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科学智慧火花
建言献策

关于发展清洁化气体能源的建议

(中科院老专家咨询团)


我国能源工业和重工业的发展有很多经验与教训。现在我国已经是世界钢铁产量第一大国,也是世界耗能大国。但我们需要认清形势,解放思想,采取符合我国国情和世界科技进步潮流的能源工业和重工业的方针。目前工业发达国家已经开始进入“后信息网络化时代”,今后我国能源工业和重工业的发展的方针应该是:清洁化、科学化、全球化。目前过程工程学需要解决三个问题:1)京津冀地区直接燃煤发电低效率和大气雾霾的灾害;2)寻求重工业高炉产能过剩合理和可行的出路;3)解决现代化的化学合成工业需要发展的原料制约。

为此我们提出以下建议。

一、坚定清洁化气体能源方向

清洁化气体能源应该是氢气、天然气、CO+H2合成气等,从过程工程学角度看,甲烷是一种清洁的气体能源。因为甲烷在有足够助燃气体的混合物中,在达到闪点温度后,其燃烧速度和传播速度极快,瞬间即可完成,基本上是不产生PM2.5的清洁燃料。但在助燃气体不够时,它也可能产生炭黑,所以有人认为它不完全是清洁燃料。

大气雾霾产生的主要机制是:少量颗粒状煤炭或微粒状的重烃类液滴,直接加入到高温炉膛、高温气缸和以火焰为主的热态大环境中,在局部燃烧未能充分进行时,就可能产生PM2.5的微粒。

本文建议:为了扩大我国清洁气体能源的来源,必需探索各种可能的途径。将“高炉过剩产能改为煤气化炉”的方案,就是一条可行的解困之举。其过程温度示意图见图1。在进行煤炭气化时,在竖炉移动床上,固体和气体是逆向对流传热过程,其温度分布,使它不具备产生PM2.5微粒的条件。

在图1中,上面两层是预热层和预反应层,固体温度自上而下逐步升高,从室温升至1000°C左右。上行的气体温度在燃烧区是1600-1800°C 左右,经过CO2+C==2CO 吸热反应区,温度降至1300-1400°C左右。进入上部的预反应区,再逐步降至250-300°C的煤气。气体中携带小分子煤焦油,但不大会含PM2.5的微粒。气体净化后,大部分是CO+H2和CH4等高热值煤气。稍微加工,它就是一种清洁气体能源。

目前我国将逐步会有很多产能过剩的高炉被关停,以缓解钢铁产能过剩问题。从原理上讲,高炉有可能改造为造气炉。利用它可将我国大量的非焦煤、褐煤、泥煤、油母页岩、油砂、秸秆、废聚合物等固体能源资源,变为清洁的气体能源。

图1 高炉煤气化时不同料层的温度分布示意图


近年美国页岩气的发现和成功开采,其意义超出了美国的范围,具有全球性的价值,它扩大了清洁气体能源的产生范围。据美国科学家推测,中国同样有大量的页岩气储藏,可能不会太久,我国石油界在学习和掌握页岩气的开发技术后,也会有一定的进展。

另外一个清洁气体能源就是甲烷水合物(以下简称甲烷冰),据科学家估计,其储量可能比现在已经发现的所有可燃矿物的总和还多。日本开发海底甲烷冰的科研工作已有多年,最近又派出科考船,进行探索式开发。我国要加速开发工作,需由国家统一指挥,具体委托一个部门,组织全国力量迅速落实工业开发的路线图和工程进度的日程表。

二、改变直接燃煤发电现状

目前国家的电力工业约有65-70%以直接燃煤为主,每年煤耗约25-30亿吨。国家规划到2020年,全国煤耗将达到42亿吨/年的极值。但采用的方法多是直燃式煤炭发电,目前其热电总效率约为30-33%。

国内外不少人士提出:煤炭发电应该先造气后发电(IGCC方法),据说可以提高热电效率,减少PM2.5的产生,但是实现的难度也相当大。

煤气发电(IGCC)技术上不能产业化的主要原因:1)发电厂的领导和群众对直燃煤危害的认识还不到位;2)化学工业中几个常用的煤气化方法规模太小,到煤气中去的煤中热量仅有70%左右,热量损失大;3)在煤气化过程中,需要有大型制氧机,电站建厂时,为了节约投资都未采用;4)目前煤炭直燃发电的大国企领导,大都不太清楚如果改为IGCC发电,其投资能否及时得到回收。所以IGCC发电方法在我国应用并不多。

