林光平，劉兆川，聶 立,2，李維成,2

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643099；2.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610097)

0 引 言

在我國(guó)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和[1-2]的戰(zhàn)略背景下，能源系統(tǒng)將發(fā)生廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革。當(dāng)前我國(guó)一次能源消費(fèi)中，煤炭占比仍高達(dá)56.8%[3]，是我國(guó)最大的CO2排放來(lái)源，同時(shí)煤等化石能源在保障能源安全可靠供應(yīng)方面仍發(fā)揮重要作用。逐步減少煤等化石能源的消費(fèi)是大勢(shì)所趨，但短期內(nèi)煤炭仍將是我國(guó)能源供應(yīng)的壓艙石。中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出，傳統(tǒng)能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上，要立足以煤為主的基本國(guó)情，抓好煤炭清潔高效利用，增加新能源消納能力，推動(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合[4]。

2019年我國(guó)煤炭消費(fèi)[5]總量40.19億t，其中21.02億t用于發(fā)電，占比達(dá)52.3%；其他部分主要作為工業(yè)原料或燃料，包括6.57億t用于煉焦(下游主要用于鋼鐵行業(yè))，占比16.3%；5.88億t作為終端工業(yè)燃料，占比達(dá)14.6%；3.44億t作為供熱燃料，占比8.6%。由此可見(jiàn)，減少煤炭消費(fèi)、減少煤炭利用過(guò)程中的碳排放，需重點(diǎn)從發(fā)電的低碳化和燃料/原料的低碳化兩方面考慮，最終實(shí)現(xiàn)電力零碳化和燃料零碳化[6]。

在電力零碳化方面，大力發(fā)展可再生能源、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是主要發(fā)展方向。隨著以光伏、風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)電成本快速降低[7]，其裝機(jī)規(guī)模、發(fā)電量近年來(lái)增長(zhǎng)迅速。2020年我國(guó)可再生能源裝機(jī)達(dá)到9.3億kW，占總裝機(jī)的42.4%；發(fā)電量達(dá)2.2萬(wàn)億kWh，占總發(fā)電量的29.5%[8]。據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)到2030年將達(dá)16億～18億kW，到2050年將超過(guò)50億kW[9]。但由于風(fēng)電、光伏等可再生能源的不穩(wěn)定性，當(dāng)其成為新型電力系統(tǒng)主體時(shí)，面臨新能源小發(fā)時(shí)保障供應(yīng)難度大，罕見(jiàn)天象、極端天氣下的供應(yīng)保障難度更大，日內(nèi)調(diào)節(jié)困難較大，遠(yuǎn)期季節(jié)性調(diào)節(jié)需求增大等困難。當(dāng)前電力系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)難以匹配新型電力系統(tǒng)需求，需在大規(guī)模儲(chǔ)能、高效電氫轉(zhuǎn)換、CCUS(碳捕集、利用與封存)等顛覆性技術(shù)方面盡快取得突破，近期應(yīng)重點(diǎn)挖掘成熟技術(shù)的潛力，支撐新能源快速發(fā)展[10]。煤電作為可靈活調(diào)節(jié)、可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠供應(yīng)的發(fā)電技術(shù)，將在支撐可再生能源發(fā)電快速發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。

在燃料零碳化方面，以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源制取可再生燃料[11-12]，包括氫[13]、氨[14]、甲醇[15-17]等，有望使交通和工業(yè)燃料不依賴(lài)化石能源，實(shí)現(xiàn)燃料凈零碳排放，是一項(xiàng)極具潛力的變革性技術(shù)。其中氨、甲醇等由于易液化，液態(tài)下具有與化石能源相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量能量密度及體積能量密度，因此在未來(lái)可能用于替代燃料和替代原料，得到關(guān)注。但對(duì)于氨和甲醇的合成，現(xiàn)有成熟技術(shù)或已有工業(yè)示范技術(shù)主要基于傳統(tǒng)催化熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程。傳統(tǒng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求高，在適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性方面存在困難。而基于煤氣化技術(shù)的現(xiàn)代煤化工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的合成氣或H2供應(yīng)，并可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，將在支撐可再生能源制取可再生燃料方面發(fā)揮重要作用。

無(wú)論在零碳電力領(lǐng)域還是零碳燃料領(lǐng)域，煤電及煤化工技術(shù)都存在與可再生能源深度耦合的潛力。這種耦合將為可再生能源大規(guī)模消納提供調(diào)節(jié)的靈活性，并保障發(fā)電及化工合成系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前煤與可再生能源耦合的研究和應(yīng)用多為燃煤耦合生物質(zhì)[18]、污泥等，其中就可耦合利用可再生能源量的潛力而言，主要是燃煤耦合生物質(zhì)。以歐洲特別是英國(guó)為代表的大型燃煤鍋爐直燃耦合生物質(zhì)技術(shù)路線(xiàn)，已實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)在燃煤電站鍋爐中的大比例摻燒。英國(guó)Drax 電廠已實(shí)現(xiàn)6 臺(tái)660 MW鍋爐100%燃燒生物質(zhì)，并計(jì)劃聯(lián)合生物質(zhì)碳捕集儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行深度碳減排。日本目前有12家燃煤電廠實(shí)施木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)摻燒，摻燒熱量2%～3%。我國(guó)在山東十里泉電廠、寶雞二電等進(jìn)行過(guò)燃煤電站鍋爐直燃耦合生物質(zhì)的工程示范，在國(guó)電長(zhǎng)源荊門(mén)電廠、華電襄陽(yáng)電廠、大唐長(zhǎng)山熱電等進(jìn)行了燃煤電站鍋爐與生物質(zhì)氣化耦合的工程示范，但總體來(lái)看仍存在經(jīng)濟(jì)性不佳、耦合比例不高、大規(guī)模耦合還存在技術(shù)裝備的挑戰(zhàn)等問(wèn)題。除生物質(zhì)外，近年來(lái)將可再生能源制得的氨作為與煤耦合的綠色燃料，得到越來(lái)越多的研究和關(guān)注，但總體仍處于探索階段[19]。上述煤與可再生能源的耦合方式，總體上是簡(jiǎn)單的燃料耦合，耦合程度不深，且僅能用于耦合以燃料物質(zhì)形態(tài)存在的可再生能源，無(wú)法用于耦合風(fēng)能、太陽(yáng)能等形式的可再生能源。

