煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术

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1、中国工程热物理学会多相流学术会议论文编号：166302煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术郭烈锦，赵亮，吕友军，金辉（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049邮编）(Tel:029-82663895,Email:lj-guo@mail.xjtu.edu.cn)摘要：摘要内容不超过200字，为小五号宋体。关键词：关键词一般为3－5个，为小五号宋体。0前言我国以煤为主的能源结构短期内不会改变，现有燃煤发电技术主要利用煤炭在空气中的燃烧放热，将煤炭化学能转化为热能加热水-蒸汽用于做功-发电；常规煤气化技术主要利用煤炭在空气中的部

2、分氧化-气化反应制取合成气。上述两类转化利用过程中煤的能量品质损耗大，且不可避免地生成大量SOx、NOx、固体颗粒物、重金属污染物及低浓度温室气体等，减排成本高，急需研发一种全新的煤炭清洁高效发电及转化利用技术，解决我国可持续发展面临的能源短缺和环境污染两个重大难题。水的相图“煤炭超临界水气化制氢发电”的技术原理图1超临界水煤气化制氢发电原理图西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室独创性地提出一种以水相环境煤气化为核心的新型煤制氢及发电理论与技术[1]，它利用水在超临界状态（温度和压力达到或超过临界点374.3℃/22.1MPa）下一系

3、列独特的物理化学性质，将超临界水用作煤气化的均相、高速反应媒介，将煤中的氢、碳元素气化转化成为H2和CO2，并将部分水分解为氢气，从而实现煤的高效、洁净转化利用（图1）。过程中煤里所含的N、S、金属元素及各种无机矿物质在反应器内净化沉积于底部以灰渣形式间隙排出反应器；已溶解有H2和CO2等气体的超临界混合工质离开气化反应器后可以供热、供蒸汽并分离得到高纯H2和CO2等产品，也可以将其中的H2等可燃气体燃烧放热后生成H2O和CO2超临界混合工质引入轮机直接做功带动发电机发电。在获得清洁能源H2和电的同时，从源头上实现NOx、SOx的零排放和

4、CO2的资源化利用，其发电和制氢效率远高于传统燃煤或煤气化技术，而一次投资和运行成本在大型化后也将低于传统技术。图2超临界水煤气化制氢发电工艺流程简图西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室自1997年开始系统研究了煤、生物质及有机废弃物的超临界水气化制氢，初步揭示了超临界水气化反应动力学规律及多相催化机理[2]，建立了超临界水气化制氢热力学模型[3]，提出了“超临界水煮煤能源转化[1]”、“连续式超临界水气化流态床反应器[4-7]”等全新原理和技术。相关研究获得了一系列具有自主知识产权的核心关键技术，成功实现了验证性小型工业化系统的实验

5、示范；已建成5个反应器模块并联，同时将加料、气化、除渣工艺集成为一体的连续生产小型示范试验样机，以及以超临界水相完全还原气化煤为核心的新型高效气化制氢完整流程工艺技术的集成与长时间连续稳定生产实验，连续运行时间1000小时以上，累计运行时间4000小时以上，其煤浆混输浓度大于40%，碳气化率达95~100%，产气中氢气含量大于60%，得到了反应器的进口温度、压力；反应器煤浆进口流量、预热水进口流量；排渣的周期、排渣量以及渣成分；产气的组分和各组分产量等数据，验证了大型工业化应用技术路线的可行性。2012年起，西安交通大学联合清华大学、浙江

6、大学、东方电气集团、陕西煤业化工集团、西北有色金属研究院、北京有色金属研究总院等单位组建了“煤的新型高效气化与规模利用协同创新中心”，随后南京理工大学、中科院工程热物理研究所、东南大学苏州研究院及大连理工大学等相关优势团队陆续加入，协同推进煤炭超临界水气化产氢及超临界H2O/CO2混合工质热力发电多联产系统的理论研究、大型工程化技术攻关示范与大规模工业化推广应用。目前，“煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产基础研究”项目（2016YFB0600100）已获得2016年度国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术

7、”专项立项支持，该项目将以煤炭洁净高效转化利用为目标，创建在煤电、煤化工领域具有引领、变革意义的新型煤炭洁净高效制氢发电多联产的科学理论与技术体系，建立从煤炭超临界水气化制氢反应器、高湿/高CO2气氛下氢气燃烧器到超临界H2O/CO2混合工质轮机热力发电的多联产系统的设计理论、方法和系列关键技术，完成新型系统及样机的概念设计，并使系统效率达到50%以上，为大型工程示范和大规模工业化应用奠定坚实基础。超临界水煤气化制氢耦合发电技术是一个典型的利用原创技术使传统煤炭利用产业形成革命性的技术突破，将在我国国民经济和社会发展中发挥重大作用。通过项

8、目各单位之间协同创新，解决超临界水煤气化制氢耦合发电技术发展中面临的重大科学问题和关键技术难题，有望快速推向大规模工业化应用，实现煤炭的高效洁净无污染转化利用。2煤炭超临界水气化制氢发电多联产