高溫煤氣化轉化CO2為CO

.26.司忠業(yè)等高溫煤氣化轉化 CO2為Co研究與開(kāi)發(fā)}研究與開(kāi)發(fā){高溫煤氣化轉化CO2為CO司忠業(yè)張慶輝李漾漾唐杰張翔朱子彬(華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海200237)摘要針對CO2難處理、難利用的特點(diǎn),提出了1種新的CO2資源化利用途徑,即將CO2取代水蒸汽作為煤高溫氣化劑生產(chǎn)CO.通過(guò)實(shí)驗驗證了動(dòng)力學(xué)可行性,用ASPEN Plus模擬驗證了工藝可行性,并建立了CO2的0排放生產(chǎn)模型和效益分析。關(guān)鍵詞CO2減排;煤高溫氣化;C0制備;0排放生產(chǎn)系統模型中圖分類(lèi)號TQ127.12,X701.7文獻標識碼 A DOI 03969/.s.100 -6829.2011.01.007據世界氣象組織(WMO)與聯(lián)合國環(huán)境規劃署C+1/202一CO, .(UNEP)建立的政府間氣候變化專(zhuān)家委員會(huì )(IPCC)A.H2(298.15 K,0.1 MPa) = -123 kJ/mol; (1)在2007年的第4次評估報告,CO2 作為最重要的人C+O2亡CO2,為溫室氣體，在1970至2004年期間排放量已經(jīng)增A,H(298.15 K ,0.1 MPa) = -409 kJ/mol; (2)加了大約80%,從21 Gt增加到38 Gt,在2000年至C+CO2亡2C0,2030年間能源利用過(guò)程的CO2排放將增加40%~A,H2(298.15 K,0.1 MPa) =162 kJ/mol; (3)110%"。我國從1990年到2005年CO2排放量增加C+H2O亡CO+H2。了1倍多，預測2050年的CO2排放量至少要比.A.H。(298.15 K,0.1 MPa) =119 kJ/mol; (4)2005年再增加1倍。2009年11月26日,中國政府其中反應(1)、(2)為強放熱反應,反應(3)、(4)為吸宣布自己的溫室氣體減排計劃，中國到2020年比熱反應,2者吸熱量相近,平衡常數也近似。CO2替2005年減排40%至45%,減低碳排放量迫在眉睫。代H20作為氣化劑,即用反應(3)替換反應(4),反應當前減排的主要方式為將CO2捕集，然后封存熱力學(xué)上可行?；蛟倮?但封存的經(jīng)濟價(jià)值很低,再利用的規模還實(shí)驗分別選取反應性較差的開(kāi)灤煤焦和反應性很小網(wǎng)。本文提出將CO2作為氣化劑通過(guò)煤高溫氣較好的曹家莊煤焦,分別用CO2和H0作為氣化劑化轉化為CO,CO可作為碳- -化工原料，從而實(shí)現測定碳轉化率(x)隨時(shí)間的變化情況,反應溫度在CO2的資源化利用。1 500 C下進(jìn)行,結果如圖1?？梢钥闯鲈诟邷貤l件下,2種氣化劑下氣化反1可行性應均能在短時(shí)間內完全反應,CO2作為氣化劑時(shí)反現有的煤氣化過(guò)程通常用空氣(或純氧)和水蒸應性稍差,但相差不大,且趨勢相同。尤其是反應性汽作為氣化劑,其中氧氣與煤中的C發(fā)生的反應為較好的曹家莊煤焦,2條曲線(xiàn)接近,這說(shuō)明用CO2取強放熱反應，水蒸汽與C發(fā)生的反應為吸熱反應。代水蒸汽作為氣化劑在動(dòng)力學(xué)上可行，谷小虎等對實(shí)際上COr也參與反應過(guò)程,其與C發(fā)生的反應也義馬煤焦氣化研究的結果也驗證了這點(diǎn)網(wǎng)。為吸熱反應，故提出在煤氣化工藝中以CO2替代高1.2 模擬計算溫水蒸汽作為氣化劑，通過(guò)煤氣化反應直接將CO2通過(guò)Aspenplus模擬軟件運用最小Gibbs能平轉化為CO,并進(jìn)行了實(shí)驗和模擬計算的驗證。衡計算可以得出該工藝的模擬工況數值問(wèn)。