煤与生物质共气化制氢技术

★煤炭科技·加工转化★煤与生物质共气化制氢技术唐庆杰1丁兆军2(1.河南理工大学材料科学与工程学院,河南省焦作市,4540002.山东工商学院能源研究所,山东省烟台市,264005)摘要综述了国内外煤与生物质气化制氢技术及其发展现状,并对煤及生物质气化制氢技术的工艺特点、存在的问题及发展前景进行了分析。讨论了煤与生物质共气化制氩的意义。关键词煤生物质气化技术制氢中图分类号TQ54文献标识码AHydrogen production from coal and biomass by corgasification technologyTang Qingjie Ding Zhaojun(1. Department of Material Science and Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2. Energy Research Institute, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai, Shandong province 264005, China)Abstract In this paper, the gasification technology for hydrogen production from coal andbiomass and its development status is briefly reviewed. The advantages and shortcomings of theprocesses for gasification technology from coal-biomass and its prospects are analyzed. Finally thesignificance of the corgasification technology for coal and biomass is discussed.Key words coal, biomass, gasification technology, hydrogen production我国虽然煤炭资源相对丰富,发展煤制氢技术1.1地面煤气化制氢技术切实可行,但煤炭资源也属于化石能源,资源有地面煤气化制氢工艺根据气化炉内气流和燃料限。而生物质资源属于可再生能源,而且开发生物床层的运动特点可分为气流床、流化床和移动床3质气化制氢技术有助于环境保护,但工艺开发相对种工艺,每种工艺都有其自身的优点和缺点,较晚,工艺技术不成熟。因此,开发煤与生物质共见表1。气化制氢技术,对于我国的能源安全和环境保护,20世纪30~50年代初德国研究并开发出第一具有非常重要的现实意义代煤气化工艺,开发了 Lurgi炉、 Winkler炉及K1煤气化制氢技术T炉等一系列以纯氧为气化剂的气化炉,大大提高了气化强度和冷煤气效率。70年代,德、美等我国是一个富煤少油缺气的国家,煤炭资源相国开发了第二代气化炉,如BGL、HTW、Tex-对丰富且价格低廉。以煤炭为原料制取氢气在未来aco、 Shell. U-Gas等,见表2。相当长的一段时间内具有资源优势。煤气化制氢技1.2地下煤气化制氢技术术通过将煤与气化剂在一定温度、压力下气化,得早在188年,门捷列夫就提出了地下煤气化制到以H2和CO为主要成分的气态产品,然后经过氢的设想。1908年英国著名化学家威廉·拉姆塞在CO变换和H2分离提纯等处理而获得高纯度氢气都贺煤田地下气化实验获得成功,将门捷列夫的地的技术。煤气化制氢技术根据气化前煤炭是否经过下气化制氢的设想变成现实。我国的煤炭地下气化开采而分为地面气化技术和地下气化技术。始于中国煤化工等地以空气为气化剂地下气化技术是基金项目:山东省自然科学基金资助项目(NO:Q2007B05)项集YHaCNMH体的多学科开发清中国煤炭第36卷第7期2010年7月洁能源与化工原料的新技术,该技术将地下的煤炭无机盐所催化,特别是铁的氧化物。地下气化技术进行有控燃烧,通过热作用及化学作用将煤转化为在欧、美、俄罗斯等国得到大力开发及应用。研究可燃气体。煤炭地下气化制氢的反应主要有水蒸气及应用结果表明:地下气化比地面气化在合成气的分解反应、干馏煤气和CO变换反应等3个方面成本上可下降43%,天然气代用品的成本可下降较地面煤气化制氢技术相比,地下煤气化制氢10%~18%,发电成本下降27%。近年来,我国技术更有利于提高产品煤气中氢气的含量。这主要对煤炭地下气化技术的研究有很大进展。中国矿业是因为一方面地下气化通道长度远比地面煤气化炉大学提出并完善了“长通道、大断面、两阶段”的高度大得多;另一方面它可被地下气化系统中许多地下气化新工艺表1地面气化工艺特点缺点气1.消除了燃料的黏结性对气化过程的影响味2.煤在气流床中的滞留时间短,单台设备处理能力大1.飞灰带出量大2.出炉煤气温度高,显热损失大1.适用煤种范围窄,仅适用于活性高的褐煤、年轻的化1.床内气、固之间混和接触好,传质和传热效率高烟煤工2.过程易于控制,有利于大规模生产2.飞灰和灰渣含量高,需建立辅助设备沸腾燃烧炉,设备复杂,投资高移动床1.气化过程比较完全1.对入炉煤的粒度和均匀性要求较高工艺2.灰渣中残碳少2.单炉生产能力小,固态排渣操作困难3.气化效率高3.