高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）-现代煤化工行业节能降碳改造升级培训材料.pdf
《现代煤化工节能减碳实施指南》关键技术及实施要点 主要内容 1.《实施指南》现代煤化工能耗与碳排放现状 2.升级改造节能减碳关键技术及实施要点 《实施指南》现代煤化工能耗与碳排放现状 《实施指南》现代煤化工范围及特点 行业范围——煤制甲醇——煤制烯烃 煤——煤制乙二醇 行业特点——以煤气化为主导产业——以化工为目标——产业成熟度高——产业规模大 石油和化学工业规划院 《实施指南》现代煤化工碳排放 2020年，煤制甲醇/烯烃/乙二醇二氧化碳排放总量约2.4亿吨，占石油化工行业的17%，占煤化工行业的35%左右。 2020年石油化工行业重点子行业碳排放分布 产量，万吨 CO2排放量，万吨 加工能力 7262亿立方米 其中：煤制合成氨 76% 煤制甲醇 85%（含煤基烯烃的甲醇） 天然气合成氨 天然气制甲醇 焦炉煤气合成氨 石油和化学工业规划院 焦炉煤气制甲醇 煤化工碳流量 原料煤氢碳比低，下游合成所需氢碳比高（全氢或2或3） 中间变换反应引起大量的变换反应 CO+HO＝H+CO 有效CO转化为无效CO2形成 2 2 2 工艺碳排放 碳 氢 燃料煤燃烧提供蒸汽，驱动氢气压缩机透平/制冰机透平/合成气压缩机透平等，在同时煤中的碳全部转化成CO形成2 燃烧过程排放 石油和化学工业规划院 煤化工生产过程特点（能耗原因） 物质变化频繁 高浓度CO2 低压15MPa~450℃ 压力变化中高压22MPa 低压210~300℃5.5－8 MPa 温度变化0.1－0.3 MPa 反应400~500℃ 再生550~700℃ 热交换量大2-3 MPa 主反应320~675℃ 2-4 MPa 高温320~350℃ 电力驱动量大 低温220~250℃ 常压/4.0/6.5/8.~1500℃ 200~400℃ -50~-60℃ DMO 0.5MPa DMO 80~150℃（蒸汽驱动、电驱动） 加氢 3 MPa 加氢 225℃ 低浓度CO2 低压下产生大量余热 产生“三废” 产生CO 2 石油和化学工业规划院 煤化工生产过程能耗分布 煤化工主要耗能工序：气化、空分、合成、净化、压缩、转化、辅助工序 主要耗能设备：压缩机、泵等动力设备 例：煤制烯烃主要耗能工序分布 工艺单元 原料 煤制备 气化 粗煤气 变换 变换气 净化 净化气 压缩 新鲜气 甲醇合成 粗甲醇 甲醇制烯烃 烯烃及其他 3600-1313 2730 - -345 2610-78 2610 -479 2109 - 氧气 空分 - 水蒸汽 水水进料蒸汽 新鲜环盐炉电炉级 新循环脱锅等工序CO排放 图2 kg/t烯烃 进料 工艺单元 出料 燃料煤 公用设施CO2 kg标煤/t烯烃 能耗 kg标煤/t烯烃 1935 公用设施及辅助设施 5418 公用设施能源转换示例 kg/t烯烃 石油和化学工业规划院 节能减碳转型升级关键技术及实施要点节能减碳基本认识节能-节能就是少用，少用就是少排放，少排放就是少治理，能源消耗总量和强度就会下降-技术+意识+管理-进入全面节能时代，现有企业要加大节能力度，跟上节能标准步伐-细致入微，全方位，多角度，时空结合，内外结合源头减碳-配合绿氢、天然气等高氢原料，煤中碳利用中间碳-减少转化负荷直至消除，避免CO转化为CO，并减少该过程中CO的产生和排放22产品碳固定——生产更多的含碳产品；具体来说，应结合产品市场、技术、企业发展意图等，综合权衡、决策，碳治理-捕集与封