【doc】流化床气化炉的制气工艺及其在制氢中的应用

【doc】流化床气化炉的制气工艺及其在制氢中的应用 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(自然科学版) JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition) V01.25No.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,H,CO,CO,CH体积分数分别为58.81%, 61.12%,15.3%,19.5%,8.4%,10.6%,6.83%,6.92%.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99.998%,氢气的产率为0.5,0.7m/kg (煤),其成本约为0.8元/m.日产氢气10000m/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 Fluidizedbedgasification hydrogen processandapparatusfor production WANGLi—qun,WANG一zhang (SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China) Abstract:Acirculatingfluidizedbedpowderedcoalgasificationprocessandapparatusforhydrogenpro. ductionisdeveloped.Thegasificationprocessconsistsofcoalcombustionandvaporizationstages.Pre. heatedairandsuperheatedsteamareintroducedintothegasifierforcoalcombustionandforvapor.char reaction,respectively.Experimentsshowthattypicalcompositionsofthewatergasare(vo1%):H2 58.81,61.12,CO15.3,19.5,CO28,4,10,6,andCH46.83, 6.92f0rdifferentcoaltypes.The watergaspassesthroughapressuredswingadsorption(PSA)unitandpurifyunitetc.andthefinalpro. ductgasH2isobtained.ThepurityoftheH2isabout99.998%.TheH2yieldis0.5to0.7m/kg (coa1)anditsprimecostisabout0.8yuanfm(H2).Theinvestmentforasystemtoproduce10000m (H2)/disabout9millionyuaninChina. Keywords:circulatingfluidizedbed;coalgasification;hydrogenproduction 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77.8%,在化石能源结构中煤炭占 94.3%,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 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ,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(1964一),男,河南开封人,高级工程师(thwlq@ujs.edu.on),主要从 事煤制气技术研究 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533 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 4000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U.Gas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—118821kJ(1) C+2H2O(气)=CO2+2H2—76841kJ(2) 缓冲气包 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,带人大量氮 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0,10mm煤屑生产水煤气. 间歇式循环流化床气化炉的工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 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. 煤气换向阀 排灰装置 除尘器 厂_]平衡气柜 罗茨风机 图1间歇式循环流化床气化炉的工艺流程 Fig.1Processflowofanintermittentcirculatingfluidizedbedgasificationstove 从煤仓中将粒度为0,10mm的原料煤,经螺 旋给煤机加人气化炉内,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200oC,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300oC, 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200oC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1000oC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 cc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, 534江苏大学(自然科学版)第25卷 这样两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一16型间歇式循环流化 床气化炉主要技术参数如下. 