第25卷第6期江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol.25 No.62004 年11月Journal of Jiangsu University( Natural Science Edition )Nov. 2004流化床氣化爐的制氣工藝及其在制氫中的應(yīng)用王立群,王同章(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013 )摘要:提出一種間歇式循環(huán)流化床煤制氣工藝在我國(guó)氫氣生產(chǎn)上的應(yīng)用.該制氣工藝由煤的燃燒和氣化兩個(gè)階段組成即由預(yù)熱的空氣和過(guò)熱蒸汽分別進(jìn)入氣化爐內(nèi)與煤發(fā)生燃燒反應(yīng)和水煤氣化反應(yīng).試驗(yàn)表明對(duì)于不同煤種的典型水煤氣組分,H2 ,CO ,CO2 ,CH4體積分?jǐn)?shù)分別為58. 81% ~61.12% ,15.3% ~19.5% ,8.4% ~10.6% 6. 83% ~ 6.92%.該水煤氣經(jīng)過(guò)變壓吸附裝置( PSA )及其他系列裝置獲得最終的產(chǎn)品氫氣.氫氣的純度為99. 998%氫氣的產(chǎn)率為0.5 ~0.7 m/kg(煤)其成本約為0.8元/m3.日產(chǎn)氫氣10 000 m'/d規(guī)模的設(shè)備投資約為900萬(wàn)元.關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床;煤氣化;氫氣生產(chǎn)中圖分類號(hào):TQ542. 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671 -7775( 2004 )06 -0532 -04Fluidized bed gasification process and apparatus forhydrogen productionWANG Li-qun , WANG Tong- zhang( School of Energy and Power Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang ,Jiangsu 212013 , China )Abstract : A circulating fluidized bed powdered coal gasification process and apparatus for hydrogen pro-duction is developed. The gasification process consists of coal combustion and vaporization stages. Pre-heated air and superheated steam are introduced into the gasifier for coal combustion and for vapor-charreaction , respectively. Experiments show that typical compositions of the water gas are ( vol% ): H258.81 ~61.12 ,CO 15.3~19.5 ,CO, 8.4~10.6 ,and CH4 6. 83 ~ 6.92 for different coal types. Thewater gas passes through a pressured swing adsorption( PSA ) unit and purify unit etc. and the final pro-duct gas H2 is obtained. The purity of the H2 is about 99. 998%. The H2 yield is0.5 to0.7 m'/kg .( coal )and its prime cost is about 0.8 yuan/m( H2 ). The investment for a system to produce 10 000 m3( H2 )d is about 9 million yuan in China. .Key words : circulating fluidized bed ; coal gasification ; hydrogen production氫能將成為21世紀(jì)最重要的一種潔凈能源,它中化石燃料占77. 