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期江苏大学学报(自然科学版)Vol.25 No.62004 年11月Journal of Jiangsu University( Natural Science Edition )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 ~0.7 m/kg(煤)其成本约为0.8元/m3.日产氢气10 000 m'/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 -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氢能将成为21世纪最重要的一种洁净能源,它中化石燃料占77. 8% ,在化石能源结构中煤炭占不仅是最洁净的燃料,而且也是非常重要的化工原94. 3%而且煤炭资源种类多分布区域广泛,根据料.特别是燃料电池动力源的工业应用如燃料电池我国的能源结构，更应重视发展煤制氢技术.目前,车、燃料电池家用发电装置、燃氢联合循环等加速我国通过煤气化生产氢气主要用作化工原料(如合了氢能技术的开发应用.预计本世纪中叶氢能将与.成中国煤化工品或燃料的氢气量较电能并重而成为主要终端能源为此,许多国家都制少.YHCNMHG合成氨约消耗氢气量定了相应的氢能开发研究计划.在我国的能源结构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( 2002E000198 )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.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式1)(2)水煤气反应是吸热反应为了维持定床水煤气炉这种气化炉技术比较落后仅能使用一定的反应温 度提供水蒸气分解所需的热量需要无烟块煤生产过程中的污染物焦油、酚水难以处向制气过程提供热量.工业上常采用两种方法:一是.理严重制约了我国煤气化制氢的进程.目前我国有以氧和水蒸气为气化剂的连续气化法流化床气化4000多台固定床水煤气炉在运行这些气化设备急炉、汽流床气化炉均采用这种方法二是以空气和水，需更新.近几年我国又引进了先进的Texaco ,Lurgi蒸气为气化剂的间歇气化法,中国的固定床水煤气及U-Gas等煤气化技术,由于技术、经济等方面的原炉大都采用这种方法.该法不需制氧设备、投资及运.因并未得到广泛应用.1990年中国自主开发成功行费用比较低,但是由于在供热过程中带入大量氮一种间歇式循环流化床气化炉.它已用于中小城市气，为排除氮气必须使制气过程和吹风燃烧过程分民用煤气并获得良好的效果.目前此技术正向制氢开进行这两个过程构成了水煤气间歇气化法的基方面发展将生产民用煤气和制氢两者结合起来.由本组成.将这-原理用于流化床气化炉上，作者已研富氢煤气燃料逐渐向氢燃料过渡，这是一种适合 中制成功了间歇式循环流化床气化炉,该炉以空气和国氢能发展的技术路线具有广阔的市场前景.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1气化炉工艺过程及其特点炉、飞灰再循环系统、余热回收系统、煤气净化系统、煤制氢的核心是煤气化技术其原理是使煤中烟气净化系统及两组换向阀组成(见图1 )其中流炭在高温下与水蒸气反应生产水煤气其反应为:化床气化炉由气化炉本体、螺旋给煤机、排灰装置组C+H20(气)=C0+H,-118 821 kJ(1 )成,飞灰再循环系统由旋风分离器、返料器组成，余C +2H2O(气)=CO2 +2H2 -76841 kJ(2)热回收系统由余热锅炉和空气预热器组成.煤气换向阀(缓冲气包)余热锅炉洗气塔平衡气柜旋风分离器&烟气换向阀螺旋给煤机炉子本体返料器文燕汽换向阀空气预热器.罗茨风机空气换向阀B排灰装置除尘器图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的原料煤经螺囱排到大气中当床层温度上升到1 000C时停止旋给煤机加入气化炉内加煤量和加煤时间可任意供风空气换向阀和烟气换向阀依次关闭.蒸汽换向调节空气和水蒸气交替供应通过液压控制的空阀和煤气换向阀相继开启,气化炉处于供蒸汽流化气、蒸汽换向阀来实现.在供空气流化燃烧阶段,罗气化阶段余热锅炉产生的蒸汽经缓冲气包及蒸汽茨风机起动运行空气换向阀和烟气换向阀开启蒸换向阀再由风室进入气化炉内使高温料层在流化汽换向阀和煤气换向阀关闭空气经空气预热器被状态下进行水煤气反应床层温度开始下降这时产加热到200 C ,由风室进入气化炉内使料层在流化生的中国煤化工后分离下的含碳粉尘状态下燃烧,床层温度迅速上升产生的高温烟气进经返HCNMHG,初除尘的煤气经余热入旋风分离器分离下的含碳粉尘经返料器返回炉锅炉、煤气换向阀进入煤气净化系统,净化后的煤内重新燃烧进入余热锅炉的烟气温度降到300C，气进入气柜然后送往用户.