煤氣化制氫新技術(shù)的探討

第27卷增刊(1)現代化工June 20072007年6月Moderm Chermical Industry●335●煤氣化制氫新技術(shù)的探討謝繼東,李文華,陳亞飛(煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院,北京100013)摘要:簡(jiǎn)單介紹了煤氣化制氫的2種方法,詳細分析了靠外部提供反應所需熱量來(lái)實(shí)現煤氣化制氫的新技術(shù)。構造了煤制氫新工藝系統,對新工藝進(jìn)行了系統模擬和分析,系統中氣化爐的氣化效率達到96.3% ,熱效率可達87.4%。煤產(chǎn)氫比現有工藝提高了約25%。關(guān)鍵詞:氫能;氣化;煤炭中圈分類(lèi)號:TK91;TQ171625.2文獻標識碼:A文章編號:0253 - 4320(200)51) -0335-02Discussion of new technology for hydrogen production from coal gasifcationXIE ji-dong, UI Wen-hua, CHENG Ya-fei( Bejing Research Istitute of Coal Chenmisty, CCRI., Bejjing 00013, China)Abstract: Two methods for hydrogen production from coal gasification are introduced, and a new caol gasificationtechnology which could bring coal gasified converted into hydrogen by outside heat is analyrzed in detail. A new technologicalsystem of hydrogen production from coal is constructed, wih the system simulated and analyzed, the results indicaed that thegasification eficiency in the gasification furmace could reach 96.3%，and the themal eficiency is up to 87.4% .The hydrogenyield of per ton coal increased by about 25% as compared with that of the present technology .Key words: hydrogen energy; gasification; coal煤炭是一種特殊的化石燃料,也是我國分布最熱點(diǎn)問(wèn)題[4]。廣、較為豐富的一-種能源，由于石油和天然氣資源量1煤氣化制氫簡(jiǎn)介的不足,預計在較長(cháng)的時(shí)間內，我國以煤為主的能源結構不會(huì )改變。因而,由燃煤引起的環(huán)境問(wèn)題比其煤氣化制氫過(guò)程目前主要有2種方法。一種是他國家都要嚴重,解決問(wèn)題的難度也將更大。煤炭燃燒一部分煤放出熱量,供給反應體系來(lái)實(shí)現煤的的開(kāi)發(fā)和加工利用是我國環(huán)境需要面對的主要問(wèn)題氣化反應[5]。目前的大多數氣化方式都是采用這種之一。因此,發(fā)展低消耗、高轉化率,總體排放低或方法。這種氣化方法雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，也有許多不排放幾乎為零的煤炭利用系統在我國有更加重要的足之處。由于要燃燒掉一部分煤 ,這部分煤約占總意義1。這就要求我們找到一種新的煤炭利用方煤量的1/4,從而降低了煤的轉化率;同時(shí)還要通人式,用以替代傳統化石能源的直接利用,或者能夠潔大量的氧氣,不但使工藝變得復雜,而且產(chǎn)生了大量?jì)衾矛F在的化石能源,不再污染環(huán)境[2]。CO2氣體,增大了氣體處理量。另- -種是靠外部間氫能是一-種潔凈的二次能源,它的來(lái)源廣泛,在接提供反應所需熱量,來(lái)實(shí)現煤的氣化反應。該方進(jìn)行能量轉換時(shí)其產(chǎn)物是水,可真正實(shí)現污染物的法不需要氧氣參與,只有水蒸氣和煤反應,產(chǎn)生Co零排放,在未來(lái)可持續能源系統中,將成為主要的載和O2,之后CO通過(guò)水煤氣變換反應轉化成氫氣和能體,成為主要的終端能源。氫能已經(jīng)引起各國政CO2。