煤與可再生能源，特別是與作為未來(lái)可再生能源主體的太陽(yáng)能、風(fēng)能的深度耦合，可能的方式包括：① 通過(guò)調(diào)節(jié)可再生能源用于發(fā)電和用于制氫的比例來(lái)適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷需求；② 可再生能源電解水制氫副產(chǎn)的O2用于煤氣化，以減少或取消對(duì)空分系統(tǒng)的需求，從而降低系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本；③ 煤氣化產(chǎn)生的合成氣與綠氫一起用于化工合成，在綠氫波動(dòng)時(shí)，靠合成氣提供調(diào)節(jié)的靈活性，以保證化工合成過(guò)程的安全穩(wěn)定運(yùn)行；④ 調(diào)節(jié)煤氣化產(chǎn)生的合成氣用于化工與用于IGCC發(fā)電的比例，以適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷需求或適應(yīng)化工生產(chǎn)的穩(wěn)定性需求；⑤ 可再生能源電解水制氫副產(chǎn)的O2用于富氧燃燒，實(shí)現(xiàn)低能耗低成本的碳捕集；⑥ 捕集的CO2與綠氫進(jìn)行化工合成生產(chǎn)甲醇等。

基于以上思路，筆者進(jìn)行了耦合新能源的煤基零碳綜合能源中心典型系統(tǒng)的構(gòu)建及其初步的質(zhì)量能量平衡計(jì)算。

1 典型系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)

系統(tǒng)的構(gòu)建基于目前成熟技術(shù)或已有工業(yè)化示范技術(shù)，包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫、氫氣的壓縮、氫氣的液化、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫或常壓液態(tài)儲(chǔ)氫、空氣分離、液氧和液氮的常壓液態(tài)儲(chǔ)存、煤氣化、富氧燃燒、合成氨、合成甲醇、CO2加氫制甲醇等技術(shù)。各技術(shù)的現(xiàn)狀及可行性見(jiàn)本文第3章。

系統(tǒng)的輸入包括風(fēng)、光等可再生能源，以及空氣、水、煤炭等自然資源。系統(tǒng)的輸出包括電力和氫、氨、甲醇等，氫、氨、甲醇等下游可用作化工原料或作為替代燃料。

系統(tǒng)構(gòu)建的目標(biāo)是在上述技術(shù)及自然資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電力輸出的穩(wěn)定和可調(diào)可控，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)和安全可控。對(duì)能源系統(tǒng)的貢獻(xiàn)而言，可在新能源小發(fā)時(shí)以及在罕見(jiàn)天象、極端天氣下保障穩(wěn)定可靠的供應(yīng)，適應(yīng)日內(nèi)靈活調(diào)節(jié)(以光伏白天與夜晚的差別為例)；并且以替代燃料作為跨季節(jié)大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的主要方式，實(shí)現(xiàn)季節(jié)性調(diào)節(jié)，這是其他各種儲(chǔ)能方式不具備的能力。

1.2 IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)甲醇耦合光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)

以典型的IGCC容量，如華能天津綠色煤電項(xiàng)目的容量為基礎(chǔ)，計(jì)算與其相匹配的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、合成氣變換系統(tǒng)及甲醇合成系統(tǒng)，目標(biāo)是在白天光伏系統(tǒng)及電解水系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其所副產(chǎn)的O2恰好能滿(mǎn)足煤氣化系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的純氧耗量，在夜間或光伏出力不足時(shí)的O2需求缺口靠空分系統(tǒng)提供。電解水所產(chǎn)的H2與煤氣化所產(chǎn)的合成氣(經(jīng)部分變換)共同用于合成甲醇。甲醇合成所需的H2/CO體積比約2∶1。

電網(wǎng)需要更高電負(fù)荷時(shí)，通過(guò)減小光伏發(fā)電用于電解水制氫的比例、增大光伏發(fā)電用于上網(wǎng)的比例以及減小合成氣用于甲醇合成的比例、增大合成氣用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的比例，從而適應(yīng)電網(wǎng)需求，但需保證甲醇合成系統(tǒng)的最低負(fù)荷率。電網(wǎng)需求更低的電負(fù)荷時(shí)則反之。假設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)在白天可滿(mǎn)發(fā)8 h，夜間16 h出力為0；假設(shè)甲醇合成系統(tǒng)最低負(fù)荷率為30%；煤氣化、空分系統(tǒng)變負(fù)荷困難，假設(shè)煤氣化系統(tǒng)、空分系統(tǒng)均始終維持滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。

構(gòu)建的系統(tǒng)組成及典型運(yùn)行狀態(tài)見(jiàn)表1。表1中IGCC相關(guān)煤氣化系統(tǒng)、空分系統(tǒng)基本參數(shù)取值來(lái)自華能天津IGCC示范項(xiàng)目。電解水制氫的電耗取典型值5 kWh/m3(以H2計(jì)，標(biāo)況)。合成單位甲醇所消耗的H2和CO量，按化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，即合成1 mol甲醇消耗1 mol CO和2 mol H2。

表1 IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)甲醇耦合光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)組成及典型運(yùn)行狀態(tài)

系統(tǒng)構(gòu)成方面，與華能天津IGCC項(xiàng)目相比，空分島容量可低至2/3，發(fā)電島容量只有約一半；但需增加光伏發(fā)電420 MW，增加電解水制氫420 MW，增加液氧儲(chǔ)罐(有效儲(chǔ)存量最少320 t)，增加合成氣變換(容量為總合成氣量的36%)，增加甲醇合成裝置(容量104.7 t/h)。

通過(guò)調(diào)節(jié)光伏發(fā)電用于上網(wǎng)及用于制氫的比例、調(diào)節(jié)合成氣用于發(fā)電及用于合成甲醇的比例，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很好的靈活性。白天,系統(tǒng)發(fā)電功率可在0～557 MW(100%)調(diào)節(jié)，甲醇產(chǎn)量可在104.7 t/h(100%)～31.4 t/h(30%)調(diào)節(jié)，如圖1和2所示。夜間系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如下：系統(tǒng)發(fā)電功率可在0～137 MW(24.6%)調(diào)節(jié)，甲醇產(chǎn)量可在64.7 t/h(61.8%)～31.4 t/h(30%)調(diào)節(jié)，如圖3所示。煤氣化系統(tǒng)和空分系統(tǒng)始終維持在100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。光伏系統(tǒng)始終處于最大可利用負(fù)荷，完全避免了棄光。