8% ,在化石能源結(jié)構(gòu)中煤炭占不僅是最潔凈的燃料,而且也是非常重要的化工原94. 3%而且煤炭資源種類多分布區(qū)域廣泛,根據(jù)料.特別是燃料電池動(dòng)力源的工業(yè)應(yīng)用如燃料電池我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，更應(yīng)重視發(fā)展煤制氫技術(shù).目前,車、燃料電池家用發(fā)電裝置、燃?xì)渎?lián)合循環(huán)等加速我國(guó)通過(guò)煤氣化生產(chǎn)氫氣主要用作化工原料(如合了氫能技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用.預(yù)計(jì)本世紀(jì)中葉氫能將與.成中國(guó)煤化工品或燃料的氫氣量較電能并重而成為主要終端能源為此,許多國(guó)家都制少.YHCNMHG合成氨約消耗氫氣量定了相應(yīng)的氫能開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃.在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)500萬(wàn)噸、甲醇生產(chǎn)約消耗氫量20萬(wàn)噸，這些氫氣量收稿日期:2004 -03-10基金項(xiàng)目:科技部重點(diǎn)推廣項(xiàng)目( 2002E000198 )作者簡(jiǎn)介:王立群( 1964- )男河南開(kāi)封人高級(jí)工程師thwlq@ ujs. edu. cn )主要從事煤制氣技術(shù)研究.第6期王立群等:流化床氣化爐的制氣工藝及其在制氫中的應(yīng)用533有65%來(lái)自于煤制氫所用的煤氣化技術(shù)主要是固式1)(2)水煤氣反應(yīng)是吸熱反應(yīng)為了維持定床水煤氣爐這種氣化爐技術(shù)比較落后僅能使用一定的反應(yīng)溫 度提供水蒸氣分解所需的熱量需要無(wú)煙塊煤生產(chǎn)過(guò)程中的污染物焦油、酚水難以處向制氣過(guò)程提供熱量.工業(yè)上常采用兩種方法:一是.理嚴(yán)重制約了我國(guó)煤氣化制氫的進(jìn)程.目前我國(guó)有以氧和水蒸氣為氣化劑的連續(xù)氣化法流化床氣化4000多臺(tái)固定床水煤氣爐在運(yùn)行這些氣化設(shè)備急爐、汽流床氣化爐均采用這種方法二是以空氣和水，需更新.近幾年我國(guó)又引進(jìn)了先進(jìn)的Texaco ,Lurgi蒸氣為氣化劑的間歇?dú)饣?中國(guó)的固定床水煤氣及U-Gas等煤氣化技術(shù),由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的原爐大都采用這種方法.該法不需制氧設(shè)備、投資及運(yùn).因并未得到廣泛應(yīng)用.1990年中國(guó)自主開(kāi)發(fā)成功行費(fèi)用比較低,但是由于在供熱過(guò)程中帶入大量氮一種間歇式循環(huán)流化床氣化爐.它已用于中小城市氣，為排除氮?dú)獗仨毷怪茪膺^(guò)程和吹風(fēng)燃燒過(guò)程分民用煤氣并獲得良好的效果.目前此技術(shù)正向制氫開(kāi)進(jìn)行這兩個(gè)過(guò)程構(gòu)成了水煤氣間歇?dú)饣ǖ幕矫姘l(fā)展將生產(chǎn)民用煤氣和制氫兩者結(jié)合起來(lái).由本組成.將這-原理用于流化床氣化爐上，作者已研富氫煤氣燃料逐漸向氫燃料過(guò)渡，這是一種適合 中制成功了間歇式循環(huán)流化床氣化爐,該爐以空氣和國(guó)氫能發(fā)展的技術(shù)路線具有廣闊的市場(chǎng)前景.水蒸氣為氣化劑使用0~ 10 mm煤屑生產(chǎn)水煤氣.間歇式循環(huán)流化床氣化爐的工藝流程由流化床氣化1氣化爐工藝過(guò)程及其特點(diǎn)爐、飛灰再循環(huán)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煤氣凈化系統(tǒng)、煤制氫的核心是煤氣化技術(shù)其原理是使煤中煙氣凈化系統(tǒng)及兩組換向閥組成(見(jiàn)圖1 )其中流炭在高溫下與水蒸氣反應(yīng)生產(chǎn)水煤氣其反應(yīng)為:化床氣化爐由氣化爐本體、螺旋給煤機(jī)、排灰裝置組C+H20(氣)=C0+H,-118 821 kJ(1 )成,飛灰再循環(huán)系統(tǒng)由旋風(fēng)分離器、返料器組成，余C +2H2O(氣)=CO2 +2H2 -76841 kJ(2)熱回收系統(tǒng)由余熱鍋爐和空氣預(yù)熱器組成.