存石油和化学工业规划院节能减碳水平与维度行业企业技术经济产业布局优化存量（现有企业）产业结构升级生产管理近期技术+经济可行性稳定长期全时优化运行原料路线/企业规模/技术水平原料产品仓储物流管理能源结构升级综合能源管理生产排放安全管理……电驱气驱替代燃煤锅炉必要技术改造重大项目协调满足能效管理政策要求审批/准入规划/窗口指导升级技术/设备/自动控制/节能降耗措施……中期技术可行性、经济可行性能源标准提高增量（新建/改扩建项目）单位产品综合能耗限值产业政策-符合准入产业政策严格（绿色低碳）技术水平-产业先进《产业结构调整指导目录》修订生产规模-经济规则模型（或原料路线——绿色低碳产业融合发展 项目选址——符合规划、入园 绿色金融支持能源利用与环保——能效标杆值、最严环保 长期技术+经济可行 市场定位——有竞争力的行业监管 加强石油和化学工业规划院《实施指南》 关键技术 加强前沿技术开发应用 加强成熟工艺的推广应用 高性能复合新型催化剂 加快绿色技术工艺研发：大型先进煤气化、半/全废锅炉工艺气化、合成气联产供销、高效合成气净化、高效甲醇合成、节能甲醇精馏、新一代甲醇制烯烃、高效草酸独立成套大型空分、大型空压机、大型煤气化炉的示范应用 酯合成及乙二醇加氢、一氧化碳等温转化等重大节能装备：高效煤气化炉、合成反应器、高效精馏系统、智能控制系统、合成气一步制烯烃、绿色氢能及煤化工项目高效降膜蒸发技术、高效压缩机、变压器等项目耦合等前沿技术的开发与应用能量系统优化：热泵、热夹点、热联合等余热余压利用：余热作压力用于副产蒸汽、加热锅炉给水或预热除盐水及补给水、有机朗肯循环发电公辅设施改造：新型、高效、低压降换热器、高效泵及高效节能电机等废物综合利用：高浓度二氧化碳捕集、利用与封存中试，二氧化碳制甲醇、可降解塑料、碳酸二甲酯等产品，灰渣资源化综合利用全过程精细化控制：加强现有工艺和设备的操作维护，减少非计划开车和停车催化剂+工艺技术+设备+系统+废能利用+公辅设施+废弃物综合利用+运行管理高效+先进+节能+最优+充足+配套+合适+稳优石油和化学工业规划院高性能复合新型催化剂高性能复合新型催化剂是化学反应、化学合成的“魔术师”。
催化剂的关键指标：活性（转化率/时空产率）、选择性、稳定性（寿命）、价格（贵金属种类及担载量等）。不同的催化剂需要不同的反应条件（压力、温度、空速等）、有不同的反应效果（产物分布、热交换要求等），从而形成不同的工艺技术方案。催化剂与工艺往往形成一套完整的技术。目前，煤化工常用的催化剂技术已经成熟，可以满足现有的需要。现有企业生产装置使用的催化剂寿命到期后，一般会采用更加高效、节能、经济的催化剂。煤化工常用催化剂 变换反应催化剂（例如：宽温（耐硫）钴钼催化剂） 甲醇合成催化剂（铜基催化剂） 甲醇制烯烃（MTO、MTP）催化剂 各类烯烃聚合催化剂（不同类型、型号的聚乙烯、聚丙烯） 合成气制乙二醇催化剂（CO脱氢催化剂、CO羰基合成催化剂、草酸二甲酯加氢催化剂） 脱硫催化剂 提高催化剂的性能，提高关键性能指标，将能够降低反应难度，优化反应条件或简化工艺，促进节能降耗。 石油和化学工业规划院 甲醇合成催化剂与技术-成熟工艺推广与技术升级 甲醇合成催化剂种类繁多，成熟可靠，未来仍有改进的空间。其导向是：①高活性、高选择性、副反应产物及杂质少、低温抗硫；②催化剂床层温度分布均匀或温差小、床层温度容易控制，易于满足各种操作条件；③催化剂生产强度高、使用寿命长、时空产率高、循环比低、单程转化率高。