圖1 白天電負(fù)荷需求低時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況(甲醇耦合光伏)Fig.1 System operation status when power load demand is low in the daytime (methanol generation coupledwith photovoltaic power generation)

圖3 夜間系統(tǒng)運(yùn)行模式運(yùn)行狀況(甲醇耦合光伏)Fig.3 Night system operation mode system operation status (methanol generation coupled with photovoltaic power generation)

假設(shè)系統(tǒng)不設(shè)碳捕集裝置，白天甲醇裝置100%負(fù)荷運(yùn)行8 h，夜間甲醇裝置30%負(fù)荷運(yùn)行16 h，根據(jù)用于發(fā)電的合成氣比例計(jì)算，系統(tǒng)每天碳排放只有原IGCC系統(tǒng)的34.3%，相比傳統(tǒng)燃煤發(fā)電大幅降低。若系統(tǒng)設(shè)置碳捕集裝置，其碳捕集裝置容量也僅需要原IGCC系統(tǒng)所需碳捕集容量的約51.4%。24 h內(nèi)，典型各子系統(tǒng)的負(fù)荷率隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 IGCC聯(lián)產(chǎn)甲醇耦合光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)24 h內(nèi)典型變化Fig.4 Typical changes in hydrogen generation system of IGCC methanol co generation photovoltaic power generation within 24 hours

上述系統(tǒng)還可進(jìn)一步增大電解水規(guī)模，假設(shè)電解水的最大規(guī)模按其滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)所產(chǎn)H2恰能被完全消納(即與合成氣混合后，總體積比H2/CO=2)考慮，則最大電解水產(chǎn)氫量為14.6萬(wàn)m3/h，對(duì)應(yīng)的電功率為730 MW，相應(yīng)甲醇合成的容量增大至134.2 t/h。此時(shí)所產(chǎn)副產(chǎn)O2為7.3萬(wàn)m3/h，除了滿(mǎn)足氣化外還剩余3.1萬(wàn)m3/h。可以考慮經(jīng)液化后儲(chǔ)存，以供夜間使用。此時(shí)按全天24 h總耗氧量計(jì)，電解水副產(chǎn)O2仍不足，仍然需要一個(gè)空分系統(tǒng)，但是空分系統(tǒng)容量可以進(jìn)一步減小，從而可能使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。按照白天8 h光伏滿(mǎn)發(fā)全部用于電解水，副產(chǎn)O2不足以供氣化爐所需的部分，靠空分系統(tǒng)提供，經(jīng)計(jì)算，空分系統(tǒng)的容量最低可以為1.8萬(wàn)m3/h，容量?jī)H有原IGCC所需空分系統(tǒng)的42%。

若考慮氫的儲(chǔ)存和氫在燃?xì)廨啓C(jī)中的摻燒，則光伏和電解水制氫的規(guī)模還可進(jìn)一步擴(kuò)大。通過(guò)電解水副產(chǎn)O2的液化和儲(chǔ)存，可取消空分系統(tǒng)。同時(shí)由于儲(chǔ)氫及摻燒H2燃?xì)廨啓C(jī)的加入，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍更大，靈活性更強(qiáng)。

為取消空分系統(tǒng)，采用更大規(guī)模的光伏發(fā)電和電解水系統(tǒng)，儲(chǔ)存其白天8 h運(yùn)行產(chǎn)生的O2，以滿(mǎn)足氣化系統(tǒng)全天24 h運(yùn)行需要。按此進(jìn)行匹配，則對(duì)應(yīng)的電解水制氧規(guī)模應(yīng)為12.6萬(wàn)m3/h，對(duì)應(yīng)的電解水制氫規(guī)模為25.2萬(wàn)m3/h，對(duì)應(yīng)的電解水電功率為1 260 MW。需要的O2儲(chǔ)存容量應(yīng)至少為系統(tǒng)夜間運(yùn)行16 h所需O2量，等于67.2萬(wàn)m3，即960 t(液氧841 m3)。為使白天8 h所產(chǎn)H2用于全天24 h合成氨穩(wěn)定生產(chǎn)，需要H2儲(chǔ)存量為134.4萬(wàn)m3。此時(shí)可24 h穩(wěn)定提供的H2量為8.4萬(wàn)m3/h，與合成氣有效氣量之和為22萬(wàn)m3/h，用于合成甲醇時(shí)可生產(chǎn)甲醇104.7 t/h。通過(guò)大規(guī)模儲(chǔ)氫可以實(shí)現(xiàn)合成甲醇裝置24 h滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.3 IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)合成氨耦合光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)

煤中C元素可在上述系統(tǒng)合成環(huán)節(jié)進(jìn)入甲醇，實(shí)現(xiàn)了該環(huán)節(jié)的碳減排。但甲醇在下游作為能源利用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CO2再次釋放到大氣中。而氨作為一種完全零碳的燃料，可避免下游利用過(guò)程中的碳排放。同時(shí)，合成氨也可充分利用空分單元副產(chǎn)的N2?；诖耍瑯?gòu)建了IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)合成氨并與光伏發(fā)電制氫相耦合的系統(tǒng)。

以典型的IGCC容量，如華能天津綠色煤電項(xiàng)目的容量為基礎(chǔ)，計(jì)算與其相匹配的光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、合成氣變換系統(tǒng)及氨合成系統(tǒng)。假設(shè)空分系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)始終維持在滿(mǎn)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，光伏發(fā)電系統(tǒng)及電解水制氫系統(tǒng)在白天8 h滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，夜晚16 h出力為0。電解水所制O2除滿(mǎn)足氣化系統(tǒng)所需外，多余部分進(jìn)行儲(chǔ)存，以滿(mǎn)足夜間O2需求；電解水所制H2部分與合成氣變換后的H2混合，共同用于合成氨，多余部分進(jìn)行儲(chǔ)存以用于合成氨系統(tǒng)在夜間運(yùn)行。假設(shè)合成氨系統(tǒng)具備30%～100%的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，合成氨系統(tǒng)的H2∶N2體積比為3∶1。假設(shè)空分系統(tǒng)所副產(chǎn)N2和O2體積比為2∶1(其余部分的N2為污氮排放)。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，目標(biāo)是使電解水產(chǎn)生H2、O2與空分系統(tǒng)所產(chǎn)O2、N2，以及氣化系統(tǒng)所產(chǎn)合成氣均充分利用。即空分系統(tǒng)24 h運(yùn)行所產(chǎn)O2與電解水系統(tǒng)8 h運(yùn)行所產(chǎn)O2之和恰好滿(mǎn)足氣化系統(tǒng)24 h運(yùn)行所需O2量；煤氣化系統(tǒng)運(yùn)行24 h所產(chǎn)有效合成氣(全變換為H2)與電解水系統(tǒng)8 h所產(chǎn)H2之和恰好等于空分系統(tǒng)副產(chǎn)N2的3倍。跟據(jù)以上2個(gè)等式聯(lián)立求解，可得空分制氧規(guī)模為2.75萬(wàn)m3/h，電解水制O2規(guī)模為4.35萬(wàn)m3/h，相應(yīng)的電解水制氫規(guī)模為8.7萬(wàn)m3/h。系統(tǒng)配置見(jiàn)表2。表2中IGCC相關(guān)煤氣化、空分系統(tǒng)基本參數(shù)取值來(lái)自華能天津IGCC示范項(xiàng)目。電解水制氫的電耗取典型值5 kWh/m3(以H2計(jì)，標(biāo)況下)。合成氨所消耗H2和N2的量，按化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量計(jì)算，即合成1 mol NH3消耗0.5 mol N2和1.5 mol H2。