当床层温度下降至900由烟气换向阀进入空气预热器与空气换热后烟气9C时停止供水蒸气,气化阶段结束.换向阀又转向温度降到200C以下然后经除尘器除尘后通过烟到供空气的位置气化炉又进入空气流化燃烧阶段,534江苏大学学报(自然科学版)第25卷这样两个阶段交替往复生产水煤气.表2间歇式流化床气化炉与加压鲁奇气化炉的性能比较因整个过程都是在流化状态下进行混合均匀,Tab.2 Performance comparison of intermittent fluidizedbed gasification stove and Lurgi gasification stove反应迅速床层温度也非常均匀所有操作都在电脑加压鲁奇气化炉间歇式流化床 气化炉控制下自动完成.由于燃烧和气化是同方向进行的,煤种次烟煤空气和煤气没有混合的可能,设备运行安全可靠.u(灰分)/%36.623.67利用该技术开发的FM - 16型间歇式循环流化u(水分)%5.48.24.券u(挥发分)%19.914. 53床气化炉主要技术参数如下.析u(固定碳)/%38. 353. 94炉膛直径1 600 mm炉膛截面积2.00 m2 ,原料u(硫)%0.70. 32煤种为次烟煤、贫煤、褐煤粒度0~10 mm煤气产粘结性非粘结性强粘结性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.产量2.0~3.0 t/h蒸汽耗量1.5~2.0 t/h煤气出4( CO2 )%30. 08.4口压力5.0kPa炉体尺寸φ2774mmx10400mm,组4(CH,)%10.06.9分4( CmHm )%炉体重量56 t.4( H2/CO )V%≈2=3该炉投入运行后,已试烧了次烟煤、贫煤、褐煤、从表2比较可以看出,间歇式循环流化床气化无烟煤等煤种,取得了很好的运行结果,表1为贫炉具有以下技术优势:煤、瘦焦煤和次烟煤的试烧结果.( 1 )由于不用制氧设备投资省、运行成本低.表1典型煤种的运行记录Tab.1 Operation record of the typical coal(2)煤种适应性广,特别适用于年轻煤种如次贫煤瘦焦煤烟煤、褐煤等,可使用粉煤原料来源丰富.u(金水分)%8. 117. 863.37( 3 )煤气组分中氢的体积分数在50%以上,便u(内水分)%0. 800. 420.77于由富氢煤气燃料向氢燃料过渡;亚u(固定碳)%65.3753.9456. 42(4)该技术特别适用中小规模生产.目前已用u( 挥发分)%13. 66.18. 62u(灰分)V%12. 8621. 24于供应20万人口城市的煤气对于今后分散型的氢u(硫)% .0.320. 300. 35能经济具有特殊的意义.煤的发热量( kJ/kg) 25 10323 26823 040焦渣特性64罗加指数不粘结7:弱粘结.2气化炉变压吸附制氢工艺流程灰DT/1 470>1 400>1 200管ST/C1 500目前间歇式循环流化床气化炉已用于生产合成FT/C1 560操作温度C850~1000 850~1000 850~1 000氨的原料气一氢气. 其煤气的生产工艺与图1的4( CO2 )V%10. 608.409.40流程图相同.用水煤气制氢采用变压吸附工艺变压基φ( C0)%15. 3019. 5019. 40吸附( Pressure Swing Adsorption )简称PSA.它是利组4(H2 )%61.1259. 5058. 81用固体附剂对多组分气体选择性吸附及吸附容量随4 CH.)%6. 836. 906. 924(O2 )V%0.300. 100. 14压力变化而改变的特性来达到分离氢气的一-种工4( N2)%5.705.63艺整个生产工艺如图2所示它由6个系统组成.d H2S )( mg/m3 )120煤气热值( kJ/m3 )11 02111 45311 227水蝶工[媛冲加国一预处理-PSA系统一一净化系统气化效率/%58解吸气输,入煤气管网解吸气热效率/%75. 07多种煤试烧结果表明,间歇式流化床气化炉无氢气{调压系统}-[储存系统管道输送至用户论对于弱粘结煤或强粘结性煤都能保持长期稳定运中国煤化工行这主要是煤粒在850 C以上在空气和水蒸气的MHCNMH(3制氢工艺流程'sf water gaspressure交替作用下燃烧与气化粘结性煤的胶质层迅速被.swing adsorption for hydrogen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(1)缓冲加压系统.常有利于H,的制取.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1200 m'/h考虑到流程中的阻力压化工原料气方面开始应用.