該氣化方法由于不需要燃燒掉一部分煤來(lái)供府和科學(xué)家們的高度重視，許多國家圍繞著(zhù)制氫、儲熱,所以提高了煤炭的轉化率;過(guò)程不需要氧氣,使氫、用氫制定了相應的開(kāi)發(fā)計劃。如美國能源部的復雜的工藝得以簡(jiǎn)化;產(chǎn)生的CO2量也有所減少,所“氫能計劃”，日本新能源開(kāi)發(fā)機構新日光計劃中的以會(huì )提高氫氣單位時(shí)間的產(chǎn)量。該工藝的關(guān)鍵是如“氫能世界能源網(wǎng)絡(luò )計劃”等3]。目前制氫方法主要何實(shí)現熱量有效地供給反應體系中的煤料和水蒸是化石燃料制氫和水電解制氫,由于受資源量和技中國煤化工現很高的熱傳遞效術(shù)條件的限制，煤制氫將是各國研究者近期探討的業(yè)化。工藝流程如:MYHCNMHG收稿日期:2006-11-10作者簡(jiǎn)介:謝繼東(1971- ),男,博士生,研究方向為煤質(zhì)與煤炭氣化,010- 842694, xidinga00@@ 163. com;李文華(1961 - ),男,博士生導師，研究方向為煤質(zhì)與煤化工。336●現代化工第27卷增刊(1)圖1所示。該系統遵循質(zhì)量守恒定律,即任意時(shí)刻反應物水蒸氣消耗的質(zhì)量等于產(chǎn)物的生成質(zhì)量。在系統分析中,堪- -反應的了一氣體凈化-C0變換一匹提線(xiàn)一H,產(chǎn)品通過(guò)極小化Gibbs自由能預測反應中反應物的平衡組分,用蓋斯定律對物流熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。系灰渣副產(chǎn)品水蒸氣 尾氣 副產(chǎn) 品CO,統中采用換熱器和廢熱回收器進(jìn)行熱回收和熱交圖1 間接供熱煤制氫工藝流程圖換,以最小節點(diǎn)溫差保證傳熱的可行性。對上述系統,取氣化爐的壓力為2 MPa,溫度為900C ,碳轉化2煤氣化制氫新技術(shù)系統率為85%,水蒸氣分解率為60%,通過(guò)計算知氣化上述工藝發(fā)生的化學(xué)反應如下,反應爐內進(jìn)行效率達96.3% ,每噸煤產(chǎn)氫比現有工藝提高了約氣化反應(1),變換系統發(fā)生co的變換反應(3)。25%。氫產(chǎn)率與溫度壓力的關(guān)系如圖3和圖4所C+ H20- + H + C0+ 135.0 kJ/mol(1)示,隨著(zhù)溫度的升高,由于反應是強吸熱反應,C0和C+ 2H2→CH4 - 84.3 kJ/molH2的量都增加，而C0經(jīng)變換轉換成CO2和H,所C0+ H0一→H2+ CO2 - 38.4 kJ/mol以氫氣的產(chǎn)率也增加。隨著(zhù)壓力的增加, CH,和C+ CO2一+ 2CO + 173.3 kJ/mol4)CO2的量增加，氫氣的產(chǎn)率降低。對系統的能量轉C0+ 3H2一→ CH+ H20 - 219.3 kJ/mol5)換進(jìn)行衡算,設定換熱器和每個(gè)廢熱回收器回收的參加反應的物質(zhì)為煤和水蒸氣時(shí),反應(1)為一熱量為物流顯熱的80%,計算得出回收的顯熱占總次反應,氣態(tài)反應產(chǎn)物H、CO是二次反應劑，反應熱量的12.9% ,轉換成煤氣熱值的能量占總能量的(2)-(4)為一次反應劑和二次反應劑之間的反應，74.5%,系統熱效率可達87.4%。廢渣中帶走的碳式(5)是二次反應劑之間的反應,生成三次產(chǎn)物。是主要的能量損耗,占8.1%;煤氣帶出物損失占反應系統由氣化爐和變換器等構成,氣化反應1.3% ;散熱等其他損失占3.2%。通過(guò)對系統的模的外供熱方式有多種方式,可以直接供給氣化爐爐擬分析,說(shuō)明該工藝可行,可做更加深人的研究。體,也可以將熱量由氣化劑或其他載體帶人,根據供1.0R 0.9[熱方式的不同,可形成不同的系統。圖2所示就是其中的-一個(gè)系統案例。高溫燃料氣低溫燃料氣氣體5H和CO,<⑥> -H,800 850 900 950 1000 1050 1100熱量熱廢氣溫度/C工下水蒸氣水蒸氣固體圖3氫產(chǎn)率與溫度的關(guān)系0.8C冷廢渣冷廢氣建0.6廢熱并0.4補0.2-1-氣化爐;2- -熱回收換熱器;3- -廢熱鍋爐;4-三相分離器;5- -變換器;6-變壓吸附裝置;7 -廢熱回收器;8- -廢熱回收器0.2 0.4 0.6 0.81.01.21.41.61.82.0壓力/MPa圖2煤制氫系統案例圖4氫產(chǎn)率和壓力的關(guān)系煤料和水蒸氣在外供熱量的條件下,在氣化爐內發(fā)生氣化反應,反應產(chǎn)物經(jīng)熱回收換熱器,到三相3結語(yǔ)分離器,分離出氣體組分H2和Co,再經(jīng)變換器CO轉換成H2和CO2,然后H2經(jīng)提純分離出CO2,得到煤制氫是發(fā)展氫能初級階段解決氫源問(wèn)題的主純凈的H。