表2 IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)合成氨耦合光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)組成及典型運(yùn)行狀態(tài)

通過(guò)調(diào)節(jié)光伏發(fā)電用于上網(wǎng)及用于制氫的比例、調(diào)節(jié)合成氣用于發(fā)電及用于合成氨的比例，系統(tǒng)靈活性很好。白天系統(tǒng)發(fā)電功率可在0～605 MW(100%)調(diào)節(jié)，合成氨產(chǎn)量可在83.5 t/h(100%)～25.1 t/h(30%)調(diào)節(jié)，如圖5和圖6所示。夜間,系統(tǒng)發(fā)電功率可在0～170 MW(0～28.1%)調(diào)節(jié)，合成氨產(chǎn)量可在83.5 t/h(100%)～25.1 t/h(30%)調(diào)節(jié)。煤氣化系統(tǒng)和空分系統(tǒng)始終維持在100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。光伏系統(tǒng)始終處于最大可利用負(fù)荷，完全避免了棄光。

該系統(tǒng)通過(guò)增加H2儲(chǔ)存，降低了合成氨裝置的最大設(shè)計(jì)容量。如果不設(shè)置H2儲(chǔ)存，可通過(guò)增大合成氨裝置的最大設(shè)計(jì)容量，以適應(yīng)白天光伏最大產(chǎn)氫量工況時(shí)的H2消納，則合成氨裝置的容量需放大35%，假設(shè)合成氨裝置的最低運(yùn)行負(fù)荷仍按30%，則需要更高比例的合成氣用于合成氨以維持系統(tǒng)最低負(fù)荷，相應(yīng)的夜間所能提供的最大發(fā)電功率會(huì)降至135 MW，白天所能提供的最大發(fā)電功率會(huì)降至570 MW。如果考慮增大H2儲(chǔ)存容量，并考慮燃?xì)廨啓C(jī)摻燒氫氣，可提高系統(tǒng)的最大發(fā)電功率，提高系統(tǒng)頂尖峰電負(fù)荷的能力，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈活性。

圖5 白天電負(fù)荷需求低時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況(合成氨耦合光伏)Fig.5 System operation status when power load demand is low in the daytime (ammonia synthesis coupled photovoltaic power generation)

圖6 白天電負(fù)荷需求高時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況(合成氨耦合光伏)Fig.6 System operation status when power load demand is high in the daytime (ammonia synthesis coupled photovoltaic power generation)

1.4 富氧燃燒發(fā)電耦合光伏制氫和CO2加氫制甲醇系統(tǒng)

200 MWe富氧燃燒燃煤電站所需空分制氧量約12萬(wàn)m3/h，排放CO2約12萬(wàn)m3/h。若按電解水工作8 h所產(chǎn)O2恰好滿(mǎn)足富氧燃燒24 h所消耗O2計(jì)算，電解水產(chǎn)O2量為36萬(wàn)m3/h，產(chǎn)H2量為72萬(wàn)m3/h。所需光伏發(fā)電功率為3 600 MW。此時(shí)為使8 h所產(chǎn)H2在24 h內(nèi)穩(wěn)定供應(yīng)，所需儲(chǔ)氫量為384萬(wàn)m3(約合342 t)，能穩(wěn)定提供H2量24萬(wàn)m3/h，甲醇產(chǎn)量為114.3 t/h，用于合成甲醇消耗CO2量為8萬(wàn)m3/h,約占富氧燃燒所產(chǎn)CO2量的2/3。為實(shí)現(xiàn)O2在24 h內(nèi)穩(wěn)定供應(yīng)，所需儲(chǔ)氧量為2 743 t(液氧2 404 m3)(按富氧燃燒12萬(wàn)m3/h耗量，儲(chǔ)存16 h計(jì))。

系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)表3。表3中富氧燃燒系統(tǒng)相關(guān)基本參數(shù)的取值來(lái)自于200 MW富氧燃燒方案設(shè)計(jì)[20]。電解水制氫的電耗取典型值5 kWh/m3(以H2計(jì)，標(biāo)況下)。合成單位甲醇所消耗的H2和CO2的量，按化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，即合成1 mol甲醇消耗1 mol CO2和3 mol H2。

表3 富氧燃燒發(fā)電耦合光伏制氫和CO2加氫制甲醇系統(tǒng)組成及典型運(yùn)行狀態(tài)

白天電負(fù)荷需求高時(shí)，可降低光伏發(fā)電用于制氫的比例，增大用于上網(wǎng)的比例。極限情況下光伏發(fā)電全部上網(wǎng)，靠?jī)?chǔ)存的H2、CO2維持甲醇合成系統(tǒng)的最低負(fù)荷運(yùn)行，靠?jī)?chǔ)存的O2維持富氧燃燒系統(tǒng)的最低負(fù)荷運(yùn)行(30%，60 MW)，則系統(tǒng)總發(fā)電功率可達(dá)3 660 MW，如圖7所示。白天電負(fù)荷需求低時(shí)，光伏發(fā)電全部用于制氫，H2除供甲醇合成裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行外，多余部分儲(chǔ)存，光伏發(fā)電上網(wǎng)功率可降至0。此時(shí)總上網(wǎng)電功率為200 MW(富氧燃燒滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行)，如圖8所示。即系統(tǒng)的發(fā)電功率白天可在200～3 660 MW調(diào)節(jié)，具有很大的靈活性。