特别是在生产民用煤气缩机的排汽压力为1. 8 MPa.方面已成功运行多年现在已开发成功单台产气量(2)预处理系统7 000 m'/h的气化炉用于化工原料气的生产.我国该系统由-台除油机、两台预处理器及相应的是发展中国家适应中国国情的应为投资省、运行成加热冷却设备组成.主要除去水煤气经压缩机后所本低的适用技术特别是我国广大中小城市和地区携带的机油以及水煤气中能使PSA吸附剂中毒的的燃料仍以燃煤为主,在这些地区的中小型化肥厂有害组分如焦油、苯、重烃等.除油器中及预处理器的气源都使用传统的固定床气化炉需要更新.使用内装填的吸附剂为焦炭和活性碳再生采用PSA的该技术改造传统产业与提升燃料供应模式相结合,解吸气再生后的解吸气经冷却后输入煤气管网.以中小城市为中心建立区域性的能源供应中心逐(3)PSA系统步向氢能网络经济过渡是-条适合发展中国家需该系统是整个工艺的核心部分.主要由4个求的经济方便、安全可靠的技术路线.PSA塔、1个氢气缓冲罐和- -系列程控阀组成.吸附参考文献References )压力为1. 6 MPa循环时间10 ~ 20 min.净化后的水煤气主要成分是H2其余为CO2、O2、CO、CH4、N2.[1]朱起明.中国氢气的生产和应用现状与前影[A]利用汽体混合物组分的沸点不同,即 易挥发的不易见:全国清洁能源技术研讨会暨成果展示会文集被吸附不易挥发的易被吸附的性质将净化后的水. [ C]北京煤炭工业出版社1999.煤气通过吸附剂床层,H2 和少量02以外的其余组[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 -分均被吸附剂选择性地吸附而沸点低的H2基本4:上不被吸附,以99. 5%以上的纯度离开吸附器，从WANG Li-qun , WANG Tong-zhang , WANG Xu-bing ,而使氢和杂质分离.WANG Yue-qi , W ANG Ming-de. Analysis of the fluidi-( 4 )净化系统zed bed gasified operation resul[ J ] Clean Coal Tech-该系统主要由脱氧器、干燥器及加热、冷却设备nology ,1999 5(2):42 -45. ( in Chinese )组成.除去氢气中尚残留的微量氧使氢气中的氧气[3] .王岩.焦炉煤气变压吸附制氢工业的应用[ J]鞍体积分数降至0. 000 2%以下然后经干燥脱湿氬钢技术2000(2):42 -45.气纯度达99. 998%以上露点低于-65 C.WANG Yan. Application of variable-pressure absorption(5)储存系统hydrogen gentration on coke gas[ J ]. Technology of An-shan lron and Steel Plant 2000( 2 ):42 -45.( in Chi-该系统由2 000 m3球罐组成,以储存多余产品nese )氢气平衡管网输配,事故状态下可提供1 600 m3[ 4 ] Ragmond L V , Gerland P M. Ethylene recovery from low的氢气.grade gas stream by adsorption on zeolites and controlled(6)调压系统adsorptior[ J ]. Can J Chem Eng ,1998 ,66( 8 ):686 -该系统由两台过滤器及相关阀门、安全放散设690.施组成.氢气压力从1.6MPa调至0.85MPa经管[ 5 ] Baraskara N A ,Woldman LS ,Davydow A A et al. Ethy-道输送到用户.lene recovery from the gas product of methane oxidative根据间歇式循环流化床气化炉的运行资料表coupling by temperature swing adsorption[ J ] Gas Se-明在煤价每吨180元时煤气成本为0.3元/m’考parn Purif ,1996 ,10( 11 ):85 -89. .虑到变压吸附分离H2的成本预计氢的成本0.67[ 6 ] LinS Y ,Suzuki Y , Hatano H et al. Innovative hydro-gen production by reaction integrated novel gasification元/m3而目前电解氢的价格约为2.0~3.0元/m3procese[ A] In :Proceeding of ECOS' 99[ C] 1999.其经济效益非常好,一台日产氢气10 000 m3规模的设备投资约为900万元.中国煤化工MYHCNMHG任编辑陈持平)3结论间歇式循环流化床气化炉已在生产民用煤气和