煤气化制氢新技术的探讨

第27卷增刊(1)现代化工June 20072007年6月Moderm Chermical Industry●335●煤气化制氢新技术的探讨谢继东,李文华,陈亚飞(煤炭科学研究总院北京煤化工分院,北京100013)摘要:简单介绍了煤气化制氢的2种方法,详细分析了靠外部提供反应所需热量来实现煤气化制氢的新技术。构造了煤制氢新工艺系统,对新工艺进行了系统模拟和分析,系统中气化炉的气化效率达到96.3% ,热效率可达87.4%。煤产氢比现有工艺提高了约25%。关键词:氢能;气化;煤炭中圈分类号:TK91;TQ171625.2文献标识码:A文章编号: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煤炭是一种特殊的化石燃料,也是我国分布最热点问题[4]。广、较为丰富的一-种能源，由于石油和天然气资源量1煤气化制氢简介的不足,预计在较长的时间内，我国以煤为主的能源结构不会改变。因而,由燃煤引起的环境问题比其煤气化制氢过程目前主要有2种方法。一种是他国家都要严重,解决问题的难度也将更大。煤炭燃烧一部分煤放出热量,供给反应体系来实现煤的的开发和加工利用是我国环境需要面对的主要问题气化反应[5]。目前的大多数气化方式都是采用这种之一。因此,发展低消耗、高转化率,总体排放低或方法。这种气化方法虽然有很多优点，也有许多不排放几乎为零的煤炭利用系统在我国有更加重要的足之处。由于要燃烧掉一部分煤 ,这部分煤约占总意义1。这就要求我们找到一种新的煤炭利用方煤量的1/4,从而降低了煤的转化率;同时还要通人式,用以替代传统化石能源的直接利用,或者能够洁大量的氧气,不但使工艺变得复杂,而且产生了大量净利用现在的化石能源,不再污染环境[2]。CO2气体,增大了气体处理量。另- -种是靠外部间氢能是一-种洁净的二次能源,它的来源广泛,在接提供反应所需热量,来实现煤的气化反应。该方进行能量转换时其产物是水,可真正实现污染物的法不需要氧气参与,只有水蒸气和煤反应,产生Co零排放,在未来可持续能源系统中,将成为主要的载和O2,之后CO通过水煤气变换反应转化成氢气和能体,成为主要的终端能源。氢能已经引起各国政CO2。该气化方法由于不需要燃烧掉一部分煤来供府和科学家们的高度重视，许多国家围绕着制氢、储热,所以提高了煤炭的转化率;过程不需要氧气,使氢、用氢制定了相应的开发计划。如美国能源部的复杂的工艺得以简化;产生的CO2量也有所减少,所“氢能计划”，日本新能源开发机构新日光计划中的以会提高氢气单位时间的产量。该工艺的关键是如“氢能世界能源网络计划”等3]。目前制氢方法主要何实现热量有效地供给反应体系中的煤料和水蒸是化石燃料制氢和水电解制氢,由于受资源量和技中国煤化工现很高的热传递效术条件的限制，煤制氢将是各国研究者近期探讨的业化。工艺流程如:MYHCNMHG收稿日期:2006-11-10作者简介:谢继东(1971- ),男,博士生,研究方向为煤质与煤炭气化,010- 842694, xidinga00@@ 163. com;李文华(1961 - ),男,博士生导师，研究方向为煤质与煤化工。336●现代化工第27卷增刊(1)图1所示。该系统遵循质量守恒定律,即任意时刻反应物水蒸气消耗的质量等于产物的生成质量。在系统分析中,堪- -反应的了一气体净化-C0变换一匹提线一H,产品通过极小化Gibbs自由能预测反应中反应物的平衡组分,用盖斯定律对物流热力学性质进行评价。系灰渣副产品水蒸气 尾气 副产 品CO,统中采用换热器和废热回收器进行热回收和热交图1 间接供热煤制氢工艺流程图换,以最小节点温差保证传热的可行性。对上述系统,取气化炉的压力为2 MPa,温度为900C ,碳转化2煤气化制氢新技术系统率为85%,水蒸气分解率为60%,通过计算知气化上述工艺发生的化学反应如下,反应炉内进行效率达96.3% ,每吨煤产氢比现有工艺提高了约气化反应(1),变换系统发生co的变换反应(3)。25%。氢产率与温度压力的关系如图3和图4所C+ H20- + H + C0+ 135.0 kJ/mol(1)示,随着温度的升高,由于反应是强吸热反应,C0和C+ 2H2→CH4 - 84.3 kJ/molH2的量都增加，而C0经变换转换成CO2和H,所C0+ H0一→H2+ CO2 - 38.4 kJ/mol以氢气的产率也增加。随着压力的增加, CH,和C+ CO2一+ 2CO + 173.3 kJ/mol4)CO2的量增加，氢气的产率降低。对系统的能量转C0+ 3H2一→ CH+ H20 - 219.3 kJ/mol5)换进行衡算,设定换热器和每个废热回收器回收的参加反应的物质为煤和水蒸气时,反应(1)为一热量为物流显热的80%,计算得出回收的显热占总次反应,气态反应产物H、CO是二次反应剂，反应热量的12.9% ,转换成煤气热值的能量占总能量的(2)-(4)为一次反应剂和二次反应剂之间的反应，74.5%,系统热效率可达87.4%。