圖7 白天電負(fù)荷需求高時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況Fig.7 System operation status when power load demand is high in the daytime

圖8 白天電負(fù)荷需求低時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況Fig.8 System operation status when power load demand is low in the daytime

夜間，儲(chǔ)存的H2釋放出來(lái)用于合成甲醇裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電功率在60～200 MW調(diào)節(jié)(富氧燃燒發(fā)電功率的60%～100%)，可見(jiàn)夜間電功率的調(diào)節(jié)范圍較小。如果要擴(kuò)大夜間電功率的調(diào)節(jié)范圍，可考慮增加燃H2的燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)燃用儲(chǔ)存的H2來(lái)發(fā)電，提高電負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍及其靈活性。

1.5 3個(gè)典型系統(tǒng)比較

構(gòu)建IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)甲醇耦合光伏發(fā)電制氫、IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)合成氨耦合光伏發(fā)電制氫、富氧燃燒發(fā)電耦合光伏制氫和CO2加氫制甲醇3個(gè)典型系統(tǒng)，相同點(diǎn)是：① 利用了煤作為化石能源，利用過(guò)程(氣化或燃燒)出力可調(diào)節(jié)的特性，為波動(dòng)的可再生能源出力提供調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)了耦合后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性。② 不是單一目標(biāo)的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，也不是單一目標(biāo)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，而是將能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行深度耦合。③ 利用可再生能源制氫，并將氫作為可再生能源與化石能源-煤耦合的重要媒介，同時(shí)也是將能量轉(zhuǎn)化過(guò)程與物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程深度耦合的重要媒介。

區(qū)別在于① 用于與可再生能源耦合的煤的傳統(tǒng)利用方式多樣化，可以是煤氣化，也可以是煤的富氧燃燒；② 以合成燃料的形式調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存上述耦合系統(tǒng)的富余能量，可以是不同含能物質(zhì)，如甲醇或合成氨。

2 各單元技術(shù)的現(xiàn)狀及可行性

2.1 光伏發(fā)電和風(fēng)電

近10 a來(lái)我國(guó)陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電項(xiàng)目單位千瓦平均造價(jià)分別下降了30%和75%左右，發(fā)電裝機(jī)快速增長(zhǎng)。截至2020年底，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)中風(fēng)電2.8億kW、光伏發(fā)電2.5億kW，分別連續(xù)16、11 a穩(wěn)居全球首位[21]。2021年我國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模高達(dá)1.01億kW，其中風(fēng)電新增4 757萬(wàn)kW，光伏發(fā)電新增5 297萬(wàn)kW[22]。

風(fēng)電和光伏的技術(shù)裝備水平大幅提升。單機(jī)5 MW陸上風(fēng)電批量投運(yùn)，單機(jī)10 MW海上風(fēng)機(jī)開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行，低風(fēng)速風(fēng)電技術(shù)位居世界前列。光伏發(fā)電技術(shù)快速迭代，多次刷新光伏電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，光伏產(chǎn)業(yè)占據(jù)全球主導(dǎo)地位。目前商業(yè)化光伏電池發(fā)電效率最高可達(dá)23.47%[23]。光伏電價(jià)最低已降至0.15元/kWh以下[24]。

目前，國(guó)家發(fā)改委、能源局正在規(guī)劃建設(shè)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)大型風(fēng)光發(fā)電基地[25]，其典型的規(guī)模在100萬(wàn)～600萬(wàn)kW。

2.2 電解水制氫

當(dāng)下生產(chǎn)綠氫的主要方式是電解水，通過(guò)電能，將水分子分解為H2和O2。電解水的主要生產(chǎn)設(shè)備是電解槽，按照電解質(zhì)的不同，電解槽可分為4類(lèi)，即堿性電解槽(AWE)、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)、固體氧化物電解槽(SOEC)、陰離子交換膜電解槽(AEM)。其中已經(jīng)商業(yè)化或初步商業(yè)化的是堿性電解槽(AWE)、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)[26]。

堿水電解(AWE)是目前最成熟的電解技術(shù)，在一些大型項(xiàng)目上獲得應(yīng)用。AWE采用氫氧化鉀(KOH)水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，電解水產(chǎn)生H2和O2，效率在70%～80%。AWE可使用非貴金屬電催化劑(如Ni、Co、Mn等)，因而催化劑造價(jià)較低，但產(chǎn)氣中含堿液、水蒸氣等，需經(jīng)輔助設(shè)備除去。另一方面，AWE難以快速啟動(dòng)或變載，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。我國(guó)AWE裝置為1 500～2 000套，多用于電廠冷卻用氫制備。國(guó)產(chǎn)設(shè)備最大產(chǎn)氫量為1 000 m3/h，價(jià)格在700萬(wàn)～1 000萬(wàn)元[27]。每標(biāo)方氫氣耗電約5 kWh。

質(zhì)子交換膜電解槽采用高分子聚合物質(zhì)子交換膜替代堿性電解槽中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)。與堿性電解槽比，PEM電解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏的匹配性好。許多新建項(xiàng)目轉(zhuǎn)向選擇PEM電解槽技術(shù)。過(guò)去數(shù)年，歐盟、美國(guó)、日本企業(yè)紛紛推出了PEM電解水制氫產(chǎn)品，促進(jìn)了PEM電解水技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用推廣。Proton Onsite、Hydrogenics、Giner、西門(mén)子等相繼將PEM電解槽規(guī)格規(guī)模提高到兆瓦級(jí)。其中，Proton Onsite公司的PEM水電解制氫裝置部署量超過(guò)2 000套(分布于72個(gè)國(guó)家和地區(qū))，擁有全球PEM水電解制氫70%的市場(chǎng)份額，具備集成10 MW以上制氫系統(tǒng)的能力；Giner公司單個(gè)PEM電解槽規(guī)格達(dá)5 MW，電流密度超過(guò)3 A/cm2，50 kW水電解池樣機(jī)高壓運(yùn)行累計(jì)時(shí)間超過(guò)1.5×105h。但由于PEM電解技術(shù)商業(yè)化時(shí)間不長(zhǎng)，質(zhì)子交換膜和鉑電極催化劑等關(guān)鍵組件成本較高，導(dǎo)致PEM電解槽成本較高，約為相同規(guī)模堿性電解槽的3～5倍[27]。隨著PEM電解槽的推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降。

