煤化工过程节能减排系统集成的理论和技术基础

In the background of energy supply shortage, new coal processing industries have been developing quickly in the last few years in China. Currently, resource utilization efficiency and energy integration are relatively low in the coal processing industries; carbon emission, particulate matter emission, waste water discharge, and other pollution problems are serious..In this project, multi-level structure analysis, modeling, simulation, and process integration, will be investigated for resource conservation and pollution mitigation for the coal based processes..A set of models will be built for comprehensive evaluation of resources, energy, economy and environmental perfoamance of coal based procrsses. A platform will be established for the availability energy analysis, water network analysis, and life cycle analysis. Multi-objective system integration approach, system integration framework, and software analysis will be then conducted to quantify sustainability of the processes..The basic principles of carbon and hydrogen metabolism and energy transfer will be analyzed for several major coal gasification derived chemical processes. A number of novel integrated processes of coal gasification and other hydrogen-rich resource utilization are explored on the base of the principle of element complementation, energy coupling, carbon, hydrogen, and water material network integration..The availability energy consumption and the key links of gas-liquid-solid pollutant (CO2, PM, phenol and ammonia waste water) emissions and bottlenecks are dissected to achieve process innovation.

在资源能源紧缺的背景下，我国新型煤化工产业方兴未艾。煤化工的资源综合效率、能量利用集成度均较低，碳排放和废水排放问题突出。本课题探索运用层次结构分析和过程集成的理论和方法，研究煤化工节能减排集成创新的理论方法和技术基础。.应用有效能分析、物质网络/水网络分析、生命周期分析等方法，建立煤化工过程的资源、经济、环境等多因素评价模型，展开多目标系统分析，量化煤化工产品链中原料和能量消耗、全生命周期成本、碳排放和水资源消耗。.针对煤气化为核心的几类重要煤化工过程，揭示碳氢元素代谢和有效能降阶的基本规律。依据碳/氢元素互补、能量耦合和梯级利用的原理，探索煤与富氢资源联供、碳减排与碳回用以及能量网络耦合协同优化、化工/电力/蒸气联产等新过程的科学基础和技术性能。.解剖煤化工废水处理流程的瓶颈所在，探索高浓度有机污染物的资源化利用、对高毒性污染物的选择性消除技术，实现近零排放关键环节的技术突破和集成创新。

项目研究背景.我国新型煤化工过程依然存在集成度不高、资源效率较低、碳排放和废水排放问题突出。本项目重点研究了煤化工过程能量利用与碳减排新工艺和集成创新。.主要研究内容和科学意义.本项目应用有效能分析、质量能量网络分析、生命周期分析等，揭示碳排放和水资源消耗的技术瓶颈，揭示碳氢元素代谢和有效能降阶的基本规律；针对新型煤化工过程关键单元装置进行节能创新研究；探索新能源与煤化工过程集成的科学问题，以及耦合过程设计、计划、调度和运行等方面的技术瓶颈和解决方法，为实现源头和内源性节能减排奠定科学技术基础。.重要结果.1、煤化工装置和过程节能技术创新和能量集成：将低温甲醇洗装置集成二氧化碳部分液化和半贫甲醇吸收循环，优化冷量配置，CO2分离再生成本降低8.7%；开发了低温甲醇洗与双级氨吸收制冷集成系统，整个制冷系统节能14.9%；对典型煤化工过程蒸汽动力系统建模，运用数据驱动鲁棒优化方法优化运行成本，降低约1100万元/年。.2、煤化工废水减排和资源回用过程集成：探索了多元酚萃取体系的分子构效关系和官能团协同效应，开发了新型高效多元酚萃取剂。开发了适用于兰炭废水脱酚处理的新的工艺流程和萃取装置，已应用于脱酚工艺设计和工业实施。脱酚后总酚含量小于500 mg/L，副产品粗酚纯度可达90%左右，产生的经济效益使废水处理成本缩减60%，有效缓解了企业环保投入压力。.3、风-光-煤多能互补集成电解制氢用于低碳清洁煤化工过程：通过风电与光电功率频谱分析和滤波分析，发现了风能光能波动的周期特征和相位差异，构成了风能光能耦合互补的科学基础，为煤化工清洁生产工艺提供高品质低碳氢资源。.关键数据.项目执行期为推进研究成果工业转化，到宁夏、内蒙等地采集煤制烯烃和煤制气的关键耗能单元以及公用工程关键物流和节点能耗数据；到宁夏进行煤化工废水的现场工艺实施，采集现场的运行数据进行优化调试；采集西北四省、新疆、内蒙、甘肃、宁夏等地典型区域的风光能近十年的数据，建立全国风光能一类区域的大数据库，用于不同区域的风光周期特征和相位差异分析。