近年来,我国钢铁产量达到8亿吨/年,高炉的产能已经接近10亿吨/年,产能严重过剩。它的出路是:一方面淘汰一批落后的土小高炉;一方面应该将部分技术和规模较好的过剩高炉改为造气炉,进行钢铁企业的产品多元化。

产品多元化的一个重要措施,就是将产能过剩的大中型高炉变为大的造气炉,将煤用氧气在高炉中集中进行气化。一座大高炉的规模,常可达到几十个甚至上百个化工造气炉的规模。采用模拟移动床回收液态炉渣热量后,有可能使从煤到煤气的热收率提高到80-85%左右。大量的优质煤气(CO+H2)一方面可给发电厂提供廉价的清洁气体能源;另一方面也可用来建立原料网络化的化工产业园区,进行化工材料的大量合成。后者有可能为21世纪化学工业网络化、轻型化、规模化的大发展创造条件。

三、发展大型清洁气体能源发生器和网络化供气

一个国家钢铁工业在发展的初期,钢与铁的产量大体相近。随着工业化的进展,废钢逐步积累,一吨钢的铁水需要量逐年下降。目前美国炼一吨钢的铁水需要量大约在50%左右,而我国目前是90%。估计我国钢铁工业的铁水需要量也会很快下降,这是工业发展的趋势。我国高炉产能过剩的问题,如果处理得当,例如“三改一”或“二改一”,就可以为在我国大力发展IGCC发电提供资源和设备

条件,进而从一个重要源头上消除直接燃煤发电产生的大气雾霾。

目前我国还有大量大、中、小高炉。下面拟提出风险最小、影响生产最少的建议:

1)先选一、二个条件好,但又要关闭的100-300立方米小高炉作为实验厂,进行造气工业实验;

2)同时再选一个1000立方米左右的中型高炉作为第一个改造的试生产炉,但仅做到初步设计的程度;

3)待第一个100-300立方米炉子的实验结果可行后,再根据实验结果将初步设计进行必要的修正,在1000立方米高炉上进行工业性试生产,所产生的煤气需与发电厂或化工厂进行连接使用;

4)1000立方米造气炉试生产成熟后,再考虑在3000-4000立方米的大高炉上进行“三改一”或“二改一”的试点;

5)最后再考虑逐步提高造气压力到10~30大气压,并与发电和化工行业相连,形成清洁气体能源网络系统。

为实现上述变革,首先需要国家“发改委”统一领导此项创新性的清洁能源开发事业,组织国内几个大钢厂(宝钢、武钢、鞍钢、首钢),各选派一名高级技术人员参加变革的领导小组;再由各有关科研单位,如中科院相关研究所和相关大学派出代表,参加领导小组;然后,再由拟改造的100-300立方米和1000立方米造气炉的有关厂派出一、二位代表,参加领导小组。领导小组总共11-15位成员,具体领导工作可以在网络上进行和沟通。要建立协商和透明化的机制,所有建议、讨论、决定、实验数据、经费审批、技术会议等,大都在指定范围的内部网络上进行,实行数据全透明化。 

如果有可能,国家也可考虑吸收国内外若干位企业家参加此项“将过剩高炉产能转化为清洁气体能源的开发工作”。社会企业家的总投入上限初期暂不超过49%,成功后的收益分配也需与此对应。

在整个清洁气体能源的供应链打通后,从能源角度来讲,国家应该立法,对再进行违法的、产生大气雾霾的行为,要进行高额罚款的处理。

四、能源清洁化需要先进的科学技术

上面是利用我国过剩的高炉产能将煤炭气化,开发出我国新的清洁气体能

源,进而将之转化为清洁能源的网络系统。其中需要多方面技术科学成就的支撑,绝对不能搞土法上马。下面用实例说明。

1)我国目前的直接燃煤发电,一方面成为大气雾霾的一个重要源头,另一方面,它的发电效率只有30-33%左右。如果利用带有压力的管路天然气清洁气体能源发电,其发电效率可达到52%左右。科学家们还在希望进一步提高燃气透平的温度,预计有可能提高到55%。我国军工方面燃气轮机的进步,将有可能反过来帮助民用高效燃气轮机的进步。