煤氣換向閥(緩沖氣包)余熱鍋爐洗氣塔平衡氣柜旋風(fēng)分離器&煙氣換向閥螺旋給煤機(jī)爐子本體返料器文燕汽換向閥空氣預(yù)熱器.羅茨風(fēng)機(jī)空氣換向閥B排灰裝置除塵器圖1間歇式循環(huán)流化床 氣化爐的工藝流程Fig. 1 Process flow of an intermittent circulating fluidized bed gasification stove從煤倉(cāng)中將粒度為0~ 10 mm的原料煤經(jīng)螺囪排到大氣中當(dāng)床層溫度上升到1 000C時(shí)停止旋給煤機(jī)加入氣化爐內(nèi)加煤量和加煤時(shí)間可任意供風(fēng)空氣換向閥和煙氣換向閥依次關(guān)閉.蒸汽換向調(diào)節(jié)空氣和水蒸氣交替供應(yīng)通過(guò)液壓控制的空閥和煤氣換向閥相繼開(kāi)啟,氣化爐處于供蒸汽流化氣、蒸汽換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn).在供空氣流化燃燒階段,羅氣化階段余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)緩沖氣包及蒸汽茨風(fēng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)行空氣換向閥和煙氣換向閥開(kāi)啟蒸換向閥再由風(fēng)室進(jìn)入氣化爐內(nèi)使高溫料層在流化汽換向閥和煤氣換向閥關(guān)閉空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器被狀態(tài)下進(jìn)行水煤氣反應(yīng)床層溫度開(kāi)始下降這時(shí)產(chǎn)加熱到200 C ,由風(fēng)室進(jìn)入氣化爐內(nèi)使料層在流化生的中國(guó)煤化工后分離下的含碳粉塵狀態(tài)下燃燒,床層溫度迅速上升產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)經(jīng)返HCNMHG,初除塵的煤氣經(jīng)余熱入旋風(fēng)分離器分離下的含碳粉塵經(jīng)返料器返回爐鍋爐、煤氣換向閥進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng),凈化后的煤內(nèi)重新燃燒進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣溫度降到300C，氣進(jìn)入氣柜然后送往用戶.當(dāng)床層溫度下降至900由煙氣換向閥進(jìn)入空氣預(yù)熱器與空氣換熱后煙氣9C時(shí)停止供水蒸氣,氣化階段結(jié)束.換向閥又轉(zhuǎn)向溫度降到200C以下然后經(jīng)除塵器除塵后通過(guò)煙到供空氣的位置氣化爐又進(jìn)入空氣流化燃燒階段,534江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第25卷這樣兩個(gè)階段交替往復(fù)生產(chǎn)水煤氣.表2間歇式流化床氣化爐與加壓魯奇氣化爐的性能比較因整個(gè)過(guò)程都是在流化狀態(tài)下進(jìn)行混合均勻,Tab.2 Performance comparison of intermittent fluidizedbed gasification stove and Lurgi gasification stove反應(yīng)迅速床層溫度也非常均勻所有操作都在電腦加壓魯奇氣化爐間歇式流化床 氣化爐控制下自動(dòng)完成.由于燃燒和氣化是同方向進(jìn)行的,煤種次煙煤空氣和煤氣沒(méi)有混合的可能,設(shè)備運(yùn)行安全可靠.u(灰分)/%36.623.67利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的FM - 16型間歇式循環(huán)流化u(水分)%5.48.24.券u(揮發(fā)分)%19.914. 53床氣化爐主要技術(shù)參數(shù)如下.析u(固定碳)/%38. 353. 94爐膛直徑1 600 mm爐膛截面積2.00 m2 ,原料u(硫)%0.70. 32煤種為次煙煤、貧煤、褐煤粒度0~10 mm煤氣產(chǎn)粘結(jié)性非粘結(jié)性強(qiáng)粘結(jié)性4(H2 )V% .39.0 .59. 