PDF《流化床气化炉的制气工艺及其在制氢中的应用》

第25 卷第

6 期2004 年11 月江苏大学学报(自然科学版) Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition) Vol.

25 No.

6 Nov.

2004 流化床气化炉的制气工艺及其在制氢中的应用 王立群 , 王同章 (江苏大学能源与动力工程学院 ,江苏 镇江 212013) 摘要 : 提出一种间歇式循环流化床煤制气工艺在我国氢气生产上的应用. 该制气工艺由煤的燃烧 和气化两个阶段组成 ,即由预热的空气和过热蒸汽分别进入气化炉内 ,与煤发生燃烧反应和水煤气 化反应. 试验表明 ,对于不同煤种的典型水煤气组分 ,H2 ,CO ,CO2 ,CH4 体积分数分别为

58181 %~ 61.

12 % ,

1513 %~1915 % ,

814 %~1016 % ,6183 %~6192 %. 该水煤气经过变压吸附装置 (PSA) 及 其他系列装置获得最终的产品氢气. 氢气的纯度为

991998 % ,氢气的产率为 015~017 m3 / kg (煤) , 其成本约为

018 元/ m3 . 日产氢气

10 000 m3 / d 规模的设备投资约为

900 万元. 关键词 : 循环流化床 ;

煤气化 ;

氢气生产 中图分类号 : TQ542.

4 文献标识码 : A 文章编号 :

1671 - 7775(2004)

06 -

0532 -

04 Fluidized bed gasification process and apparatus for hydrogen production WANG Li2qun , WANG Tong2zhang (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 production is developed. The gasification process consists of coal combustion and vaporization stages. Preheated air and superheated steam are introduced into the gasifier for coal combustion and for vapor2char reaction , respective2 ly. Experiments show that typical compositions of the water gas are (vol %) : H2 58181~61112 , CO 1513~

1915 , CO2 814~1016 , and CH4 6183~6192 for different coal types. The water gas passes through a pres2 sured swing adsorption (PSA) unit and purify unit etc. and the final pro2duct gas H2 is obtained. The purity of the H2 is about

991998 %. The H2 yield is

015 to

017 m3 / kg(coal) and its prime cost is about

018 yuan/ m3 (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 氢能将成为

21 世纪最重要的一种洁净能源 ,它 不仅是最洁净的燃料 ,而且也是非常重要的化工原 料. 特别是燃料电池动力源的工业应用 ,如燃料电池 车、 燃料电池家用发电装置、 燃氢联合循环等 ,加速 了氢能技术的开发应用. 预计本世纪中叶氢能将与 电能并重而成为主要终端能源 ,为此 ,许多国家都制 定了相应的氢能开发研究计划. 在我国的能源结构 中 ,化石燃料占

7718 % ,在化石能源结构中煤炭占

9413 % ,而且煤炭资源种类多 ,分布区域广泛 ,根据 我国的能源结构 ,更应重视发展煤制氢技术. 目前 , 我国通过煤气化生产氢气主要用作化工原料 (如合 成氨、 甲醇) ,而直接作为产品或燃料的氢气量较少. 根据

1995 年的资料 , 生产合成氨约消耗氢气量 500万吨 、 甲醇生产约消耗氢量20万吨 ,这些氢气量 收稿日期 :

2004 -

03 -

10 基金项目 : 科技部重点推广项目(2002EC000198) 作者简介 : 王立群(1964 - ) ,男 ,河南开封人 ,高级工程师(thwlq @ujs. edu. cn) ,主要从事煤制气技术研究. 有65 %来自于煤制氢 ,所用的煤气化技术主要是固 定床水煤气炉 ,这种气化炉技术比较落后 ,仅能使用 无烟块煤 ,生产过程中的污染物焦油、 酚水难以处 理 ,严重制约了我国煤气化制氢的进程. 目前我国有

4 000 多台固定床水煤气炉在运行 ,这些气化设备急 需更新. 近几年我国又引进了先进的 Texaco ,Lurgi 及U2Gas 等煤气化技术 ,由于技术、 经济等方面的原 因 ,并未得到广泛应用.

1990 年中国自主开发成功 一种间歇式循环流化床气化炉. 它已用于中小城市 民用煤气 ,并获得良好的效果. 目前此技术正向制氢 方面发展 ,将生产民用煤气和制氢两者结合起来. 由 富氢煤气燃料逐渐向氢燃料过渡 ,这是一种适合中 国氢能发展的技术路线 ,具有广阔的市场前景.

