第27卷增刊(1)現(xiàn)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(xì)分析了靠外部提供反應(yīng)所需熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)煤氣化制氫的新技術(shù)。構(gòu)造了煤制氫新工藝系統(tǒng),對(duì)新工藝進(jìn)行了系統(tǒng)模擬和分析,系統(tǒng)中氣化爐的氣化效率達(dá)到96.3% ,熱效率可達(dá)87.4%。煤產(chǎn)氫比現(xiàn)有工藝提高了約25%。關(guān)鍵詞:氫能;氣化;煤炭中圈分類號(hào):TK91;TQ171625.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(guó)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(yù)計(jì)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)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(guó)家都要嚴(yán)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(yīng)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)煤的的開(kāi)發(fā)和加工利用是我國(guó)環(huán)境需要面對(duì)的主要問(wèn)題氣化反應(yīng)[5]。目前的大多數(shù)氣化方式都是采用這種之一。因此,發(fā)展低消耗、高轉(zhuǎn)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(tǒng)在我國(guó)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(zhuǎn)化率;同時(shí)還要通人式,用以替代傳統(tǒng)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(fù)雜,而且產(chǎn)生了大量?jī)衾矛F(xiàn)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(yīng)所需熱量,來(lái)實(shí)現(xiàn)煤的氣化反應(yīng)。該方進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)其產(chǎn)物是水,可真正實(shí)現(xiàn)污染物的法不需要氧氣參與,只有水蒸氣和煤反應(yīng),產(chǎn)生Co零排放,在未來(lái)可持續(xù)能源系統(tǒng)中,將成為主要的載和O2,之后CO通過(guò)水煤氣變換反應(yīng)轉(zhuǎn)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(guó)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(guó)家圍繞著制氫、儲(chǔ)熱,所以提高了煤炭的轉(zhuǎn)化率;過(guò)程不需要氧氣,使氫、用氫制定了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。如美國(guó)能源部的復(fù)雜的工藝得以簡(jiǎn)化;產(chǎn)生的CO2量也有所減少,所“氫能計(jì)劃”，日本新能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)新日光計(jì)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(jì)劃”等3]。目前制氫方法主要何實(shí)現(xiàn)熱量有效地供給反應(yīng)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(guó)煤化工現(xiàn)很高的熱傳遞效術(shù)條件的限制，煤制氫將是各國(guó)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?yàn)槊嘿|(zhì)與煤炭氣化,010- 842694, xidinga00@@ 163. com;李文華(1961 - ),男,博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊嘿|(zhì)與煤化工。336●現(xiàn)代化工第27卷增刊(1)圖1所示。該系統(tǒng)遵循質(zhì)量守恒定律,即任意時(shí)刻反應(yīng)物水蒸氣消耗的質(zhì)量等于產(chǎn)物的生成質(zhì)量。在系統(tǒng)分析中,堪- -反應(yīng)的了一氣體凈化-C0變換一匹提線一H,產(chǎn)品通過(guò)極小化Gibbs自由能預(yù)測(cè)反應(yīng)中反應(yīng)物的平衡組分,用蓋斯定律對(duì)物流熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。系灰渣副產(chǎn)品水蒸氣 尾氣 副產(chǎn) 品CO,統(tǒng)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(jié)點(diǎn)溫差保證傳熱的可行性。對(duì)上述系統(tǒng),取氣化爐的壓力為2 MPa,溫度為900C ,碳轉(zhuǎn)化2煤氣化制氫新技術(shù)系統(tǒng)率為85%,水蒸氣分解率為60%,通過(guò)計(jì)算知?dú)饣鲜龉に嚢l(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下,反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行效率達(dá)96.3% ,每噸煤產(chǎn)氫比現(xiàn)有工藝提高了約氣化反應(yīng)(1),變換系統(tǒng)發(fā)生co的變換反應(yīng)(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,隨著溫度的升高,由于反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng),C0和C+ 2H2→CH4 - 84.3 kJ/molH2的量都增加，而C0經(jīng)變換轉(zhuǎn)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(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)C0+ 3H2一→ CH+ H20 - 219.3 kJ/mol5)換進(jìn)行衡算,設(shè)定換熱器和每個(gè)廢熱回收器回收的參加反應(yīng)的物質(zhì)為煤和水蒸氣時(shí),反應(yīng)(1)為一熱量為物流顯熱的80%,計(jì)算得出回收的顯熱占總次反應(yīng),氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物H、CO是二次反應(yīng)劑，反應(yīng)熱量的12.9% ,轉(zhuǎn)換成煤氣熱值的能量占總能量的(2)-(4)為一次反應(yīng)劑和二次反應(yīng)劑之間的反應(yīng)，74.5%,系統(tǒng)熱效率可達(dá)87.4%。廢渣中帶走的碳式(5)是二次反應(yīng)劑之間的反應(yīng),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(yīng)系統(tǒng)由氣化爐和變換器等構(gòu)成,氣化反應(yīng)1.3% ;散熱等其他損失占3.2%。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)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(jù)供1.0R 0.9[熱方式的不同,可形成不同的系統(tǒng)。圖2所示就是其中的-一個(gè)系統(tǒng)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(bǔ)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(tǒng)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(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)熱回收換熱器,到三相3結(jié)語(yǔ)分離器,分離出氣體組分H2和Co,再經(jīng)變換器CO轉(zhuǎn)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(jí)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(zhàn)略意義。通過(guò)對(duì)新工藝的探是未反應(yīng)的煤料,送回氣化爐;分離出的液體組分是索!YH中國(guó)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(yīng)能夠發(fā)生,整好燒|C N M H G系統(tǒng)模擬和分析,該個(gè)系統(tǒng)熱量的供給是關(guān)鍵。為提高系統(tǒng)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(zhuǎn)第338頁(yè))現(xiàn)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(nèi)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(dá).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(jié)垢硬、比熱管軟,其目的在于不損傷管的內(nèi)壁面,一般根據(jù)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(nèi)徑,而且還裝有厚度5~ 12 mm的釘根據(jù)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(nèi)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(jù)焦化狀況而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的(特別是對(duì)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(cè),因此,該發(fā)射器根據(jù)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(dāng)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(tǒng)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清焦器整個(gè)鹵。8圓周表面--樣。清管器的平面和側(cè)面展開(kāi)圖如圖2命。要d中氣四MW1-清水池;2-打壓用機(jī)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(nèi)管線WWW平面展開(kāi)圖清管器圖3加熱爐清焦系統(tǒng)圖行走方向3.1清管 器的行走(1)當(dāng)加熱爐內(nèi)盤(pán)管對(duì)流段與輻射段的管徑相同時(shí),清管器就可以由對(duì)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(duì)流段與輻射段口徑不同的情況下,不同管內(nèi)受力圖及在管內(nèi)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(duì)從側(cè)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(guī)格的清管器。清焦清管器插入管內(nèi)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(jù)這個(gè)速度來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的掉。被刮掉的硫化鐵和碳,被沿著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(xì)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(guó)煤化工熱物理學(xué)報(bào)201,22(1): .參考文獻(xiàn)TYHCNMHG[1]毛宗強(qiáng).氫能:21世紀(jì)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(guó)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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