美国能源结构及未来趋势(2)

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IGCC 电厂的环保控制
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燃煤电厂环保工艺
脱硝
脱硫
除粒子
测汞/除汞
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天然气联合循环发电的环保控制
因为天然气经过了预处理，因此 硫SOx, 汞， 和PM 低于排放标准， 因此大多数燃气电厂 电厂只需要脱硝装置。有些州要求安装VOC 控制。
生物质 天然气 CO2
天然气
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航空汽油 芳香烃化工品
气化 （分散型催化剂）
净化分离
炭渣 气化
焦油循环转化
合成气 航空油合成
航空汽油 航空煤油
催化重整
合成气
副产物循环
优点： 1. 多种燃料及化学产品，且生产不受生物质供应变化的限制 2. 产率高，高于生物质本身转化的50% 3. 经济和环保共同效益
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石油和天然气价格关联度从2006年起下降
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石油价格走势
天然气价格走势
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近10年美国天然气价格
2.6元/立方米 1.1元/立方米 0.7元/立方米
按当前汇率折算 24
美国已探明页岩气资源分布
页岩气的开采不仅使美国能源结构发生 了变化，且冲击了其他行业。 美国已经具备天然气出口能力，世界能 源领域结构将重新定义。
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页岩气的发现和开采: 能源革命
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天然气对未来美国经济的影响
页岩气为美国经济的再次振兴助 力；
几乎所有工业都受到页岩气开采 的“冲击”;
页岩气的开采将使美国变成能源 出口国;
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能源消费占美国GDP的比重
未来能源消费在美GDP 中的比重将 呈下降趋势；
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石油运输发展历史
1863
1879
1917
经过一个世纪的“磨练”，石油的收储运问题早已经解决。
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美国石油炼制发展趋势
传统石油炼制经过100多年经营已经是 一个成熟工业； 但是，由于页岩油的开采，美国在不久 将来会成为石油输出国； 页岩油不同于传统石油，是轻质油； 面临的技术挑战：炼油厂改造； 趋势：谁准备好了轻质油炼制技术，谁 就会在未来5-10年有所收益。
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电动汽车的问题与前景
问题： 电池能量密度 快速充电电池 充电基础设施建设
前景： 20 年后炼油厂是否会改造成发电厂？ 中国“三大桶”的地位会如何？
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电动汽车是否可以代替传统汽车？
美国在汽车电池方面投资巨 大；
输电网络比石油天然气发 达， 意味着随处可以给汽车充 电； 电驱动车的技术革命可以使 得以汽油为燃料的汽车走向末 路，石油业将去向何处？
城市垃圾 （陈腐垃圾）
气化
CO/H2
费托合成
生物航空油
生物航空油可替代石油产品 不产生二恶英（Dioxin）
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生物质转化新思考
生物质化学组成:
C=51 wt%, H=6 wt%, O=43 wt%, S=0.002wt%
石油产品化学组成:
C=84 wt%, H=13.2 wt%, O= 0.8 wt%, S= 2 wt%
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丹麦经验
风电占30% 以上； 风机投资允许民间自筹资金； 设计规范化，和城乡建筑融为一体； 国家税收补贴，优先上主网。
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微电网(Microgrids)与可再生能源
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什么是微电网？
指分布式电源的配电子系 统，是一个预先设计好的 ”孤 岛”，脱离主网后可正常运 行，维持所有或部分重要用 电；既可以和主网平行运
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微电网和主网关系示意图
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通过微电网解决加利福尼亚州的供电问题
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生物质转化技术未来发展趋势
非粮酒精