2.3 H2的壓縮

H2在合成氨、合成甲醇、石化中的渣油加氫裂化、煤直接液化制油等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，這些反應(yīng)過(guò)程均在較高壓力下進(jìn)行，大規(guī)模高壓H2壓縮已有成熟的應(yīng)用。如渣油加氫裂化工藝，典型反應(yīng)壓力為8～18 MPa[28]。煤直接液化，其反應(yīng)壓力高達(dá)19 MPa[29]，H2耗量高達(dá)20.8 t/h[30](約合23.4萬(wàn)m3/h)。

2.4 大規(guī)模氣態(tài)儲(chǔ)氫

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是指將H2壓縮，在高壓下以高密度氣態(tài)形式儲(chǔ)存，具有成本較低、能耗低、易放氫、工作條件較寬等特點(diǎn)，是發(fā)展最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。按GB/T 26466—2011《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》[31],可以設(shè)計(jì)制造壓力10～100 MPa，內(nèi)直徑300～1 500 mm的大型高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器。此外，按ASME VIII Division 2 Class 2(分析設(shè)計(jì))[32]可以設(shè)計(jì)更大直徑的大型高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器。東方鍋爐已完成設(shè)計(jì)壓力22.5 MPa、有效容積超過(guò)4 000 m3的儲(chǔ)氫容器組方案設(shè)計(jì)，儲(chǔ)氫量超過(guò)80萬(wàn)m3。此外，也可采用球罐儲(chǔ)氫。中國(guó)石化已啟動(dòng)建設(shè)的新疆庫(kù)車(chē)綠氫示范項(xiàng)目,儲(chǔ)氫規(guī)模約21萬(wàn)m3[33]，將采用10臺(tái)儲(chǔ)氫球罐[34]。

2.5 H2的液化

H2的液化此前主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，目前單套系統(tǒng)的液化能力較小，液化能耗較高。美國(guó)空氣產(chǎn)品公司、德國(guó)林德集團(tuán)和法國(guó)液化空氣集團(tuán)，有能力提供單個(gè)產(chǎn)能超過(guò)30 t/d氫液化設(shè)備。國(guó)內(nèi)單套裝置的液化能力在1.5 t/d量級(jí)，單套5 t/d還在研制中。目前運(yùn)行的氫液化裝置單位能耗在10～15 kWh/(kg·L)(以H2計(jì))，約為H2化學(xué)能的30%。

日本W(wǎng)E-NET 項(xiàng)目定位于未來(lái)氫能的大規(guī)模輸運(yùn)及儲(chǔ)存，針對(duì)大型氫液化裝置-液化量300 t/d流程進(jìn)行了研究，分析表明通過(guò)H2循環(huán)冷卻，可將氫氣液化的能耗降至8.5 kWh/(kg·L)(以H2計(jì))。歐洲Integrated Design for Efficient Advanced Liquefaction of Hydrogen(DEALHY)項(xiàng)目，目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，大幅降低系統(tǒng)單位能耗，針對(duì)液化量50 t/d氫液化裝置，單位能耗優(yōu)化為6.4 kWh/(kg·L)(以H2計(jì))[35]。

2.6 大規(guī)模液態(tài)儲(chǔ)氫

低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)是利用氫氣在低溫條件下液化，體積密度為氣態(tài)時(shí)的845倍，實(shí)現(xiàn)高密度儲(chǔ)氫，液氫此前主要用于航天領(lǐng)域。美國(guó)肯尼迪航天中心建有容積高達(dá)1 120 m3的低溫液化儲(chǔ)氫罐[36]，并于2018年開(kāi)始建設(shè)容積4 700 m3的液氫球罐，用以?xún)?chǔ)存約333 t液氫，預(yù)計(jì)將于2022年完成，并將支持阿耳特彌斯登月任務(wù)[37]。此外，麥克德莫特國(guó)際有限公司(McDermott)宣布，旗下CB & I Storage Solutions Business已完成40 000 m3液氫球罐設(shè)計(jì)[38]，這項(xiàng)研究證實(shí)了擴(kuò)大液態(tài)氫解決方案的可行性，超出了以前認(rèn)為的可能性?？尚械腍2存儲(chǔ)解決方案在支持大規(guī)模氫經(jīng)濟(jì)方面將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.7 空氣分離及液氮液氧的儲(chǔ)存

空氣分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤化工、石油及天然氣化工、鋼鐵等行業(yè)。國(guó)內(nèi)空分企業(yè)近年來(lái)技術(shù)快速進(jìn)步，單套空分容量可達(dá)12萬(wàn)m3/h，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，液氧、液氮常壓貯槽已運(yùn)行的業(yè)績(jī)達(dá)6 000 m3，設(shè)計(jì)能力最大可達(dá)10 000 m3[39]。

2.8 煤氣化

工業(yè)化的煤氣化技術(shù)可分為3類(lèi)，即固定床煤氣化技術(shù)、流化床煤氣化技術(shù)和氣流床煤氣化技術(shù)。氣流床氣化爐氣化溫度與氣化壓力高、負(fù)荷大、煤種適應(yīng)范圍廣，是目前主流的煤氣化技術(shù)。以氣流床加壓純氧氣化為代表的大型煤氣化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代煤化工行業(yè)。按進(jìn)料方式可分為水煤漿氣化和干煤粉氣化，按氣化爐壁面結(jié)構(gòu)可分為耐火磚氣化爐、水冷壁氣化爐。國(guó)外典型的大型氣流床氣化技術(shù)有GE(Texaco)氣化技術(shù)、E-Gas氣化技術(shù)、Shell和Prenflo氣化技術(shù)、GSP氣化技術(shù)等。國(guó)內(nèi)典型的大型氣流床氣化技術(shù)有多噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)、TPRI兩段干煤粉氣化技術(shù)、航天爐、清華爐等。投煤量2 000 t/d等級(jí)的氣化爐有大量成熟應(yīng)用，投煤量3 000～4 000 t/d等級(jí)的氣化爐已有工程應(yīng)用[40]。