1 气化炉工艺过程及其特点 煤制氢的核心是煤气化技术 ,其原理是使煤中 炭在高温下与水蒸气反应生产水煤气 ,其反应为 : C + H2O(气) = CO + H2 -

118 821 kJ (

1 ) C + 2H2O(气) = CO2 + 2H2 -

76 841 kJ (

2 ) 式(1) 、 (2) 水煤气反应是吸热反应 ,为了维持一 定的反应温度 ,提供水蒸气分解所需的热量 ,需要向 制气过程提供热量. 工业上常采用两种方法 :一是以 氧和水蒸气为气化剂的连续气化法 ,流化床气化炉、 汽流床气化炉均采用这种方法 ;

二是以空气和水蒸 气为气化剂的间歇气化法 ,中国的固定床水煤气炉 大都采用这种方法. 该法不需制氧设备、 投资及运行 费用比较低 ,但是由于在供热过程中 ,带入大量氮 气 ,为排除氮气 ,必须使制气过程和吹风燃烧过程分 开进行 ,这两个过程构成了水煤气间歇气化法的基 本组成. 将这一原理用于流化床气化炉上 ,作者已研 制成功了间歇式循环流化床气化炉 ,该炉以空气和 水蒸气为气化剂 ,使用 0~10 mm 煤屑生产水煤气. 间歇式循环流化床气化炉的工艺流程由流化床气化 炉、 飞灰再循环系统、 余热回收系统、 煤气净化系统、 烟气净化系统及两组换向阀组成 (见图 1) ,其中流 化床气化炉由气化炉本体、 螺旋给煤机、 排灰装置组 成 ,飞灰再循环系统由旋风分离器、 返料器组成 ,余 热回收系统由余热锅炉和空气预热器组成. 图1间歇式循环流化床气化炉的工艺流程 Fig.

1 Process flow of an intermittent circulating fluidized bed gasification stove 从煤仓中将粒度为 0~10 mm 的原料煤 ,经螺旋 给煤机加入气化炉内 ,加煤量和加煤时间可任意调 节 ,空气和水蒸气交替供应 ,通过液压控制的空气、 蒸汽换向阀来实现. 在供空气流化燃烧阶段 ,罗茨风 机起动运行 ,空气换向阀和烟气换向阀开启 ,蒸汽换 向阀和煤气换向阀关闭 ,空气经空气预热器被加热 到200 ℃,由风室进入气化炉内 ,使料层在流化状态 下燃烧 ,床层温度迅速上升 ,产生的高温烟气进入旋 风分离器 ,分离下的含碳粉尘经返料器返回炉内重 新燃烧. 进入余热锅炉的烟气温度降到

300 ℃,由烟 气换向阀进入空气预热器与空气换热后 ,烟气温度 降到

200 ℃ 以下 ,然后经除尘器除尘后通过烟囱排 到大气中 ,当床层温度上升到

1 000 ℃ 时 ,停止供风 , 空气换向阀和烟气换向阀依次关闭. 蒸汽换向阀和 煤气换向阀相继开启 ,气化炉处于供蒸汽流化气化 阶段 ,余热锅炉产生的蒸汽经缓冲气包及蒸汽换向 阀 ,再由风室进入气化炉内 ,使高温料层在流化状态 下进行水煤气反应 ,床层温度开始下降 ,这时产生的 粗水煤气经旋风分离器后 ,分离下的含碳粉尘经返 料器返回炉内重新气化 ,初除尘的煤气经余热锅炉、 煤气换向阀 ,进入煤气净化系统 ,净化后的煤气进入 气柜 ,然后送往用户. 当床层温度下降至

900 ℃ 时,停止供水蒸气 ,气化阶段结束. 换向阀又转向到供空 气的位置 ,气化炉又进入空气流化燃烧阶段 ,这样两

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5 第6期王立群等 : 流化床气化炉的制气工艺及其在制氢中的应用 个阶段交替往复生产水煤气. 因整个过程都是在流化状态下进行 ,混合均匀 , 反应迅速 ,床层温度也非常均匀 ,所有操作都在电脑 控制下自动完成. 由于燃烧和气化是同方向进行的 , 空气和煤气没有混合的可能 ,设备运行安全可靠. 利用该技术开发的 FM -