美国目前有三家公司在建商业化非粮酒精厂（大约8万吨/年） 杜邦公司 Poet Abengoa
美国政府采取的扶植政策 优惠税收政策 RIN 调节(Renewable Identification Number. 美国政府分配给炼油厂的 责任)
行，又可以回并到主网。
在太阳能和风能领域的应 用具有经济和环保价值 （GHG减排)。
除了经济价值外， 在能 源战略和能源安全方面 起的作用尤为重要。
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微电网在美国的发展
微电网的主要构成： o 发电 o 输送 o 动态控制系统 （电压频率） o 储电 o 并网离网切换控制 o 保养维修
目前， 北美市场在微电网投资是每年260亿美元， 大概是5.9GW/年的增量。 美国能源部和军方在微电网方面投入很大。
石油也不例外；
天然气占比将会平稳。
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美国，欧洲，中国天然气价格对比
美国，欧洲，中国天然气价格：
价格，元/立方米
美国 0.6-1.1
欧洲 2.0-2.4
中国 2.6-3.6
价格分布不符合市场经济规律， 按经济规律趋势是什么？
政治因素影响能源进口价格（美国出口管制，中-俄关系）
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目前美国发电板块（按燃料分）
煤炭 天然气 核能 可再生 石油 水利 其他
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2013 年新增加的发电容量
一半新增是天然气热电厂 其次是太阳能和其他可再 生能源 煤炭只占增量的10%
趋势：煤炭减少，天然气和可再生增加
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美国加利福尼亚州大幅度提高清洁能源比例
技术方面没有悬念； 经济性挑战：生产成本按全投资计算折合多少美元一桶？ 如果政府要求对二氧化碳减排，或征收碳税，建设投资和运营成本会更高。
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二氧化碳捕集：建设投资和运行成本均很大
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燃煤和燃气电厂的环保控制
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环保控制标准
在美国，空气排放主要控制以下污染组分：
小分子废气用于 发电
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电动汽车（ Electric Vehicles）发展状况
美国的Tesla 宣布投资50亿美元发 展汽车电池，继美国能源部20亿 美元投资后的最大一笔投资。
如果将来汽车变成电动汽车，二 氧化碳, Nox，SOX等可以在电厂集 中收集处理，汽车尾气排放将得 到控制。
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通用电器
康菲 壳牌 注：2012 年颁布
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环保标准与发电技术类型有 关。
符合地方，州和联邦最低标 准要求。
通常批准的排放限度比颁发 的标准更严。
举例：1970s 建发电厂只需15 个月，现在环保审批就需18个 月。
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脱硫和脱硝
脱硫SOx : 大多电厂采用FGD 或 wFGD技术。
-SOx
-NOx -灰尘粒子 （PM) -汞 -美国环保署要求大型生产厂填报CO2 排放量。
标准的实施及最终颁发给企业的环保许可：
与发电方式有关：IGCC， 普通燃煤，燃气； 与燃料有关； 与地区有关 ； 现存厂及新厂要求有所不同。
废水处理即排放比较复杂。
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燃煤电厂环保标准及审批
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思考：地球变暖与二氧化碳是否按照所示规律？
11/23/2014 IPCC=Intergovernmental Panel on Climate Change
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谢谢
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生物质转化酶负载酵母菌：纤维素降解发酵二合一，节省设备投资及操作费
用。
纤维素， 半纤维素
五碳糖和六碳糖共发酵工艺技术（三家美国公司）
酒精或丁醇
六碳糖 五碳糖
酒精或丁 醇
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复合型酵母菌
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生物燃料发展趋势：生物航空油
欧盟国家将对外来航班收碳税如果航空油中不含一定量的生物航空油 美国能源部也在加大生物航空油技术开发投资
答案：来自石油和天然气竞争
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IGCC 在美国的兴衰