国内外常用甲醇合成催化剂组成，%操作条件厂商型号压力，MPa温度，℃英国ICI公司51---4.9～6.1210～270英国ICI公司51---7.8～11.8190～270德国Lurgi公司324-54.910～240美国UCI公司C79-21.5～11.7220～330丹麦公司10-50-9.8220～270德国BASF公司35442.7--5220～280西南化工研究院324-55～10210～280华南化工研究院36 4--5~30 210~290 石油和化学工业规划院 甲醇合成催化剂及技术--成熟工艺推广与技术升级 基础工艺 典型工艺与技术供应商 庄信万丰（DAVY）冷凝式甲醇合成反应器--串并联工艺 LURGI公司管壳式甲醇合成反应器--气冷反应器与水冷反应器 串联工艺在公司广泛应用 径向流绝热反应器--并联工艺 大型煤化工项目 林德盘管式等温反应器 TEC公司MRF多级径向流反应器关键元件 三菱重工管壳式冷管复合反应器 华力气冷-水冷串联甲醇反应器 国昌换热管空冷反应器 国产大型甲醇技术 聚踪束管水床低压甲醇反应器积极追赶 林达低压均温盘管式水冷甲醇合成反应器 技术升级方向：着力大型化和节能降耗，进一步提高催化剂性能，开发新反应器、新工艺石油和化学工业规划院 MTO催化剂及技术--成熟工艺推广和技术升级 DMTO 技术进步的核心很大程度上是DMTO催化剂技术的进步 DMTO- IDMTO- - III 湍流流化床MTO反应器 湍流流化床MTO反应器不需要C4+循环裂解 单机甲醇处理能力180万吨/年 C4+裂解反应器 单机甲醇处理能力300万吨/年 反应压力 单机甲醇处理能力180万吨/年 乙烯丙烯选择性~90% 反应温度400-500℃ 反应压力 乙烯丙烯产量~115万吨/年 甲醇转化率~99% 反应温度400-500℃ 乙烯丙烯选择性~80% 甲醇转化率~99% 2006年完成工艺试验 乙烯丙烯选择性~86% 2010年完成工业化（神华: 分子筛催化过程反应-扩散中观机理的建模与控制方法 开发宽操作范围的高性能催化剂 在催化剂颗粒水平上精确描述与控制反应-流动-扩散机理 实现对反应器内催化剂积碳分布的精确控制 反应-流动对流化床反应中团聚体、气泡等结构的控制机理及调控 加压、高甲醇工艺条件下甲醇高选择性转化制乙烯、丙烯 深入了解甲醇制烯烃的反应机理，更好地指导MTO工艺技术的改进和优化 • 碳池机理 • 诱导期现象 来源：中科院大连化学物理研究所 • 烯烃选择性控制原理 新兴能源科技股份有限公司技术报告 中国石油和化学工业规划院（前沿） 一步法生产烯烃催化剂及技术- 加快研发合成气直接生产烯烃（一步法），采用双功能复合催化剂，可针对性地生成低碳烯烃，并大幅提高低碳烯烃产品的选择性（CC）。
当CO转化率为17%时，C2-C4等低碳烃类产物选择性可达94%，其中乙烯、丙烯、2424-丁烯等低碳烯烃选择性达80%。优点：减少反应步骤，省去了转化、甲醇合成、甲醇脱水制烯烃三个反应过程独特的双功能复合催化剂，解决了CO和H2大部分生成甲烷的问题，且实现了催化剂活性和选择性的独立可控目标产物选择性高，易于分离纯化，水耗量大大减少，产生的废水量少，易于处理，氢气消耗少。由于没有H2+O2生成HO的222反应，合成气制烯烃的H2消耗量仅为费托技术的1/42石油和化学工业规划院煤制乙二醇催化剂与技术-成熟工艺推广和技术升级煤制合成气与草酸二甲酯生产乙二醇需要三种关键催化剂，其性能指标对总体工艺、物耗、能量利用率有决定性的影响。十多年来，我国已开发9项煤制乙二醇工业化技术，新技术的研发主要集中在提高催化剂性能、改进反应器和节能降耗等方面。