炉膛直径1600mm,炉膛截面积2.O0m,原料 煤种为次烟煤,贫煤,褐煤,粒度0,10mm,煤气产 量1200,1900ru/h,煤耗量1.0,1.6t/h,蒸汽 产量2.0,3.0t/h,蒸汽耗量1.5,2.0t/h,煤气出 口压力5.0kPa,炉体尺寸担774mm×10400mm, 炉体重量56t. 该炉投入运行后,已试烧了次烟煤,贫煤,褐煤, 无烟煤等煤种,取得了很好的运行结果,表1为贫 煤,瘦焦煤和次烟煤的试烧结果. 表1典型煤种的运行 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 Tab.1Operationrecordofthetypicalcoal 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H体积分数明显提高(见表2),非 常有利于H,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.2Performancecomparisonofintermittentfluidized bedgasificationstoveandLurgigasificationstove 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(PressureSwingAdsorption)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. 竖丽—— 解吸气输入煤气管网lt解吸气 氢气 管道输送至用户 调压系统H储存系统 图2水煤气变压吸附制氢工艺流程 Fig.2Technologicalprocessofwatergaspressure swingadsorptionforhydrogen (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 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535 机的排汽量为1200m/h,考虑到流程中的阻力,压 缩机的排汽压力为1.8MPa. (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 有害组分,如焦油,苯,重烃等.除油器中及预处理器 内装填的吸附剂为焦炭和活性碳,再生采用PSA的 解吸气,再生后的解吸气经冷却后输入煤气管网. (3)PSA系统 该系统是整个工艺的核心部分.主要由4个 PSA塔,1个氢气缓冲罐和一系列程控阀组成.吸附 压力为1.6MPa,循环时间10,20rain.净化后的水 煤气主要成分是H,其余为CO,0,CO,CH,N:. 利用汽体混合物组分的沸点不同,即易挥发的不易 被吸附,不易挥发的易被吸附的性质,将净化后的水 煤气通过吸附剂床层,H和少量0以外的其余组 分均被吸附剂选择性地吸附,而沸点低的H基本 上不被吸附,以99.5%以上的纯度离开吸附器,从 而使氢和杂质分离. (4)净化系统 该系统主要由脱氧器,=F燥器及加热,冷却设备 组成.除去氢气中尚残留的微量氧,使氢气中的氧气 体积分数降至0.0002%以下,然后经干燥脱湿,氢 气纯度达99.998%以上,露点低于一65cI=. (5)储存系统 该系统由2000riq球罐组成,以储存多余产品 氢气,平衡管网输配,事故状态下可提供1600m 的氢气. (6)调压系统 该系统由两台过滤器及相关阀门,安全放散设 施组成.氢气压力从1.6MPa调至0.85MPa,经管 道输送到用户. 根据间歇式循环流化床气化炉的运行资料表 明,在煤价每吨180元时,煤气成本为0.3fr/m,考 虑到变压吸附分离H,的成本,预计氢的成本0.67 m,而目前电解氢的价格约为2.0,3.0m, 其经济效益非常好,一台日产氢气10000m规模 的设备投资约为900万元. 3结论 间歇式循环流化床气化炉已在生产民用煤气和 化工原料气方面开始应用.特别是在生产民用煤气 方面已成功运行多年,现在已开发成功单台产气量 7000m/h的气化炉用于化工原料气的生产.我国 是发展中国家,适应中国国情的应为投资省,运行成 本低的适用技术,特别是我国广大中小城市和地区 的燃料仍以燃煤为主,在这些地区的中小型化肥厂 的气源都使用传统的固定床气化炉,需要更新.使用 该技术改造传统产业与提升燃料供应模式相结合, 以中小城市为中心,建立区域性的能源供应中心,逐 步向氢能网络经济过渡,是一条适合发展中国家需 求的经济方便,安全可靠的技术路线. 参考文献(References) [1]朱起明.中国氢气的生产和应用现状与前景[A]. 见:全国清洁能源技术研讨会暨成果展示会文集 [c].北京:煤炭工业出版社,1999. [2]王立群,王同章,王旭冰,王跃琪,王明德.流化床水煤 气炉运行分析[J].洁净煤技术,1999,5(2):42— 45. WANGLi—qun,WANGTong—zhang,WANGXu—bing, WANGYue—qi,WANGMing—de.Analysisofthefluidi— zedbedgasifiedoperationresult[J].CleanCoalTech— nology,1999,5(2):42—45.(inChinese) [3]王岩.焦炉煤气变压吸附制氢工业的应用[J].鞍 钢技术,2000(2):42—45. WANGYan.Applicationofvariable—pressureabsorption hydrogengentrationoncokegas[J].TechnologyofAn— shanIronandSteelPlant,2000(2):42—45.(inChi— nese), [4]RagmondLV,GerlandPM.Ethylenerecoveryfromlow gradegasstreambyadsorptiononzeolitesandcontrolled adsorption[J].CanJChemEng,1998,66(8):686— 690. [5]BaraskaraNA,WoldmanLS,DavydowAA,eta1.Ethy? lenerecoveryfromthegasproductofmethaneoxidative couplingbytemperatureswingadsorption[J].GasSe? parnPurif,1996,10(11):85—89. [6]LinSY,SuzukiY,HatanoH,eta1.Innovativehydro? genproductionbyreactionintegratednovelgasification process[A].In:ProceedingofECOS'99[C].1999. (责任编辑陈持平)