优点：效率高，可以生产其他非电 力产品； 缺点：投资高，CO2 及其他环保问 题； 受页岩气的冲击； IGCC改造。
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煤制油和煤化工
煤炭间接液化 （煤气化经合成气）
煤炭间接液化
煤炭间接液化. 神华为例
• 美国政府迄今已经投资1540亿美元开发可再生能源技 术；但
• 这仅是用于研发方面的投资，不含商业化投资。 • 美国政府不建厂，商业化由企业完成。
绿色能源需要绿色金钱来支撑
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加利福尼亚州如何利用分布式太阳能和风能？
分布式太阳能解决了 新能源供给问题。但 是，也带来的新的供电 问题。
CaCO3 (solid) + SO2 (gas) → CaSO3 (solid) + CO2 (gas)
脱硝NOx： Low NOx burner。 SCR
催化剂基本标准化； 氨的用量可以计算， 但是实际消耗量和检测手段以及催化
剂效率等因素有关；
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
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NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
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关于汞的环保标准
采用除汞的技术：
从2011年12月颁布起， 要求25MW 以上电厂在四年内达标。
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汞有三种氧化态，去除难易程度相差较大
氧化汞HgO和Hg2O比零价汞Hg0 容易吸附。 SCR 催化剂改进可以将汞氧化氧化。 wFGD有除汞效果。
通常，加利福尼亚州引领美国环保 立法的方向；而环保立法又直接影响 能源的使用。
1970-1990年加州治理空气，包括雾 霾，的经验证明，他们的一些措施是 正确的。
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关于煤炭
电力行业仍是最大的煤炭消费行业；
IGCC的兴衰;燃煤和燃气发电的环保控制。
煤化工
煤炭为原料的煤化工在美国为什么没市场？
非粮酒精面临什么样的挑战？ 经济效益（原料收储运） 政策持续性 玉米酒精 天然气
生物质热化学及生物化学工艺结合
生物质
化学 分离
纤维素 半纤维素
木质素
生物化学转化
酒精 丁醇 丁烯
CO/H2
气化
CO/H2
费托合成
液体 燃料
化学催化反应
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生物化学 转化
醇产品
液体 燃料
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生物质转化酶及发酵工艺技术发展趋势
中国页岩气开采与天然气进口； 若中国天然气价格下跌将会带来什么影响？
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可再生能源
生物质能 风电 太阳能
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美国政府和私营企业投资可再生能源
私营企业投资远超联邦政府。 仅巴菲特用于风电和太阳能的投资就达 150亿美元，且准备再追加150亿美元；
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燃煤电厂的污水处理
燃煤电厂尤其是装备了wFGD， 废水通常中含有： 高浓度TDS and TSS； 过饱和硫酸盐； 有机物； 氨，硝酸盐和亚硝盐； 重金属 （Hg， As， Se，等）。
处理方法
硫酸钙;
主要粒子去除 ;
微量金属沉淀法去除;
二级粒子去除 ;
精细过滤。
美国能源结构及未来发展趋势
胡剑利
提纲
煤炭
发电现状及趋势 煤制油是否可行 煤化工前景如何
石油
传统原油炼制 页岩油 （轻质油） 趋势
天然气
页岩气的成功开采及影响
可再生能源
生物质能 风电，太阳能
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前言
一个国家的能源结构设置与其所拥有的资源， 体制，国家战略规 划，经济及社会发展阶段等要素紧密相关。
天然气化学组成： C=75%， H=25%
启示：
生物质：缺氢多氧， 含氧量达40%。 生物燃料：碳氢化合物几乎不含氧， 因此要除去占生物质总量大约40%的 氧。 生物质中的氧只能以两种方式去除：H2O 或 CO2 为什么不利用富氢的天然气和生物质共转化？
Βιβλιοθήκη Baidu
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生物质天然气（页岩气）共同转化
如何解决高峰期供电 问题？
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可再生能源发展：如何应对鸭形供电效应？
储存“过剩”可再生能源， 用于用电高峰。
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风电技术发展趋势
风机机组控制传感器和控制软件的开发；特别是智能风机 的核心控制技术；
大功率 （GE做到了单机3MW，丹麦单机容量8MW）； 模块化设计， 局部变桨技术，碳纤维材料主轴等等。 高塔架和扩展翼提高效率；