16 型间歇式循环流化 床气化炉主要技术参数如下. 炉膛直径

1 600 mm ,炉膛截面积

2100 m2 ,原料 煤种为次烟煤、 贫煤、 褐煤 ,粒度 0~10 mm ,煤气产 量1200~1

900 m3 / h ,煤耗量110~116 t/ h ,蒸汽产 量210~310 t/ h ,蒸汽耗量 115~210 t/ h ,煤气出口 压力

510 kPa ,炉体尺寸

1 400 >

1 200 ST/ ℃

1 500 >

1 400 >

1 200 FT/ ℃

1 560 >

1 400 >

1 200 操作温度 ℃ 850~1

000 850~1

000 850~1

000 煤气组分体积分数φ(CO2) / %

10160 8140

9140 φ / (CO) / %

15130 19150

19140 φ(H2) / %

61112 59150

58181 φ(CH4) / %

6183 6190

6192 φ(O2) / %

0130 0110

0114 φ(N2) / %

5170 5163 ρ(H2S) / (mg/ m3 )

120 120

120 煤气热值/ (kJ/ m3 )

11 021

11 453

11 227 气化效率/ %

58 热效率/ %

75107 多种煤试烧结果表明 ,间歇式流化床气化炉无 论对于弱粘结煤或强粘结性煤都能保持长期稳定运 行 ,这主要是煤粒在

850 ℃ 以上 ,在空气和水蒸气的 交替作用下燃烧与气化 ,粘结性煤的胶质层迅速被 破坏 ,使得强粘结性煤也能稳定运行. 从煤气组分中 可以看出煤气中 H2 体积分数明显提高 (见表 2) ,非 常有利于 H2 的制取. 表2间歇式流化床气化炉与加压鲁奇气化炉的性能比较 Tab.

2 Performance comparison of intermittent fluidized bed gasification stove and Lurgi gasification stove 加压鲁奇气化炉 间歇式流化床气化炉 煤种 烟煤 次烟煤 工业分析w(灰分) / %

3616 23167 w (水分) / %

514 8124 w (挥发分) / %

1919 14153 w (固定碳) / %

3813 53194 w (硫) / %

017 0132 粘结性 非粘结性 强粘结性 煤气组分φ(H2) / %

3910 5915 φ(CO) / %

2010 1915 φ(CO2) / %

3010 814 φ(CH4) / %

1010 619 φ(CmHm) / %

017 φ(H2/ CO) / % ≈2 ≈3 从表

2 比较可以看出 ,间歇式循环流化床气化 炉具有以下技术优势 : (1) 由于不用制氧设备 ,投资省、 运行成本低. (2) 煤种适应性广 ,特别适用于年轻煤种如次烟 煤、 褐煤等 ,可使用粉煤 ,原料来源丰富. (3) 煤气组分中氢的体积分数在

50 %以上 ,便 于由富氢煤气燃料向氢燃料过渡 ;

(4) 该技术特别适用中小规模生产. 目前已用于 供应

20 万人口城市的煤气 ,对于今后分散型的氢能 经济具有特殊的意义.

2 气化炉变压吸附制氢工艺流程 目前间歇式循环流化床气化炉已用于生产合成 氨的原料气 ― ― ― 氢气. 其煤气的生产工艺与图

1 的 流程图相同. 用水煤气制氢采用变压吸附工艺 ,变压 吸附 (Pressure Swing Adsorption) 简称 PSA. 它是利用 固体附剂对多组分气体选择性吸附及吸附容量随压 力变化而改变的特性来达到分离氢气的一种工艺. 整个生产工艺 ,如图

2 所示 ,它由

6 个系统组成. 图2水煤气变压吸附制氢工艺流程 Fig.

2 Technological process of water gas pressure swing adsorption for hydrogen (1) 缓冲加压系统 将水煤气经压缩机加压到 PSA 所需压力. 压缩

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5 江苏大学学报(自然科学版) 第25 卷 机的排汽量为

1 200 m3 / h ,考虑到流程中的阻力 ,压 缩机的排汽压力为

118 MPa. (2) 预处理系统 该系统由一台除油机、 两台预处理器及相应的 加热冷却设备组成. 主要除去水煤气经压缩机后所 携带的机油 ,以及水煤气中能使 PSA 吸附剂中毒的 有........