2)如果我们能将煤变为清洁气体能源,我们就会发展不同种类清洁气体的网络,生产出CO/H2为1/2的合成气,那么它的下游,除了发电,还有可能在100-200公里处建立起多种化工合成的工业,如甲醇、乙烯、丙烯、有机复合材料、合成优质柴油等。这些工厂只需要一个合成车间,而不需要一大套煤成型、气化、净化及环保等装置。

3)如果将来需要上缴炭税,我们也可以将CO变为H2,实现氢气燃气轮机发电,将CO2分离出来,送入地下封闭的废矿井中。

4)目前化工行业商用的煤气化装置热收率仅为70%左右,生成的高温煤气和液态高温炉渣总共要带走30%左右的热量。高炉改造气炉的优点是:上层出口的煤气温度大约250-300°C,带走的物理显热不多。由于一座大高炉相当于几十个化工气化炉,液态高温炉渣热的回收系统可以采用模拟移动床方式,将煤到煤气的总热回收率提高到80-85%左右。

5)进一步利用航天的对接技术,将型煤送入气化炉,使其压力进一步提升到10-30大气压。那时IGCC预期的发电效率就有可能达到40-43%左右,比现在的直接燃煤电站的效率(30-33%)大约提高10%左右。

6)我们设计的造气炉,其出口气体温度大约250-300°C,冷却水可以学习核电站的闭路循环设计,从而可使急冷的污水量大为减少,并且可以在内部循环利用,因此有可能不出现污水排放和处理的问题。

7)加压下的气化技术,对一些特别先进的小型高炉的改造,可提供一些生存的机会。待经过经济评估后,只有1000立方米以上的高炉改造,在经济上是合理的,其余的高炉都应该逐步关停。但是如果个别需关停的小高炉的技术条件

很好,职工创新能力很强,愿意承担提高压力的试验任务,就可以逐步将其压力提高到10-30个大气压。那时,经过加压后的300-500立方米的小高炉就有可能变为相当于2500-3000立方米的大气化炉了。

8)将来一些非焦煤、重质烃、废聚合物、秸秆、页岩油、泥煤、油砂等类物料都有可能变成这种人造的清洁气体能源,纳入此清洁气体能源网络系统。

9)在清洁气体能源网络开发时,必需明确规定CO+H2的气体只能进入工业生产厂,而不允许直接入户。原因一是其价格比CH4稍高,二是为了居民的安全。

10)这种大型化的试验任务成功后,对未来在帮助很多发展中国家工业化时,就可避免再出现直接燃煤发电时大气雾霾的灾祸。

11)今后人们也许会从目前的地下开采,过渡到在地下直接将煤、油母页岩等矿床内进行气化,直接开采出清洁气体能源。

五、能源工业、重工业和科学发展紧密结合

上面所述是将发电厂直接燃煤产生大气雾霾与高炉产能过剩二者联系起来,互相帮助解决问题。但是科学的作用不仅于此,例如,城市中大量使用的汽油和柴油也应是被研究的对象,目前,我们仅限于讨论节油的问题。

除了直接燃煤电站以外,大城市雾霾形成的另一个源头是大量使用的汽油和柴油。为了减少雾霾,最经济的方法是直接利用清洁气体能源(如天然气)代替汽油、柴油;最简单的方法是快速发展电动的和清洁气体结合的汽车和载重车;最希望的方法是开发氢燃料电池和超级电容相结合的汽车;同时大力发展地铁和轨道交通,特别是大力发展高铁网络。与此同时,可以提出各种高速行驶车辆和设备,利用超级电容回收利用动能的实际科研成果,给予节能的专项奖励。

从科学角度应该看到,清洁燃料和各种节能措施远未达到尽善尽美。随着工程科学的发展,还会不断出现节能的新领域。例如,高速铁路的动量,在启动时是由电力驱动赋予的,但在停止时,目前还是利用摩擦制动,使动量变为热能完全损失了。如果能利用超级电容将之变为可再生的电能,那么人类就会凭空得到大量的电能。