例：草酸二甲酯制乙二醇的三种关键催化剂：CO脱氢催化剂、CO羰基合成催化剂、草酸酯加氢催化剂 典型DMO催化剂性能指标 时空产率 技术商 转化率 选择性g/kg·hA92%95%%~88% 98.5%~99.5% 600-.1%89.1%652-698 典型EG催化剂性能指标 时空产率 技术商 转化率 选择性g/kg·hA99.9%98%%97%~99%250-.9%94%~97%239-.8%89%~95%.5%~99.9% 92.1%~96.0% 320 石油和化学工业规划院 大型先进煤气化技术--成熟工艺推广与技术升级 煤气化是煤化工关键共性技术。我国煤炭气化技术大型化、节能减排已达到国际先进水平，未来需要更多依靠自身力量，继续提升技术水平。半/全废锅炉工艺气化可进一步优化原料煤气显热回收，目前正处于初步推广阶段。气化技术名称 技术厂商 应用对象 壳牌AP干煤粉加压气化 空气产品公司（AP）（收购SHELL煤气化业务） 西门子GSP气化 北京杰斯菲克气化技术有限公司（已解散） 煤气申宁炉煤粉加压气化 宁夏申耀科技有限公司 ① 新建项目 流化床 科林炉 CCG煤粉加压气化 德国科林工业技术有限公司 ② 早期甲醇气航天炉 HT-L煤粉加压气化 航天长征化工工程有限公司 改造升级 GE德士古水煤浆加压气化 空气产品公司（AP）（收购GE煤气化业务） ③ 早期乙二醇金华炉 第三代水冷壁废锅炉加压气化 北京青创金华科技有限公司 多喷嘴对置水煤浆加压气化华东理工大学、兖州煤业集团有限公司 改造升级 鲁奇炉 鲁奇碎煤加压气化 北京鲁奇工程咨询有限公司 固定床 BGL 炉 泽马克碎煤加压渣气化 上海泽马克敏达机械设备有限公司 燃气 德国泽马克清洁能源科技有限公司 化工 赛丁炉 固定床碎煤加压气化 赛丁工程有限公司 石油和化学工业规划院 大型先进煤气化技术-成熟工艺推广与技术升级 大型先进煤气化技术技术水平仍在提升 序号 性能指标 主要内容 性能指标 参考值 创新方向 关键研发技术 1 煤气化炉性能指标 气流床干粉煤加压气化工艺（单炉煤投入量 3000 t/d） 气化强度 气化炉生产能力 3 3 ~13000 Nm3 /m3 .h8.7MPa四喷嘴水煤浆气化工艺（单炉煤投入量3000~40002单炉日煤投入量单位时间气化炉原煤处理量2000~4000t/dt/d）单炉生产能力单位时间气化炉合成气产量3312~200,/h重点新一代水煤浆水冷壁气化工艺（单炉煤投入量2000t/d）4原料煤气产量合成气占原料煤气的90%~93%技术单喷嘴冷壁粉煤加压气化工艺（单炉煤投入量2000t/d）2、煤气化产品物耗性能指标粉煤流化床高压催化（加氢）气化工艺（单炉煤投入量1500单位煤耗335合成气生产原料煤耗500~580 kg/KNmt/d) 单位氧耗量 33 3 6 合成气生产氧耗量 285~380 Nm3 /KNm大型碎煤加压固定床气化工艺（单炉煤投入量1500~2000 t/d） 7 蒸汽消耗量 消耗1kg原煤所消耗水蒸气量 0.15~0.23 kg/kg 煤种适应性较广 8 蒸汽分解率 固定床分解后水蒸气与入炉水蒸气的质量比为50%~60% 创新三 煤气化综合性能评价要点 碳转化率提高到99.2%以上 9 碳转化率 气化过程中煤中碳的转化程度为96%~99%（煤冷气效率提高到85.5%以上 气化 10 冷气效率 气化过程中煤中化学能与煤化学能之比为80%~85% 热煤气效率提高到95.5%以上工艺 11 热煤气效率 煤气化学能与回收蒸汽焓值增加94%~98%以上 3 比氧耗290 Nm3 /KNm(干法)、湿法=干法×1.2 煤化学能比 高效比煤耗500~580 kg/KNm3 废水排放3 清洁) 12 煤投入量2000~3000 t/h25~40 m3 /h 石油和化学工业规划院 大型(煤投入量)2000t/d、3000t/d、4000t/d 能量系统优化、余热余压利用 热泵技术能更高效地推动电替代煤供热，特别是在低位热能利用方面，节能效果更佳，可与电网绿色电应用相结合 未来。