5量1 200~1 900 m'/h煤耗量1.0~1.6 t/h蒸汽煤4( CO)% .20.019.5.產(chǎn)量2.0~3.0 t/h蒸汽耗量1.5~2.0 t/h煤氣出4( CO2 )%30. 08.4口壓力5.0kPa爐體尺寸φ2774mmx10400mm,組4(CH,)%10.06.9分4( CmHm )%爐體重量56 t.4( H2/CO )V%≈2=3該爐投入運(yùn)行后,已試燒了次煙煤、貧煤、褐煤、從表2比較可以看出,間歇式循環(huán)流化床氣化無(wú)煙煤等煤種,取得了很好的運(yùn)行結(jié)果,表1為貧爐具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):煤、瘦焦煤和次煙煤的試燒結(jié)果.( 1 )由于不用制氧設(shè)備投資省、運(yùn)行成本低.表1典型煤種的運(yùn)行記錄Tab.1 Operation record of the typical coal(2)煤種適應(yīng)性廣,特別適用于年輕煤種如次貧煤瘦焦煤煙煤、褐煤等,可使用粉煤原料來(lái)源豐富.u(金水分)%8. 117. 863.37( 3 )煤氣組分中氫的體積分?jǐn)?shù)在50%以上,便u(內(nèi)水分)%0. 800. 420.77于由富氫煤氣燃料向氫燃料過(guò)渡;亞u(固定碳)%65.3753.9456. 42(4)該技術(shù)特別適用中小規(guī)模生產(chǎn).目前已用u( 揮發(fā)分)%13. 66.18. 62u(灰分)V%12. 8621. 24于供應(yīng)20萬(wàn)人口城市的煤氣對(duì)于今后分散型的氫u(硫)% .0.320. 300. 35能經(jīng)濟(jì)具有特殊的意義.煤的發(fā)熱量( kJ/kg) 25 10323 26823 040焦渣特性64羅加指數(shù)不粘結(jié)7:弱粘結(jié).2氣化爐變壓吸附制氫工藝流程灰DT/1 470>1 400>1 200管ST/C1 500目前間歇式循環(huán)流化床氣化爐已用于生產(chǎn)合成FT/C1 560操作溫度C850~1000 850~1000 850~1 000氨的原料氣一氫氣. 其煤氣的生產(chǎn)工藝與圖1的4( CO2 )V%10. 608.409.40流程圖相同.用水煤氣制氫采用變壓吸附工藝變壓基φ( C0)%15. 3019. 5019. 40吸附( Pressure Swing Adsorption )簡(jiǎn)稱PSA.它是利組4(H2 )%61.1259. 5058. 81用固體附劑對(duì)多組分氣體選擇性吸附及吸附容量隨4 CH.)%6. 836. 906. 924(O2 )V%0.300. 100. 14壓力變化而改變的特性來(lái)達(dá)到分離氫氣的一-種工4( N2)%5.705.63藝整個(gè)生產(chǎn)工藝如圖2所示它由6個(gè)系統(tǒng)組成.d H2S )( mg/m3 )120煤氣熱值( kJ/m3 )11 02111 45311 227水蝶工[媛沖加國(guó)一預(yù)處理-PSA系統(tǒng)一一凈化系統(tǒng)氣化效率/%58解吸氣輸,入煤氣管網(wǎng)解吸氣熱效率/%75. 07多種煤試燒結(jié)果表明,間歇式流化床氣化爐無(wú)氫氣{調(diào)壓系統(tǒng)}-[儲(chǔ)存系統(tǒng)管道輸送至用戶論對(duì)于弱粘結(jié)煤或強(qiáng)粘結(jié)性煤都能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)中國(guó)煤化工行這主要是煤粒在850 C以上在空氣和水蒸氣的MHCNMH(3制氫工藝流程'sf water gaspressure交替作用下燃燒與氣化粘結(jié)性煤的膠質(zhì)層迅速被.swing adsorption for hydrogen破壞使得強(qiáng)粘結(jié)性煤也能穩(wěn)定運(yùn)行.從煤氣組分中可以看出煤氣中H2體積分?jǐn)?shù)明顯提高(見(jiàn)表2)非(1)緩沖加壓系統(tǒng).常有利于H,的制取.將水煤氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓到PSA所需壓力.壓縮第6期王立群等:流化床氣化爐的制氣工藝及其在制氫中的應(yīng)用535機(jī)的排汽量為1200 m'/h考慮到流程中的阻力壓化工原料氣方面開(kāi)始應(yīng)用.特別是在生產(chǎn)民用煤氣縮機(jī)的排汽壓力為1. 8 MPa.