Aspen plus1.1 實(shí)驗驗證煤氣中國煤化工在煤氣化過(guò)程中通常發(fā)生的主要反應有以下幾JHCNMHG對2種代表性煤個(gè)四:種(含L重牧尚的鞏義爆相含i量較低的神華煤)收稿日期:2010-10-132011年第18卷第1期化工生產(chǎn)與技術(shù)Chemical Production and Technology.27.1.0853.6 kg水蒸氣,用CO2代替水蒸汽,則可用1 065).8 tH,kg CO2,使合成氣中有效氣總體積分數從76%增加到94%，熱值增加4.57%(這和Lurgi公司為山西化0.6 t肥廠(chǎng)提供的數據接近間)，合成氣中H2體積分數從).4 t32%降低至10%,C0體積分數從44%增加至83%。).2 t每噸神華煤氣化過(guò)程,保持氧、煤質(zhì)量比不變,傳統工藝需529 kg水蒸汽,用CO2代替水蒸汽,則可用0.00.0 0.5101520253.0593.8 kg CO2,使合成氣中有效氣總體積分數從74%t/min增加到85%,熱值增加2.77%,合成氣中H2體積分a開(kāi)灤煤焦數從29%降低至18%,CO的體積分數從45%增加1.0元至68%。.8-從CO生產(chǎn)的角度來(lái)看,新工藝既節省了煤,又0.6.使CO2中C原子得以利用，另外產(chǎn)氣中cO的體積CO2點(diǎn))4.分數在68%以上,有利于后期CO的富集。2新工藝模型與經(jīng)濟分析00.5101520253.03.5我國是一一個(gè)“少油有氣多煤”的國家,能源結構的戰略調整和我國煤炭分布的狀況，需要大力發(fā)展b.曹家莊煤焦煤潔凈轉化技術(shù)。根據2008年召開(kāi)的煤氣化爐技術(shù)圉1轉化率隨時(shí)間的變化推廣及應用研討會(huì )對我國煤氣化發(fā)展的預測,至Fig 1 Relationship between conversion and reaction2020年用于氣化的煤將達到0.9 CUa"。若采用新工time of different coal char^藝以CO2取代水蒸汽作為氣化{Q-DECOMP[ GASES ]劑，實(shí)際的產(chǎn)出效益將會(huì )非?？捎^(guān)。>DRYCOAL - DOOMP[ INBURNER IGASFER+ PRODUCT ]-」 SBPARATE2.10 排放系統模型RYIELDRGIEESSSPLIT基于新工藝設計出如圖3「HO1SOUDBS的CO2的0排放生產(chǎn)系統,系1V統中輸人為煤.02、CO2,輸出為[ QLooS[ AR仆個(gè)CO、電力,實(shí)現了CO2的0排放。.煤和O2、CO2進(jìn)入氣化爐2以0/CO,(H20)為氣化劑的煤氣化過(guò)程Aspen plus模擬流程氣化，產(chǎn)生的Co一部分經(jīng)過(guò)Fig 2 The aspen plus imitation Aow chart of coal gaifcation via 0/CO2(H20)凈化、富集后制成高含量的的工藝過(guò)程進(jìn)行模擬計算,部分結果如表1。CO,輸出用于后續化工合成;另外一部分CO經(jīng)過(guò)表1工藝模擬計算結果(每噸煤)凈化,簡(jiǎn)單預處理后用于燃氣輪機發(fā)電,電力供給廠(chǎng)Tab 1 The calculation result of imitation(for every ton coal)區內使用,富余電力可以對外輸送。生成氣體煤種反應氣體m/kgm/kgh/ 有效氣體φ/%O2高含量H2O CO2 O2 H co (MJ.kg')總H_ co煤十氣合成氣[凈化富集co2鞏義煤853.6 0 58879.541 536 25.14 76 32 44凈化燃氣輪機力鞏義煤0 1065588 20.69235426.29 94 10 8中國煤化工輸出神華煤529.0 0 83368.651461 23.06 74 294HCNMHG廠(chǎng)用電神華煤0 593.88335.931915 23.70 85 18 68從表1中可知,每噸鞏義煤氣化過(guò)程,保持氧、團3 CO2高溫煤氣化轉化為CO的0排放系統初步設計煤質(zhì)量比不變,傳統工藝(即以水蒸汽為氣化劑)需Fig 3 The flow chart of CO2 zero-discharge production model●28.