热夹点、热组合等技术可促进全厂热能供需平衡优化，实现能量的梯级利用，提高能源利用总体效率。煤化工装置有大量的余热、余压，在满足工艺设备要求的前提下，将不同品位的余热、余压用于副产蒸汽、加热锅炉给水或预热除盐水、补给水、有机朗肯循环发电等，使能源供需品位匹配，减少能源浪费。石油和化学工业规划院公辅设施改造--成熟工艺的推广。根据适用场合，选用各类新型、高效、低压降换热器，提高换热效率。选用高效泵、高效节能电机，提高设备效率。煤化工装置工艺设备规模大，系列多，静态设备、动态设备种类、数量都很大。典型煤化工装置：静态设备：塔器、反应器、容器、换热器（管壳式、板式、板壳式、盘管式）、过滤器、冷箱、空冷器、料仓、旋风分离器、搅拌器、大型低压储罐等，共计数百至数千台动态设备：数十台压缩机组、数台制冷机组等机械设备、十余台风机、数百台机械设备。每台设备的高效节能都会为整个装置的节能做出贡献！石油和化学工业规划院绿电绿氢与煤化工项目的耦合-前沿技术发展与产业模式升级绿电绿氢与煤化工项目的耦合属于技术路线+产业模式的创新，既可以促进可再生能源就地消纳，又可以减少煤化工生产的物质转化，促进物质的有效利用，降低能耗与碳排放，值得探索。引入合成气联产和绿色氢气后，转化负荷将降低，直至取消转化反应，对煤化工脱碳做出巨大贡献。石油和化学工业规划院绿电绿氢与煤化工项目的耦合-前沿技术发展与产业模式升级 机遇 挑战 尝试 光伏、风电大规模发展， 连续性：光伏、风电利用小时数 电网辅助平衡稳定性大（外送压力大，本地消纳任务数少，如何与煤化工的连续性相匹配，需要电网有力支撑） 大生产 煤化工配套IGCC辅助（创造 光伏、风电成本持续下降 稳定性：光伏、风电波动性大） 西北地区“绿电”价格已经低于煤化工，如何稳定用电与氢气消耗 氢气中间储罐（涉及投资，0.2元/kWh，“工业绿电”适合占地、 规模：煤化工电力与氢气需求量 （电解水）制氢设备负荷调节需求大，光伏、风电配套规模节约（灵活制氢计划）要求高 化工设备负荷调节 经济性：光伏风电经济性与 储能（注重经济性） 煤化工生产成本控制要求 有条件的地区率先开展“化工+绿电”、“化工+绿氢”示范 石油和化学工业规划院 CO综合利用与处理——CO捕集、运输与封存示范 22 煤化工生产过程中产生的CO浓度高达95%以上，可大大降低捕集成本，有利于开展CO捕集、运输与封存示范 22 煤化工过程CO浓度 95% 火电厂烟气CO浓度 12%~15% 22 石油和化学工业规划院 煤化工生产过程火电厂发电过程CO综合利用与处理-CO合成化工技术开发 22 适当开展CO2制甲醇技术示范，突破技术瓶颈，探索工程经验，为未来低浓度CO2提供技术基础。 22 加快推进CO2制生物降解塑料、碳酸二甲酯等产品技术开发与示范。 例：CO2与环氧丙烷共聚生产以二氧化碳-环氧丙烷共聚物（PPC）为代表的脂肪族聚碳酸酯，可作为生物降解塑料，在食品、医药包装等领域具有应用价值。 例：CO2与环氧丙烷共聚生产以二氧化碳-环氧丙烷共聚物（PPC）为代表的脂肪族聚碳酸酯，可作为生物降解塑料，在食品、医药包装等领域具有应用价值。