方面已成功運(yùn)行多年現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)成功單臺(tái)產(chǎn)氣量(2)預(yù)處理系統(tǒng)7 000 m'/h的氣化爐用于化工原料氣的生產(chǎn).我國(guó)該系統(tǒng)由-臺(tái)除油機(jī)、兩臺(tái)預(yù)處理器及相應(yīng)的是發(fā)展中國(guó)家適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的應(yīng)為投資省、運(yùn)行成加熱冷卻設(shè)備組成.主要除去水煤氣經(jīng)壓縮機(jī)后所本低的適用技術(shù)特別是我國(guó)廣大中小城市和地區(qū)攜帶的機(jī)油以及水煤氣中能使PSA吸附劑中毒的的燃料仍以燃煤為主,在這些地區(qū)的中小型化肥廠有害組分如焦油、苯、重?zé)N等.除油器中及預(yù)處理器的氣源都使用傳統(tǒng)的固定床氣化爐需要更新.使用內(nèi)裝填的吸附劑為焦炭和活性碳再生采用PSA的該技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與提升燃料供應(yīng)模式相結(jié)合,解吸氣再生后的解吸氣經(jīng)冷卻后輸入煤氣管網(wǎng).以中小城市為中心建立區(qū)域性的能源供應(yīng)中心逐(3)PSA系統(tǒng)步向氫能網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)過(guò)渡是-條適合發(fā)展中國(guó)家需該系統(tǒng)是整個(gè)工藝的核心部分.主要由4個(gè)求的經(jīng)濟(jì)方便、安全可靠的技術(shù)路線.PSA塔、1個(gè)氫氣緩沖罐和- -系列程控閥組成.吸附參考文獻(xiàn)References )壓力為1. 6 MPa循環(huán)時(shí)間10 ~ 20 min.凈化后的水煤氣主要成分是H2其余為CO2、O2、CO、CH4、N2.[1]朱起明.中國(guó)氫氣的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀與前影[A]利用汽體混合物組分的沸點(diǎn)不同,即 易揮發(fā)的不易見(jiàn):全國(guó)清潔能源技術(shù)研討會(huì)暨成果展示會(huì)文集被吸附不易揮發(fā)的易被吸附的性質(zhì)將凈化后的水. [ C]北京煤炭工業(yè)出版社1999.煤氣通過(guò)吸附劑床層,H2 和少量02以外的其余組[2]王立群王同章王旭冰王躍琪王明德.流化床水煤氣爐運(yùn)行分析[J]潔凈煤技術(shù),1999 5(2 ):42 -分均被吸附劑選擇性地吸附而沸點(diǎn)低的H2基本4:上不被吸附,以99. 5%以上的純度離開(kāi)吸附器，從WANG Li-qun , WANG Tong-zhang , WANG Xu-bing ,而使氫和雜質(zhì)分離.WANG Yue-qi , W ANG Ming-de. Analysis of the fluidi-( 4 )凈化系統(tǒng)zed bed gasified operation resul[ J ] Clean Coal Tech-該系統(tǒng)主要由脫氧器、干燥器及加熱、冷卻設(shè)備nology ,1999 5(2):42 -45. ( in Chinese )組成.除去氫氣中尚殘留的微量氧使氫氣中的氧氣[3] .王巖.焦?fàn)t煤氣變壓吸附制氫工業(yè)的應(yīng)用[ J]鞍體積分?jǐn)?shù)降至0. 000 2%以下然后經(jīng)干燥脫濕氬鋼技術(shù)2000(2):42 -45.氣純度達(dá)99. 998%以上露點(diǎn)低于-65 C.WANG Yan. Application of variable-pressure absorption(5)儲(chǔ)存系統(tǒng)hydrogen gentration on coke gas[ J ]. Technology of An-shan lron and Steel Plant 2000( 2 ):42 -45.( in Chi-該系統(tǒng)由2 000 m3球罐組成,以儲(chǔ)存多余產(chǎn)品nese )氫氣平衡管網(wǎng)輸配,事故狀態(tài)下可提供1 600 m3[ 4 ] Ragmond L V , Gerland P M. 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