2.9 合成氣變換

2.10 富氧燃燒

富氧燃燒技術(shù)是用高純度O2代替助燃空氣，同時(shí)輔助以煙氣循環(huán)的O2/CO2氣氛燃燒技術(shù)，可獲得CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)80%的煙氣，從而以較小代價(jià)通過(guò)冷凝壓縮實(shí)現(xiàn)CO2分離，進(jìn)行永久封存或資源化利用。富氧燃燒具有相對(duì)成本低、易規(guī)?；⒖筛脑齑媪繖C(jī)組等諸多優(yōu)勢(shì)[42]。其系統(tǒng)流程為空氣分離裝置制取的高純度O2，按一定比例與循環(huán)回來(lái)的一部分鍋爐尾部煙氣混合，完成O2/CO2氣氛而非空氣(O2/N2)氣氛的燃燒過(guò)程。鍋爐尾部排出的具有高濃度CO2的煙氣經(jīng)煙氣凈化系統(tǒng)處理后再進(jìn)入壓縮純化裝置，最終得到高純度的液態(tài)CO2供下游使用。

由國(guó)家科技部、東方鍋爐、華中科技大學(xué)、四川空分和久大(應(yīng)城)制鹽等共同投資建設(shè)的我國(guó)唯一的富氧燃燒工程示范項(xiàng)目——“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵裝備研發(fā)及工程示范項(xiàng)目”于2012-12-31在湖北應(yīng)城開(kāi)工建設(shè)，2014年底完成主體工程建設(shè)，2015-01-28點(diǎn)火試驗(yàn)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了富氧燃燒全流程運(yùn)行時(shí)的高濃度CO2富集，掌握了包括空氣-富氧和富氧-空氣切換運(yùn)行在內(nèi)的運(yùn)行規(guī)程以及富氧燃燒的污染物排放特性及控制方法，形成了富氧燃燒技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，為我國(guó)電力工業(yè)低碳發(fā)展提供戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備技術(shù)。此外，國(guó)華電力、東方鍋爐、華中科技大學(xué)、西南電力設(shè)計(jì)院等已經(jīng)合作完成200 MW等級(jí)富氧燃燒項(xiàng)目的可行性研究[20,43]。

2.11 IGCC多聯(lián)產(chǎn)

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)，是將煤氣化技術(shù)與高效的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。煤與空分系統(tǒng)制得的純氧在氣化爐中氣化，成為合成氣(中低熱值煤氣)，合成氣經(jīng)凈化后，送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉Γ細(xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。

在目前技術(shù)水平下，IGCC發(fā)電的凈效率(供電效率)達(dá)42%～46%，單機(jī)功率達(dá)300 MW等級(jí)，已有多個(gè)商業(yè)示范項(xiàng)目[44]，我國(guó)華能天津綠色煤電IGCC示范項(xiàng)目已投運(yùn)多年，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[45]。

IGCC系統(tǒng)中煤氣化單元產(chǎn)生的合成氣除用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電外，還可用于化工合成，從而構(gòu)成IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[46]。IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜合了發(fā)電過(guò)程和化工合成過(guò)程，在完成發(fā)電供熱等動(dòng)力功能的同時(shí)，利用化石燃料生產(chǎn)出甲醇等化工產(chǎn)品或清潔燃料。IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)綜合優(yōu)化發(fā)電和化工系統(tǒng)，可得到比單產(chǎn)更高的效率，同時(shí)具有很好的靈活性，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.12 合成甲醇

甲醇工業(yè)開(kāi)始于20世紀(jì)初，自1966年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司(ICI)成功研制 Cu-Zn-Al 催化劑后，推出的I-CI低壓甲醇合成工藝。1971年德國(guó)魯奇公司(Lurgi)成功開(kāi)發(fā)了活性更好的Cu-Zn-Al-V催化劑，推出了Lurgi低壓甲醇合成工藝。隨后，這2種最具代表性的大型甲醇合成工藝在世界各地逐漸推廣應(yīng)用，并推出了一系列甲醇合成工藝和催化劑。

目前典型的甲醇合成技術(shù)包括ICI(Davy)技術(shù)、Lurgi技術(shù)、Casale技術(shù)、TopsΦe技術(shù)等。典型反應(yīng)溫度為225～270 ℃，典型反應(yīng)壓力為5.0～11.8 MPa，典型催化劑為Cu-Zn基催化劑，單套裝置甲醇產(chǎn)能已超過(guò)5 000 t/d[47]。

甲醇是碳一化工的重要原料，由甲醇可制烯烴、芳烴、汽油、甲醛、醋酸及眾多甲醇下游產(chǎn)品，同時(shí)甲醇還可作為車(chē)用或工業(yè)用替代燃料，應(yīng)用范圍廣，消耗量大。2019年我國(guó)甲醇產(chǎn)能8 992萬(wàn)t[48]。

2.13 合成氨

氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料。合成氨工業(yè)的巨大成功，改變了世界糧食生產(chǎn)的歷史，促進(jìn)了糧食大幅增產(chǎn)，目前年產(chǎn)30萬(wàn)、45萬(wàn)、60萬(wàn)t的合成氨裝置在全球廣泛應(yīng)用。我國(guó)2020年合成氨產(chǎn)能為6 676萬(wàn)t[51]。

2.14 CO2加H2制甲醇

CO2加氫制甲醇可實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用及可再生能源制氫的大規(guī)模消納，研究較多。目前處于中試和初步工業(yè)示范階段，主要技術(shù)[52-53]包括：

2008年，日本Mitsui化學(xué)公司在大阪建立了一座工廠，通過(guò)CO2加氫，每年生產(chǎn)約100 t甲醇。采用的催化劑為Cu/ZnO/ZrO2/Al2O3/SiO2，250 ℃和5 MPa下，得到的粗甲醇純度為99.9%。

2010年，Air Liquide Forschung und Entwicklung (ALFE)和Lurgi公司建立中試工廠，以24% CO2、2% N2、74% H2混合氣為原料氣，在空速為10 500 h-1、80×105Pa、250 ℃下，采用Cu/ZnO/Al2O3催化劑進(jìn)行反應(yīng)，CO2單程轉(zhuǎn)化率達(dá)35%～45%，600 h幾乎保持穩(wěn)定。

冰島碳循環(huán)國(guó)際(CRI)于2012年完成了4 000 t/a的CO2制甲醇中試，2015年7月吉利控股集團(tuán)對(duì)冰島碳循環(huán)國(guó)際公司投資4 550萬(wàn)美元。應(yīng)用此技術(shù)的11萬(wàn)t/a CO2制甲醇項(xiàng)目已于2020年7月于河南安陽(yáng)開(kāi)工建設(shè)[54]。