产生大量的废水和废气,环境污染严重豪2常见的典型地面气化制氢技术气化技术床型煤料气化剂灰渣压力温度煤气发生炉固定床空气/水蒸气态常压STWinkle流化床碎煤空气/水蒸气固态常压S1K-T气流床煤粉氧气/水蒸气液态常压气流床水煤浆氧气/水蒸气液态加压>ST气流床煤粉氧气/水蒸气液态加压>ST气流床水煤浆氧气/水蒸气液态加压>STPrenflo气流床煤粉氧气/水蒸气液态加压>ST气流床氧气/水蒸气注:ST为煤灰熔融性软化温度。1.3煤气化制氢技术的前景及存在的问题走,主要原因体现在3个方面:工艺落后,原料气近年来,随着洁净煤技术在全球范围内的兴化不完全,气化效率低;环保设施不健全,污染物起,煤气化技术在国外又呈现出强有力的发展势排放超标,污染严重;规模小,可用煤种范围窄,头。一些发达国家投入大量的人力物力和财力开发经济效益差新一代大型煤气化技术,并加以推广示范,其目的上述问题成为我国发展煤气化制氢技术的严重是为了增加单台设备的生产能力、扩大原料煤种的障碍,为此应加大煤气化工艺的研发力度,建立健适应范围、提高气化效率。其中有些已投人商业化中国煤化工自主研发一些关键生产,有些仍处于研发阶段全技CNMHG加强与国际的交流在我国,煤气化制氢技术仍有相当长的路要与合作,使我国的煤气化制氢技术得以健康快速有煤与生物质共气化制氢技术效地发展。物中焦油含量高。为解决这一难题,笔者认为应着重2生物质气化制氢技术做好以下两方面的工作:加大对焦油催化裂解的研究力度,研制出高效的切实可行的焦油催化裂解方法,生物质制氢技术主要包括热裂解制氢技术、热以提高生物质气化产物中氢的含量;开发新型高效能化学气化制氢技术、超临界水气化制氢技术以及微生物质气化制氢催化剂,降低热解温度,提髙氢气产生物和产氢细菌发酵制氢技术。生物质热化学气化率,探索最佳的生物质气化制氢工艺。制氢技术是将含湿量较小的生物质在600~800℃高温条件下经一系列热化学反应,生成以H23发展煤与生物质共气化制氢技术的意义CO、CO2和CH4为主的气体,然后经蒸汽重整、生物质是一种可再生能源,将煤与生物质共气水气转换及PSA氢气的分离和压缩等化工过程获化不仅能更充分利用可再生能源,减少化石能源利得高纯氢气的技术用,还可以提高煤和生物质燃料的利用效率,减轻2.1国内外生物质气化制氢技术研究状况污染排放。发展煤与生物质共气化制氢技术,具有D.R.内尔( D. R. Neill)研究认为,生物质非常深远的意义。气化制氢是最廉价可行的制氢方式。R.H.威廉斯(1)单纯的生物质原料挥发分含量高,固定碳(R.H. Williams)等对生物质水蒸气空气气化制含量相对较低,气化所得的生物质气体中焦油含量氢技术进行了深人地研究,结果表明,生物质气化高,易发生管网和灶具堵塞的情况。采用煤和生物制氢与煤气化制氢在成本上基本相当。MP.阿兹质共气化,能有效提高原料中固定碳含量,降低挥纳尔(MP. Aznar)等研究了常压泡状流化床反发分的含量,有效降低产品气中焦油的含量。应器中空气、水蒸气及水蒸气氧气3种不同气化(2)单纯的生物质制氢技术,由于工艺路线的剂对气化产物氢含量的影响,结果表明,水蒸气作局限性,多采用空气作气化剂,因大量氮气的引气化剂时氢气的含量最高。C.弗朗科( C. franco)入,导致产品气中氢气含量较低,而且增加了分离等以水蒸气为气化剂,对桉木、松木及圣栎等的气难度。采用煤与生物质共气化技术,以氧气作气化化制氢技术进行了研究,结果表明:当生物质和水剂,提高了产品气中氢气的含量蒸气的质量比为0.6~0.7及气化温度为830℃时,(3)煤气化制氢技术相对成熟,但煤资源同样气化效果最佳。S特恩(S.Turn)等研究了富氧是化石能源,资源有限。在煤炭中引入生物质,既条件下生物质水蒸气气化制氢反应,实验结果表减少了煤资源的使用,同时也为生物质资源的利用明,对于去湿无灰生物质的气化,水蒸气和生物质创造了机会的当量比对产物中氢含量的影响最大(4)采用生物质与煤共气化制氢技术,利用现近20年来,生物质气化制氢技术在我国的研有的煤气化制氢设备,降低了设备投资。究也取得了可喜的成果,中科院广州能源所、中国参考文献农机院及山东能源研究所等已成功研制出各种生物质气化制氢装置。中科院广州能源所的吴创之等对1]陈冠益,李强,王福全等·生物质热解气化制取氢气生物质富氧气化制氢技术进行了一系列的研究。天[J.太阳能学报,200425(6)津大学陈冠益等对生物质在固定床中直接热解制氢[2]丁福臣,易玉峰.制氢储氢技术[M]北京:化学工业出进行了研究,结果表明,催化剂及其负荷量对生物版社,2006质热解产率具有重要的影响。天津科技大学的王昶[3]刘荣厚牛卫生张大雷.生物质热化学转换技术[M等开发了连续低温催化生物质制氢技术。北京:化学工业出版社,2005[4]刘广青董仁杰李秀金等,生物质能源转化技术[M]2.2生物质气化制氢技术的前景分析北京:化学工业出版社,2009随着生物质气化制氢技术的日趋成熟及煤和天然气资源的日趋短缺,以及人们对生存环境质量要求的作者简介:唐庆杰(1969-)男,博士,副教授,主不断提高,生物质气化制氢技术将逐渐体现出其独有要中国煤化工咒与教学工作。的优越性。尽管生物质气化制氢技术日趋成熟,但制CNMHG约其发展的因素依然很多,最主要的因素就是气化产贲任编辑张毂玲)100中国煤炎第36卷第7期2010年7月