基于质能利用结构分析和数学模型优化的煤-页岩气耦合转化型清洁多联产系统

Petroleum and natural gas are two important energy resources to economy development, and therefore the mitigation of high dependence and the reliable supply for our country make great sense. With abundant reservation, coal and shale gas can be coupled to produce product oils and natural gas products, as well as other high value-added chemicals. The key issue is the methodology to perform a clean conversion process by high efficient mass and energy utilization, achieving win-win effect on efficiency and profit. This research project aims to establish qualitative mass and energy utilization structure-quantitative mathematical model optimization based methodology. The former includes materials grading of coal decomposition and shale gas separation, so as to purposefully get their components, respectively; collecting those components, classifying and planning their conversion pathways, so as to formulate unit blocks generating product oils, natural gas products, alcohol, urea and sulfur, and connect those blocks to construct a clean polygeneration system flow sheet. The later encompasses simulating all unit blocks to identify the components and energy distributions, and establishing mass and energy efficiency versus profitable performance multi-objective mathematical optimization model; analyzing the polygeneration system under scale and proportion variations of water, coal and shale gas, in order to reveal the interaction law of mass and energy efficiency and profitable performance; practical energy base verification. This research project is of great importance to resources high efficient utilization in both theory and application.

石油和天然气是推动经济发展的两项重要能源，减轻我国的高度对外依赖和保障稳定供应意义非常重大。煤炭和页岩气是我国储量丰富且可耦合转化制取油气和高附加值化工产品的资源，而以质能高效利用实现清洁转化，达到效率—效益共赢的研究方法是亟待解决的问题。本项目拟建立质能利用结构定性—模型优化定量的研究方法。结构定性包含对煤进行分解，对页岩气进行分离的物质分级，将各自不同组分逐步分离；收集各组分，进行分类和转化规划，构建转化制取油，气，醇，尿素和硫的单元模块，将所有模块按输入输出进行对接，形成流程结构完整的清洁多联产系统。模型定量优化包括对各单元模块和整个系统进行流程模拟以获得物质和能量分布，建立质能效率—效益性能多目标优化数学模型；在水，煤和页岩气资源规模和比例变动条件下对系统进行分析，揭示质能效率与效益性能的相互作用规律；以实际能源基地进行验证。本项目的研究对于资源高效利用理论意义重大，应用前景广阔。

该课题的背景主要是围绕我国富煤、贫油、少气的能源现状展开的，主要研究内容为以页岩气、煤和煤燃烧的烟道气为资源，合成燃料和各种紧缺的和高附加值化工产品的清洁转化能源系统的过程设计、模拟和优化。.本课题首先以烟道气中的二氧化硫和页岩气中的硫化氢为互补物，建立了无催化的液相克劳斯脱硫流程，并进行了模拟，结果显示硫元素单程转化率远高于相同原料时的气相转化转化率。接下来，以硫回收作为纽带，将含有二氧化硫的烟道气和含有硫化氢的页岩气进行耦合互补，构建烟道气-页岩气耦合转化型能源系统，以同时实现页岩气资源的高效利用和烟道气的减排，研究结果表明，对于一定组成的二者，页岩气和烟道气存在着最优的比例设置，使得硫的固定近乎100%，而烟道气中碳的固定也可达到40%以上。之后，继续构建以烟道气和页岩气为原料合成各种燃料和化工产品的能源系统。首先，是以页岩气和烟道气制合成气。然后，以合成气进行各种我国紧缺的化工产品合成，包括甲醇，乙二醇和油品，以及下游的甲醇制芳烃，芳烃制衍生物，在此系统中，首次引入质能利用率这一目标函数。最后，把烟道气还原到煤，进行热、电、燃料、硫固定和化工产品生产，以实现煤和页岩气的清洁转化的能源系统。.以上研究的结果显示，能源系统中氢碳比是决定整个系统节能减排和创造附加值的最关键因素，而我国碳排放基数很大，所以问题最终归结为氢气产量和高效利用的问题。基于这一结论，本研究工作又提出了多组分氢气流股相对浓度的概念，以取代氢气绝对浓度的分析基准，进一步实现了氢气的节约，从而实现在氢气产量不变的前提下充分挖掘氢气流股中可用氢气量，提高其利用率，从而为固定更多碳排放服务。