2016年中科院上海高等研究院與上海華誼集團(tuán)合作在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1 200 h的單管試驗(yàn)基礎(chǔ)上，編制完成10萬(wàn)～30萬(wàn) t/a甲醇工藝包。應(yīng)用該技術(shù)的5 000 t/a CO2加氫制甲醇工業(yè)試驗(yàn)裝置在海洋石油富島有限公司實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，于2020年9月通過(guò)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的專(zhuān)家組現(xiàn)場(chǎng)考核及技術(shù)評(píng)估[55]。

2016年，中科院山西煤化所完成了CO2加氫制甲醇工業(yè)單管試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行。

2018年7月中科院大連化學(xué)物理研究所與蘭州新區(qū)石化、蘇州高邁共同簽署了千噸級(jí)“液態(tài)太陽(yáng)燃料合成:CO2加氫合成甲醇技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目合作協(xié)議，該項(xiàng)目基于太陽(yáng)能等可再生能源電解水制氫、CO2加氫合成甲醇等關(guān)鍵技術(shù)，建立千噸級(jí)CO2加氫制甲醇工業(yè)化示范工程。2020年10月，該項(xiàng)目在蘭州新區(qū)通過(guò)了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定[56]。

2.15 燃?xì)廨啓C(jī)摻燒H2

氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用可提高可再生能源利用率、平復(fù)電網(wǎng)波動(dòng)、減少CO2排放。世界各主流燃?xì)廨啓C(jī)制造商都將氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)作為研發(fā)重點(diǎn)，大力使用合成氣之類(lèi)的富氫燃料，甚至以純氫作為燃料。近年來(lái)，通用電氣、西門(mén)子、三菱、安薩爾多等已將可以燃用100%氫燃料的大功率燃?xì)廨啓C(jī)的開(kāi)發(fā)提上了日程，計(jì)劃在2030年左右實(shí)現(xiàn)100%燃?xì)洹?/p>

通用電氣在7FA燃機(jī)的基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以傳統(tǒng)天然氣燃料作為啟動(dòng)和備用燃料，使其適用于燃用合成氣燃料及氫燃料。采用多噴嘴低噪擴(kuò)散燃燒系統(tǒng)，可同時(shí)燃用2種燃料，采用體積分?jǐn)?shù)90% H2+體積分?jǐn)?shù)10% N2燃料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，各組件的溫度均在允許范圍內(nèi)。

西門(mén)子在SGT-700(33 MW)上使用的DLE燃燒器可燃用40%的H2，SGT-800(50 MW)可達(dá)50%，而SGT-600(25 MW)可達(dá)60%。H2體積分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，第4代DLE燃燒系統(tǒng)在GT-6000G(W501G)上可使NOx排放值控制在20×10-6內(nèi)。

三菱開(kāi)發(fā)形成了3種燃?xì)淙紵遥謩e為擴(kuò)散燃燒室、可燃用部分H2的DLN多噴嘴燃燒室和燃?xì)涞亩嗉喝紵摇?018年MHPS在700 MW的J系列重型燃?xì)廨啓C(jī)上測(cè)試使用含氫30%的混合燃料取得成功，證實(shí)該新型預(yù)混燃燒器可實(shí)現(xiàn)30% H2和天然氣混合氣體的穩(wěn)定燃燒，CO2排放可降低10%，NOx排放在可接受范圍內(nèi)。2020年3月該公司獲得首個(gè)燃用100%氫燃料的J系列燃機(jī)訂單，計(jì)劃未來(lái)從能夠燃燒30%氫氣的混合燃料過(guò)渡到100%氫燃料[57]。

3 結(jié) 論

1)基于成熟或已有工業(yè)示范的各單元技術(shù)，構(gòu)建的IGCC聯(lián)產(chǎn)甲醇耦合光伏制氫、IGCC聯(lián)產(chǎn)合成氨耦合光伏制氫、富氧燃燒耦合光伏制氫及CO2加氫制甲醇等典型的煤基零碳能源中心，具備基本的技術(shù)可行性。

2)典型煤基零碳能源中心，通過(guò)不同的運(yùn)行模式，可適應(yīng)可再生能源白天/夜間的波動(dòng)性。煤的轉(zhuǎn)化利用過(guò)程為系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行及靈活調(diào)度調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)，可大幅消納可再生能源的波動(dòng)。

3)煤與可再生能源耦合實(shí)現(xiàn)了各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的低碳與穩(wěn)定的雙重目標(biāo)。同時(shí)綠氫副產(chǎn)O2的有效利用可有效降低傳統(tǒng)IGCC及富氧燃燒的成本。煤與可再生能源及綠氫耦合的煤基零碳/低碳綜合能源中心未來(lái)具有很好的發(fā)展前景，將在我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

4)適應(yīng)可再生能源波動(dòng)性的PEM電解水制氫技術(shù)、H2大規(guī)模低成本儲(chǔ)存技術(shù)、CO2加氫制甲醇技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)燃用H2技術(shù)等還有待進(jìn)一步大型化并大幅降低成本，以促進(jìn)煤基零碳綜合能源中心在未來(lái)的大規(guī)模應(yīng)用。

5)所構(gòu)建的典型系統(tǒng)基本構(gòu)成及參數(shù)如下：① 投煤量2 000 t/d等級(jí)的IGCC與420 MW光伏、8.4萬(wàn)m3/H2電解水制氫、2 500 t/d等級(jí)甲醇合成構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)電負(fù)荷在0～557 MW調(diào)節(jié)，甲醇產(chǎn)量在750～2 500 t/d調(diào)節(jié)。② 投煤量2 000 t/d等級(jí)的IGCC與435 MW光伏、8.7萬(wàn)m3/h H2電解水制氫、2 000 t/d等級(jí)合成氨構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)電負(fù)荷在0～605 MW調(diào)節(jié)，合成氨產(chǎn)量在600～2 000 t/d調(diào)節(jié)。③ 200 MWe煤富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)與8萬(wàn)m3/h CO2捕集、3 600 MW光伏、72萬(wàn)m3/h電解水制氫、2 743 t/d甲醇合成(CO2加氫制甲醇)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)電功率在60～3 660 MW調(diào)節(jié)，甲醇產(chǎn)量在823～2 743 t/d調(diào)節(jié)。