煤制氢不同工艺比较及直接制氢分析

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1、中国工程热物理学会T程热力学与能源利用2004学术会议论文编号：041019煤制氢不同工艺比较及直接制氢分析乔春珍12肖云汉1原鲲1t1中国科学院工程热物理研究所北京100080)(2中国科学院研究生院北京100081)010-62610337joeczl22l@sinacorn摘要：本文采用Aspen软件对不同的煤制氢工艺系统进行了比较．分析，相同进料条件下．采用小矧丁艺进行煤制氯时系统的冷煤气效率以及最终产物的维成情况，并分析了“一步制氧”中温度、艇力、不问进料比对最终产物的影响。结果表明：一步制氢可在低

2、温下实现煤的气化，并且系统集成及热集成度高，_I_艺过程简单；直接制氢适宜的气化漏度为923～973]{；在水蒸气分压力不变的条件下增加气化压力将导致气体产物的量减少，但增加水蒸气分压力(气化压力随之增加)，气体产物的重将增加，吸收剂有一个最佳的量。关键词：煤制氢，系统瓮析，影4妒紊·O前言“对化石能源的使用促成了人类经济生活的高速发袋，也带来了巨大的安全、环境和效率挑战，寻求洁净的二次能源成为解决能源安全问趣的当务之急。氢可作为清洁的、无碳的运输替代燃料使用，它进行能藿转换时的产物是水，可实现真正的污染物零

3、排放，被认为是未来与电能并重而互补的主要终端载能体⋯。针对我国以煤为主的能源结构在未来长期存在的趋势．以煤为主要氢源制氢将是实现氯能规模应用的主要途径。考虑到来来氢能源体系中氧的需求量将是目前氢能产量的十倍以上(目前约800万吨／年)，开发高效廉价的制氢方法具有极其重要的意义。近年来，各国研究者提出了各种各样的煤制氢系统，其中以气化过程中吸收cO：的无氧气化煤制氢技术得到了广泛的重视。美国的GE能源与环境研究公司、煤利用攀排放联盟及日本的NEDO等研究机构都以钙技术思路为基础提出了不同的技术方案，但目前均处于

4、技术的初级研发阶段”‘“。中图科学院工程热物理研究所于1998年提出“一步制氢，矿石固化c＆”的思路，目前已从热力学角度进行了化学反应发生的可行性分析，构建了定容实验台。并在不同参数下进行了实验研究“1，取得了预期的结果。为了从理论上确定以制氢过程中吸收c02为核心工艺过程的最优工艺，并对“一步制氢”过程中各种影响因素的进行深入研究，本文采用Aspen化工模拟软件，分析了不同的制氢工艺过程，比较了其冷煤气效率，并对“一步制氢”的各种影响因素进行了系统的分析，为进一步进行煤制氢研究奠定理论基础，并为试验研究傲方

5、向性指导。1制氢工艺系统及比较以产氨为主要目的．根据将煤气最大量转化为氢气的原则，本文分析了以下几种制氢工艺：1)煤一步制氢：2)先将煤高温气化，然后在第二个反应器中进行低温变换反应，同时进行C02的吸收反应；3)先将煤高温气化，然后在第二个反应嚣中进行低温本文资助项目：国家重点基础研究发展计划(NoG2003cB2l石_2)1砸瓤i鬲聂采丽琴讶疆军；丽(2003AA529260)890变换反应，再在第三个反应器中进行甲烷的重整并吸收COs：4)第一个反应器中进行煤的加氢气化，第二个反应器进行重整井吸收C02

6、。为简化计算，模拟中将煤简化为纯碳，即不含杂质和除碳以外的任何元素。11煤一步制氨根据一步制氢中气化、变换和COz吸收反应在同一个反应器中进行的原则，本文的反应模型如图1所示。C的进料为10mol，反应的进料比为HzO／C／CaO=3：1：1，根据CaO-Ca(OH)2-CaCO。相平衡条件”1，取反应温度973K，反应压力5MPa，分析中采用极小化Gibbs自由能预测反应器中反应产物的平衡组分，用PR方程预报物流的热力学性质。计算结果见表1。表1一步制氢计算结果产物煤气组成摩尔数千气体百分(m01)含量(％

7、)H214．49lCH·1388．69气体CO00180lIC020023014H201l4CaOO固体CaCO，8．5685．6Ca(oHk1．43j43圈1一步制氢计算模型根据计算结果。通过能重匹配，该系统的冷煤气效率可达90．9％。12煤气化、变换并吸收c02该工艺是先将煤高温气化，然后在低温下进行变换反应，并吸收C02。根据这一思路，系统模型图2所示。本模拟的进料与一步制氢完全相同，气化温度为1273K，气化压力5MPa，变换反应温度为C／3K，压力不变。分析中气化反应采用Gibbs自由能反应器，变换

8、反应为平衡反应器，用PR方程预报物流的热力学性质。计算结果见表2。表2气化．变换．吸收计算结果产物煤气组成摩尔数干气体百分(tri01)含量(％)H219．4999149CH4O．16670．848气体CO233E．070C021．55E．060№O1034CaO0．167166固体CaC039．849832Ca