經(jīng)三相分離器分離出的固體組分主要要途徑.具有重要的戰略意義。通過(guò)對新工藝的探是未反應的煤料,送回氣化爐;分離出的液體組分是索!YH中國煤化工處，合理有效地利用.水,再用于制水蒸氣。要保證氣化反應能夠發(fā)生,整好燒|C N M H G系統模擬和分析,該個(gè)系統熱量的供給是關(guān)鍵。為提高系統的熱效率，工藝可望提高煤制氫的效率,提高煤炭的產(chǎn)氫量。有多處廢熱回收器,可將過(guò)程產(chǎn)生的熱回收再利用。(下轉第338頁(yè))現代化工第27卷增刊(1)管器本體是合成樹(shù)脂,制造時(shí)要比管子的內徑稍大清管器由壓力流體推動(dòng)前進(jìn)。此外,清管器的行走一些，由于它具有很好的彈性,且收縮率較大(可達.速度比刮掉下的碳垢下落速度快5~7倍,所以,除15% ~ 65%),它能夠很容易地通過(guò)彎管、T形管、∪下來(lái)的積碳不會(huì )堵塞管道。形管及短直徑彎管等。釘頭的形狀有方形、半圓頭3清焦的步驟說(shuō)明銼刀形等,使用的材質(zhì)比結垢硬、比熱管軟,其目的在于不損傷管的內壁面,一般根據加熱管的材質(zhì)來(lái)"Elastic Cleaning Pig” 清焦技術(shù)如前所述，其本選擇清焦的釘頭。體大于爐管的內徑,而且還裝有厚度5~ 12 mm的釘根據不同的場(chǎng)合和清洗階段,需要不同的彈性頭,所以插人管內時(shí)必須使用發(fā)射器。由于清管器清管器來(lái)進(jìn)行清焦。帶有釘頭的彈性清管器如圖1是根據焦化狀況而進(jìn)行往復運動(dòng)的(特別是對局部所示。熱點(diǎn)部位),所以,清管器要安放在發(fā)射管的進(jìn)入口兩側,因此,該發(fā)射器根據清管器的行走方向,既可做發(fā)射器,又可做回收器。發(fā)射器和回收器是使清管器行走時(shí)所需要的壓力液體的注人口和排出口,當然,要想知道清管器的位置,就必須安裝壓力表。加熱爐清焦系統如圖3所示。8410三圖1帶有釘頭的彈性清管器從表面看,釘頭的安裝像層層塞滿(mǎn)清焦器整個(gè)鹵。8圓周表面--樣。清管器的平面和側面展開(kāi)圖如圖2命。要d中氣四MW1-清水池;2-打壓用機械泵;3-發(fā)射器;4- 壓力記錄儀;...........p 0o◎◎0◎動(dòng)壓力5- -熱煤爐;6- -過(guò)濾網(wǎng);7- 排水槽;8- 排水泵;9-含油池;10-熱煤爐內管線(xiàn)WWW平面展開(kāi)圖清管器圖3加熱爐清焦系統圖行走方向3.1清管 器的行走(1)當加熱爐內盤(pán)管對流段與輻射段的管徑相同時(shí),清管器就可以由對流段往輻射段-一次行走。圖2彈性清管器的平面 展開(kāi)圖、(2)在對流段與輻射段口徑不同的情況下,不同管內受力圖及在管內行走示意圖口徑的管子接口伸出爐外時(shí),最好的施工方法是對從側表面來(lái)看,釘頭安裝像鋸齒形排列。在把流段和輻射段分別使用不同規格的清管器。清焦清管器插入管內時(shí),釘頭呈環(huán)狀,借助清管器本3.2清管器的行走壓力與行走速度體合成樹(shù)脂材料的反彈壓力與管壁均勻接觸,利用清管器必須以所除掉碳垢自由下落速度7倍以這個(gè)彈性力把黏附于管壁上的碳或硫化鐵物質(zhì)刮上的速度進(jìn)行行走,根據這個(gè)速度來(lái)計算出相應的掉。被刮掉的硫化鐵和碳,被沿著(zhù)清管器圓周分布行走壓力(Op)。求出清管器動(dòng)力源所需的壓力和的釘頭磨成細粉末,最終從釘頭間隙中泄漏出去。流量,再往該Op上加人清管器本體的推動(dòng)壓力(上接第336頁(yè))[3中國煤化工熱物理學(xué)報201,22(1): .參考文獻TYHCNMHG[1]毛宗強.氫能:21世紀的綠色能源[ M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，[4]徐振剛，吳春來(lái).煤氣化制氫技術(shù)[J].低溫與特氣,2000, 18(6): .2005.28-31.[2]劉淑敏,國文學(xué),范莉娟,等.零排放煤基發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展[J].[5]郭樹(shù)才.煤化工工藝學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1929. 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