中国科学院山西煤炭化学研究所
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中国科学院山西煤炭化学研究所. 山西煤化所简介. 中国科学院山西煤炭化学研究所的前身是中国科学院煤炭研究室,于 1954 年在大连中国科学院石油研究所挂牌成立。 1961 年,煤炭研究室扩建为中国科学院煤炭化学研究所并开始向太原搬迁。 1978 年 9 月改名为中国科学院山西煤炭化学研究所并沿用至今。. 山西煤化所简介. 山西煤化所是中国科学院能源与环境高技术基地型研究所,主要从事 能源环境、先进材料 和 绿色化工 三大领域的应用基础和高技术研究与开发。. 山西煤化所 — 战略定位. 以满足国家能源安全、社会经济可持续发展及国防安全的战略性重大科技需求为 使命

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中国科学院山西煤炭化学研究所


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山西煤化所简介

中国科学院山西煤炭化学研究所的前身是中国科学院煤炭研究室,于1954年在大连中国科学院石油研究所挂牌成立。1961年,煤炭研究室扩建为中国科学院煤炭化学研究所并开始向太原搬迁。1978年9月改名为中国科学院山西煤炭化学研究所并沿用至今。

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山西煤化所简介

山西煤化所是中国科学院能源与环境高技术基地型研究所,主要从事能源环境、先进材料和绿色化工三大领域的应用基础和高技术研究与开发。


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山西煤化所—战略定位

  • 以满足国家能源安全、社会经济可持续发展及国防安全的战略性重大科技需求为使命

  • 以协调解决煤炭利用效率与生态环境问题以及重点突破制约国家战略性新兴产业发展的关键材料瓶颈为目标

  • 围绕煤炭清洁高效利用和新型炭材料制备与应用(领域)开展定向基础研究、关键核心技术和重大系统集成创新(内容)

  • 建成在相关领域具有重要国际影响力的现代化专业研究所


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山西煤化所—人才队伍

  • 现有在职职工 574人,其中科技人员410人,

    科技支撑人员100 人

    院 士 1人, 研 究 员 55 人,

    副研究员 107 人, 百人计划 9 人

    杰出青年 2人 ,千人计划 2 人

  • 在读研究生288人(其中硕士生163人,博士生125人)


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山西煤化所—研发平台


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加压气化中试平台

钴基FT和低碳醇中试平台

常压气化中试平台

MTG和MTA中试平台

甲醇与CO2转化中试平台

山西煤化所—中试基地

太原小店洁净煤技术中试基地

主要进行煤制油、煤气化、醇醚燃料合成、焦油加工利用以及CO2捕获利用等核心技术的中试研发

浆态床合成油千吨级工业中试平台


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山西煤化所—发展思路

  • 构建和凝聚专业种类齐全、结构合理的研发团队

  • 与高技术研发、平台建设、对外合作相互促进

  • 国家研发单元

  • 公共支撑平台

  • 中试平台

  • 产业化基地

  • 所地合作

  • 国际合作

高技术研发

  • 以重大项目为牵引进行高技术研发


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推荐项目

  • 灰熔聚流化床粉煤气化技术

  • 煤制乙醇技术

  • 新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

  • 石墨烯规模化生产技术


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

煤气化:煤化工与先进发电技术的龙头


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

项目背景

我国煤炭特点:

高灰、高灰熔点、高硫煤占我国煤炭资源比例较高(>40%)

高灰: 商品煤灰含量~20%

高灰熔点: ST≥1400℃, ~50%

高硫: S≥1%, ~30%; S≥2%, ~15%

现有的国际上的气化技术:Lurgi(鲁奇) 、 Texaco(德士古)、 Shell(壳牌)、HTW等;国内的:四喷嘴、航天炉等气化技术对于占我国煤炭总量40%以上的煤气化都存在各种各样的技术缺陷。

SXICC--灰熔聚流化床粉煤气化技术可以解决占三高煤“高灰、高灰熔点、高硫”的气化难题。


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

煤气化需求

随着现代煤化工的快速发展,适应中国煤种的煤气化技术需求越来越迫切。


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

灰熔聚流化床粉煤气化工艺流程


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

灰熔聚流化床粉煤气化技术特点

  • 煤种适应性广,可实现气化原料本地化

  • 温和气化,材质要求低,连续运转可靠性高

  • 设备结构简单,造价低,维护费用低,

  • 同等规模下,比引进气化技术投资低50%

  • 无废气排放,不含焦油和挥发酚,洗涤水易净化

  • 我国自主知识产权


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

研发历程

八十年代 九十年代 2001年 近年来

  • 加压研发

  • 煤种试验

  • 低压推广

Ф0.3m

Ф1m

Ф2.4m

处理量 1t煤/d 24t煤/d 100t煤/d

产气量 100Nm3/h 2000Nm3/h 9000Nm3/h


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

陕西城固示范装置

石家庄金石化肥厂工业装置


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

  • 与山西晋煤集团合作的“灰熔聚流化床煤气化技术”于2009年在晋煤成功实现工业应用;

