煤各种资源在大能源基地没有整合，已形成技术路线锁定和行业壁垒（如现在多联产发展遭遇的化工和发电行业壁垒），几十年内都很难改变。这将导致新型、高效的能源系统很难推进和发展，节能减排困难重重。

3）上述的例子是煤化工100%利用风能，实际的规模和技术发展都有一个演变的过程。在集成系统和传统煤化工之间，按实际发展路线逐步发展。例如100万吨/年甲醇生产系统，其中80万吨采用传统煤化工生产，20万吨利用风电和煤化工集成系统生产，并逐步积累经验。并对集成系统面临的问题，如输气与输电选择、运行工况选择、H2和O2储气罐大小等还需做详细和深入地分析。

参考文献

1.中华人民共和国国家统计局．中国统计年鉴．北京：中国统计出版社，2008

2.NiWeidou.China’senergy–challengesandstrategies.FrontiersofEnergyandPowerEngineeringinChina,2007,1(1):1–8

3.欧洲风能协会，国际绿色和平编著；中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会，绿色和平中国编译．风力12：关于2020年风电达到世界电力总量12%的蓝图．北京：中国环境科学出版社，2004

4.ShiPengfei.BoomingwindpowermarketandindustryinChina.7thWorldWindEnergyConference2008,Kingston,Ontario,Canada,2008

5.高健．IGCC系统及以其为基础的多能源系统的研究．清华大学工学博士学位论文．北京：清华大学，2008

6.麻林巍．以煤气化为核心的甲醇、电的多联产系统分析（上）．动力工程，24(3):451–456

顾为东．中国风电产业发展新战略与风电非并网发电．北京：化学工业出版社，2006