废渣中带走的碳式(5)是二次反应剂之间的反应,生成三次产物。是主要的能量损耗,占8.1%;煤气带出物损失占反应系统由气化炉和变换器等构成,气化反应1.3% ;散热等其他损失占3.2%。通过对系统的模的外供热方式有多种方式,可以直接供给气化炉炉拟分析,说明该工艺可行,可做更加深人的研究。体,也可以将热量由气化剂或其他载体带人,根据供1.0R 0.9[热方式的不同,可形成不同的系统。图2所示就是其中的-一个系统案例。高温燃料气低温燃料气气体5H和CO,<⑥> -H,800 850 900 950 1000 1050 1100热量热废气温度/C工下水蒸气水蒸气固体图3氢产率与温度的关系0.8C冷废渣冷废气建0.6废热并0.4补0.2-1-气化炉;2- -热回收换热器;3- -废热锅炉;4-三相分离器;5- -变换器;6-变压吸附装置;7 -废热回收器;8- -废热回收器0.2 0.4 0.6 0.81.01.21.41.61.82.0压力/MPa图2煤制氢系统案例图4氢产率和压力的关系煤料和水蒸气在外供热量的条件下,在气化炉内发生气化反应,反应产物经热回收换热器,到三相3结语分离器,分离出气体组分H2和Co,再经变换器CO转换成H2和CO2,然后H2经提纯分离出CO2,得到煤制氢是发展氢能初级阶段解决氢源问题的主纯净的H。经三相分离器分离出的固体组分主要要途径.具有重要的战略意义。通过对新工艺的探是未反应的煤料,送回气化炉;分离出的液体组分是索!YH中国煤化工处，合理有效地利用.水,再用于制水蒸气。要保证气化反应能够发生,整好烧|C N M H G系统模拟和分析,该个系统热量的供给是关键。为提高系统的热效率，工艺可望提高煤制氢的效率,提高煤炭的产氢量。有多处废热回收器,可将过程产生的热回收再利用。(下转第338页)现代化工第27卷增刊(1)管器本体是合成树脂,制造时要比管子的内径稍大清管器由压力流体推动前进。此外,清管器的行走一些，由于它具有很好的弹性,且收缩率较大(可达.速度比刮掉下的碳垢下落速度快5~7倍,所以,除15% ~ 65%),它能够很容易地通过弯管、T形管、∪下来的积碳不会堵塞管道。形管及短直径弯管等。钉头的形状有方形、半圆头3清焦的步骤说明锉刀形等,使用的材质比结垢硬、比热管软,其目的在于不损伤管的内壁面,一般根据加热管的材质来"Elastic Cleaning Pig” 清焦技术如前所述，其本选择清焦的钉头。体大于炉管的内径,而且还装有厚度5~ 12 mm的钉根据不同的场合和清洗阶段,需要不同的弹性头,所以插人管内时必须使用发射器。由于清管器清管器来进行清焦。带有钉头的弹性清管器如图1是根据焦化状况而进行往复运动的(特别是对局部所示。热点部位),所以,清管器要安放在发射管的进入口两侧,因此,该发射器根据清管器的行走方向,既可做发射器,又可做回收器。发射器和回收器是使清管器行走时所需要的压力液体的注人口和排出口,当然,要想知道清管器的位置,就必须安装压力表。加热炉清焦系统如图3所示。8410三图1带有钉头的弹性清管器从表面看,钉头的安装像层层塞满清焦器整个卤。8圆周表面--样。清管器的平面和侧面展开图如图2命。要d中气四MW1-清水池;2-打压用机械泵;3-发射器;4- 压力记录仪;...........p 0o◎◎0◎动压力5- -热煤炉;6- -过滤网;7- 排水槽;8- 排水泵;9-含油池;10-热煤炉内管线WWW平面展开图清管器图3加热炉清焦系统图行走方向3.1清管 器的行走(1)当加热炉内盘管对流段与辐射段的管径相同时,清管器就可以由对流段往辐射段-一次行走。图2弹性清管器的平面 展开图、(2)在对流段与辐射段口径不同的情况下,不同管内受力图及在管内行走示意图口径的管子接口伸出炉外时,最好的施工方法是对从侧表面来看,钉头安装像锯齿形排列。在把流段和辐射段分别使用不同规格的清管器。清焦清管器插入管内时,钉头呈环状,借助清管器本3.2清管器的行走压力与行走速度体合成树脂材料的反弹压力与管壁均匀接触,利用清管器必须以所除掉碳垢自由下落速度7倍以这个弹性力把黏附于管壁上的碳或硫化铁物质刮上的速度进行行走,根据这个速度来计算出相应的掉。被刮掉的硫化铁和碳,被沿着清管器圆周分布行走压力(Op)。求出清管器动力源所需的压力和的钉头磨成细粉末,最终从钉头间隙中泄漏出去。流量,再往该Op上加人清管器本体的推动压力(上接第336页)[3中国煤化工热物理学报201,22(1): .参考文献TYHCNMHG[1]毛宗强.氢能:21世纪的绿色能源[ M].北京:化学工业出版社，[4]徐振剛，吴春来.煤气化制氢技术[J].低温与特气,2000, 18(6): .2005.28-31.[2]刘淑敏,国文学,范莉娟,等.零排放煤基发电及其技术发展[J].[5]郭树才.煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社, 1929. I 1