  • 2011年4月2日,山西省科技厅组织专家鉴定,认为达到国际领先水平

  • 2011年,获山西省科技进步二等奖。

晋煤集团工业装置


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

现有技术升级过程中…

加压灰熔聚流化床气化技术

  • 2007年1月完成平台建设。

  • 2007年12月进行了晋城无烟煤的1.0MPa72小时考核试验,达到设计指标。

  • 2008年完成1.5MPa气化试验。处理50吨吨/天

  • 2009年完成2.5MPa气化试验,处理100吨/天。

  • 碳转化率~87%,有效气体含量:68~70%。

  • 863重点项目支持十一五末完成2.5MPa加压气化千吨级/日工业技术开发。

半工业加压灰熔聚装置


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1、灰熔聚流化床粉煤气化技术

  • 加压灰熔聚煤气化中试平台俯视效果图


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中国燃料乙醇市场

百万吨/年

项目背景

  • 燃料乙醇市场需求巨大

    • 年产量170万吨,占乙醇总产量的25%,10个省部分地区进行试点;国家发改委预测2020年燃料乙醇年利用量达到1000万吨

  • 现有燃料乙醇成本高

    • 3.3吨玉米 + 1.5吨煤 =1吨乙醇 成本大于7000元

    • 燃料乙醇7000元/吨,国家补贴1000~2000元/吨

  • 燃料乙醇影响国家粮食安全

    • 若玉米为原料,1000万吨燃料乙醇消耗玉米3300万吨,占玉米总产量22%,粮食总产量7%

    • 人均耕地面积小,不能走美国、巴西路线

  • 缺乏非粮路线乙醇生产方法

    • 乙烯-乙醇 石化路线,成本高 淘汰

    • 纤维素乙醇纤维素能量密度低、运输成本高、纤维素酶成本高、纤维素乙醇成本高(>7000元/吨)

    • 合成气-乙醇 乙醇选择性低,产品分离成本高

    • 乙酸-乙醇 选择性高 ,炭利用效率高

世界燃料乙醇市场

2、煤制乙醇技术

图1-3 世界乙醇行业状况

【BP Statistical Review of World Energy 2010】

  • 与甲醇相比,乙醇作为燃料添加剂无毒,腐蚀性小,污染物排放降低。目前全球范围内,66%的乙醇用于燃料消费。

  • 西方国家在90年代后彻底放弃了甲醇汽油的产业化推广,而乙醇汽油得到广泛推广。

  • 美国乙醇汽油占汽油总量的25%。

  • 巴西已成为只供应乙醇汽油的国家。


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二、概念设计与过程分析

煤制乙醇关键技术与集成研究是以甲醇转化为基础的规模化乙醇合成技术,

其技术概念是依托甲醇合成单元的基础条件,进行下游技术的延伸与集成。

2、煤制乙醇技术

  • 规模化乙醇生产技术,可望成为大规模煤制乙醇最为现实的技术途径,满足国家对非石油路线燃料(添加剂)的战略需求。

  • 缓解粮食-生物质乙醇生产带来的危机隐患,避免“与人争粮,与粮争地” 引起的国家粮食安全问题。

  • 延伸甲醇下游产业链,以大宗化学品乙醇为直接出口,引导并促进甲醇行业健康发展。

图1-2 技术路线总体示意图


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三、可行性分析

煤炭价格受煤质和地域影响较大,标煤价格600-1000元/吨,无水乙醇7000元/吨,年利润9.8-16.8亿元,投资利润率21.8%-37.4%

案例研究:50万吨合成乙醇(煤制乙醇)集成技术分析-1

2、煤制乙醇技术


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三、可行性分析

2、煤制乙醇技术

案例研究:50万吨合成乙醇集成技术分析-2


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三、可行性分析

新型醋酸加氢催化剂研发

2、煤制乙醇技术

贵金属催化剂 非晶态合金催化剂 金属磷化物催化剂


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项目背景

  • 我国煤层气资源丰富,是能源结构中重要组成部分

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

  • 我国大量进口原油和天然气,但煤层气资源丰富,世界第三: 2000m以浅36.8万亿m3, 其中可采量为10.87万亿m3

  • 我省晋东南、阳泉等地 区储量10万亿m3,与美国相当

我国煤层气资源统计


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  • 煤层气利用经济社会效应显著,但利用率很低

  • 每年排放200亿m3 ,但利用率不足10%,造成环境、安全问题

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

地面抽采CBM:甲烷>90%,

与天然气同输同用,技术成熟

井下抽放CMM:甲烷约40%,其余为空气

发电效率低,加工成LNG和CNG必须脱氧

技术处于中试、示范阶段


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煤层气催化脱氧技术现状

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

  • 催化剂:贵金属:活性高、反应温度低,但价格昂贵、不抗硫

  • 非贵金属:价格低、抗硫,但活性低、反应温度高

  • 反应工艺:

  • 目前全部采用固定床反应器:

  • 操作简单,但传热效率低;

  • 入口氧浓度<3%;循环稀释比3-5倍;过程能耗高


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技术特色:高效催化剂+流化床反应器

  • 催化剂:非贵金属催化剂:耐硫、耐高温、脱氧深度高、机械强度好、价格低廉

  • 反应工艺:流化床反应器

  • 传热效率高:反应器内温度均匀,内置换热器可移出反应热.