司忠業(yè)等高溫煤氣化轉化CO2為CO研究與開(kāi)發(fā)2.2 效益分析上實(shí)現了CO2的減排。新工藝可以達到3個(gè)效果,從環(huán)境、資源、能源3)根據CO2作為氣化劑的特點(diǎn)提供了新的工藝等方面全面實(shí)現經(jīng)濟效益。方法,具有低碳、節水和提高產(chǎn)氣熱值等優(yōu)勢,降低1)CO2減排。我國2010年CO2排放總量達到了了CO2捕集成本和CO富集成本,具有迅速工業(yè)化5.8 Gt國;估計至2020年,將有0.22~0.36 Gt煤通過(guò)的潛力。氣化產(chǎn)生合成氣用于化工合成明。若采用新工藝可總之，鑒于目前對CO2減排工藝的迫切需求,以使0.17-0.27 Gt CO2轉化為C0并用于有機合成.新工藝作為一種消耗CO2、降低碳排放、降低碳一化實(shí)現CO2的資源化固化,同時(shí)節約煤炭資源。工原料成本的技術(shù)將在今后的工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛2)節水。煤氣化發(fā)展的基本條件之- -就是要有的應用。充足的水源0。而我國西部水資源緊缺的現狀在短參考文獻期將會(huì )是煤氣化在產(chǎn)煤地區發(fā)展的一大障礙。采用.[1] IPCC.氣候變化2007:綜合報告[M],倫敦:劍橋大學(xué)出版新工藝,以氣化0.9 Gt煤來(lái)計算,采用新工藝將水社, 2008.全部由CO2替代,將實(shí)現節約水資源約0.27Gt(以[2] IPCC.二氧化碳的捕獲和封存M].倫敦:劍橋大學(xué)出版社，目前氣化工藝中作為氣化劑用水300 kg/t 煤計算)2007.的巨大經(jīng)濟和環(huán)境效益。[β3]沙興中,楊南星.煤的氣化與應用[M].上海:華東理工大學(xué)3)降低CO成本。新工藝產(chǎn)生的CO可以廣泛應出版社, 195:444.用于化工生產(chǎn)、冶金生物等領(lǐng)域,其中,主要用于制[4]谷小虎,曹敏,王蘭甫,等.義馬煤焦CO2氣化反應性研究[備碳一化工產(chǎn)品如甲酸、醋酸、草酸、草酸酐、草酸煤炭轉化, 2009.32(9);: 3-5.酯、二甲醚、甲酰胺等I。采用新工藝煤氣化產(chǎn)氣的[5]汪洋,代正華,于廣鎖,等.運用Gibbs自由能最小化方法模擬氣流床煤氣化爐[小]煤炭轉化, 2004,27(10); 27-33.CO的體積分數達到了76%,而傳統工藝的CO的體[6]吳楓,閻承信.用成熟的Lurgi煤氣化技術(shù)發(fā)展ICCC的探積分數僅為40%,為CO富集降低了成本。討[們,燃氣輪機技術(shù), 2003,16(4): 5-11.3結語(yǔ)[7]沈綱輪,宋世權.煤氣化技術(shù)現狀和展望[J]上海煤氣, 2009(1): 1-5.綜上所述,CO2代替H20作為煤高溫氣化劑的[8]步維智,劉功年.高純度Co的制取[C]全國中氨情報協(xié)作新工藝具有以下特點(diǎn)。組第18次技術(shù)年會(huì )論文集, 2001:315-317.1)實(shí)驗驗證了新工藝在熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)上的可[9]杜祥琬.《哥本哈根會(huì )議》和中國低碳能源戰略[]杭州科行性,模擬計算為工藝過(guò)程的改造提供了數據支撐。技, 20102); 20-24.2)對比傳統的深海填埋、油井驅油等CO2碳封[10]顧宗勤.中國發(fā)展煤化工應注意的幾個(gè)問(wèn)題[C].石河子:存方法,新工藝實(shí)現了C原子資源化利用,從本質(zhì)2005年中國碳-化工與潔凈煤技術(shù)應用國際研討會(huì ),2005.deieeeeeaeesesaparesesteroeasasaresestereeeaues(上接第21頁(yè))相容性研究[J]礦產(chǎn)綜合利用, 2005(6); 3-7..參考文獻6]薛彥輝周廣柱張桂齋.鉚長(cháng)石-螢石-硫酸體系中分解鉀. 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