  • 传质效率高: 对扩散控制的反应过程,避免副反应的发生适应高含氧量煤层气,避免大量冷气循环,系统能耗低喷嘴进气,可防止因气体组成波动导致的回火或爆燃,安全性好;床层压降低,处理能力大.

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺


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3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

研究进展

  • 催化剂方面:制备出了公斤级催化剂。

  • 实验室反应评价:对组成为甲烷 24-80%、O2 4-15%的混合气,在温度400-600℃、常压、空速6000-100000 h-1,可将O2降到0.5%,300小时催化剂未见失活。


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3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

研究进展

  • 中试阶段:正在设计,一年内完成

  • 小店建设中试装置,温度400-600℃,常压,

  • 催化剂10-20kg,处理气体100-200 Nm3/h,

  • 产品气中O2降到0.5%以下

  • 工业示范:两年内完成

  • 企业现场建设示范装置

  • 催化剂1-3t,处理气体10000-40000Nm3/h

  • 一吨催化剂一年可处理8亿立方煤层气,得到3亿立方甲烷


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3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

煤层气流化床催化脱氧中试装置设计图

1.甲烷储罐;2.空气压缩机;3.空气储罐;4.混合罐;5.管道防爆器;6.换热器;7.流化床反应器;8.一级旋风分离器;9.二级旋风分离器;10.回料控制器;11.加料罐;12.金属过滤器1;13.金属过滤器2;14.料斗;15.汽包


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3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

煤层制LNG工业示范全流程工艺简图


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市场前景

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

  • 目前,含氧煤层气大量排空,少量发电,效率低,靠政策补贴;

  • 本项目以对外排空的含氧煤层气为原料,成本低;产品为脱氧煤层气可直接进管网或制成LNG、CNG,可作为城市民用燃料、车用燃气、发电燃料、工业燃料和化工原料,有广阔的市场。


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经济效益和社会效益

3、新型高效煤层气流化催化脱氧工艺

  • 脱氧过程成本0.1元/Nm3;成本将比传统的液化天然气低0.3元/Nm3以上。

  • 以30000 Nm3/h煤层气处理量的工业示范装置(甲烷40%)计,生产LNG,预计年产值2亿,利润5000万。

  • 甲烷温室效应是CO2的21倍。一个30000 Nm3/h煤层气处理量的工业示范厂,每年减排360万吨CO2。


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项目背景

  • 4、石墨烯规模化生产技术

The Rise of Graphene, since 2004

具有优异的力学、热学、光学和电学性能


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石墨烯应用前景

  • 4、石墨烯规模化生产技术


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石墨烯制备方法

  • 4、石墨烯规模化生产技术

气态碳水化合物

石墨

石墨碳质材料

富碳分子

气相化学沉积

剥离

自上而下

自下而上

石墨烯

解理

有机合成

芳香类碳水化合物

碳纳米管


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我们的技术--化学分散剥离法

氧化插层

石墨

热膨胀剥离

氧化石墨

剥离分散

化学还原

化学衍生石墨烯

氧化石墨烯

  • 4、石墨烯规模化生产技术

成本低廉,原料易得,过程简便,易于实现规模化生产。


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石墨烯未来5年内国际需求预测

  • 4、石墨烯规模化生产技术

市场容量/吨

年 份


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目标产品质量

  • 4、石墨烯规模化生产技术

高品质石墨烯研发目标:比表面积1000 m2/g,单层率75 %,层数控制在3层以下


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基本工艺流程

  • 4、石墨烯规模化生产技术

原材料:石墨粉、浓硫酸、高锰酸钾、硝酸钠等

氧化石墨工艺:Hummers法氧化插层

氧化石墨水洗:连续浓缩+多级离心工艺

废液回收:废酸回收再利用、洗水闭路循环、副产物无机盐析出

石墨烯工艺:快速热膨胀还原技术


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投资分析

  • 4、石墨烯规模化生产技术

年设计产能:1吨氧化石墨前驱体,500公斤石墨烯

  • 1. 固定投资(450 万元)

    • (1)基础建设:100 万元

    • (2)石墨烯生产工艺设备:290 万元

    • (3)储能电池小型组装线:60 万元

  • 2. 年运行费用(340 万元)

    • (1)原料消耗:50 万元

    • (2)人力成本:60 万元

    • (3)燃料动力:50 万元

    • (4)科研经费:180 万元(含测试费、研发消耗)

    • 生产成本估算:8.6 元/克(按照5年设备厂房折旧估算)

    • 5年内预期平均售价:30 元/克

    • 毛利润:1070 万元


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