★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★煤與生物質(zhì)共氣化制氫技術(shù)唐慶杰1丁兆軍2(1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,4540002.山東工商學(xué)院能源研究所,山東省煙臺市,264005)摘要綜述了國內(nèi)外煤與生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀,并對煤及生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)的工藝特點、存在的問題及發(fā)展前景進行了分析。討論了煤與生物質(zhì)共氣化制氬的意義。關(guān)鍵詞煤生物質(zhì)氣化技術(shù)制氫中圖分類號TQ54文獻標識碼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我國雖然煤炭資源相對豐富,發(fā)展煤制氫技術(shù)1.1地面煤氣化制氫技術(shù)切實可行,但煤炭資源也屬于化石能源,資源有地面煤氣化制氫工藝根據(jù)氣化爐內(nèi)氣流和燃料限。而生物質(zhì)資源屬于可再生能源,而且開發(fā)生物床層的運動特點可分為氣流床、流化床和移動床3質(zhì)氣化制氫技術(shù)有助于環(huán)境保護,但工藝開發(fā)相對種工藝,每種工藝都有其自身的優(yōu)點和缺點,較晚,工藝技術(shù)不成熟。因此,開發(fā)煤與生物質(zhì)共見表1。氣化制氫技術(shù),對于我國的能源安全和環(huán)境保護,20世紀30~50年代初德國研究并開發(fā)出第一具有非常重要的現(xiàn)實意義代煤氣化工藝,開發(fā)了 Lurgi爐、 Winkler爐及K1煤氣化制氫技術(shù)T爐等一系列以純氧為氣化劑的氣化爐,大大提高了氣化強度和冷煤氣效率。70年代,德、美等我國是一個富煤少油缺氣的國家,煤炭資源相國開發(fā)了第二代氣化爐,如BGL、HTW、Tex-對豐富且價格低廉。以煤炭為原料制取氫氣在未來aco、 Shell. U-Gas等,見表2。相當長的一段時間內(nèi)具有資源優(yōu)勢。煤氣化制氫技1.2地下煤氣化制氫技術(shù)術(shù)通過將煤與氣化劑在一定溫度、壓力下氣化,得早在188年,門捷列夫就提出了地下煤氣化制到以H2和CO為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)品,然后經(jīng)過氫的設(shè)想。1908年英國著名化學(xué)家威廉·拉姆塞在CO變換和H2分離提純等處理而獲得高純度氫氣都賀煤田地下氣化實驗獲得成功,將門捷列夫的地的技術(shù)。煤氣化制氫技術(shù)根據(jù)氣化前煤炭是否經(jīng)過下氣化制氫的設(shè)想變成現(xiàn)實。我國的煤炭地下氣化開采而分為地面氣化技術(shù)和地下氣化技術(shù)。始于中國煤化工等地以空氣為氣化劑地下氣化技術(shù)是基金項目:山東省自然科學(xué)基金資助項目(NO:Q2007B05)項集YHaCNMH體的多學(xué)科開發(fā)清中國煤炭第36卷第7期2010年7月潔能源與化工原料的新技術(shù),該技術(shù)將地下的煤炭無機鹽所催化,特別是鐵的氧化物。地下氣化技術(shù)進行有控燃燒,通過熱作用及化學(xué)作用將煤轉(zhuǎn)化為在歐、美、俄羅斯等國得到大力開發(fā)及應(yīng)用。研究可燃氣體。煤炭地下氣化制氫的反應(yīng)主要有水蒸氣及應(yīng)用結(jié)果表明:地下氣化比地面氣化在合成氣的分解反應(yīng)、干餾煤氣和CO變換反應(yīng)等3個方面成本上可下降43%,天然氣代用品的成本可下降較地面煤氣化制氫技術(shù)相比,地下煤氣化制氫10%~18%,發(fā)電成本下降27%。近年來,我國技術(shù)更有利于提高產(chǎn)品煤氣中氫氣的含量。這主要對煤炭地下氣化技術(shù)的研究有很大進展。中國礦業(yè)是因為一方面地下氣化通道長度遠比地面煤氣化爐大學(xué)提出并完善了“長通道、大斷面、兩階段”的高度大得多;另一方面它可被地下氣化系統(tǒng)中許多地下氣化新工藝表1地面氣化工藝特點缺點氣1.消除了燃料的黏結(jié)性對氣化過程的影響味2.煤在氣流床中的滯留時間短,單臺設(shè)備處理能力大1.飛灰?guī)С隽看?.出爐煤氣溫度高,顯熱損失大1.適用煤種范圍窄,僅適用于活性高的褐煤、年輕的化1.床內(nèi)氣、固之間混和接觸好,傳質(zhì)和傳熱效率高煙煤工2.過程易于控制,有利于大規(guī)模生產(chǎn)2.飛灰和灰渣含量高,需建立輔助設(shè)備沸騰燃燒爐,設(shè)備復(fù)雜,投資高移動床1.氣化過程比較完全1.對入爐煤的粒度和均勻性要求較高工藝2.灰渣中殘?zhí)忌?.單爐生產(chǎn)能力小,固態(tài)排渣操作困難3.氣化效率高3.產(chǎn)生大量的廢水和廢氣,環(huán)境污染嚴重豪2常見的典型地面氣化制氫技術(shù)氣化技術(shù)床型煤料氣化劑灰渣壓力溫度煤氣發(fā)生爐固定床空氣/水蒸氣態(tài)常壓STWinkle流化床碎煤空氣/水蒸氣固態(tài)常壓S1K-T氣流床煤粉氧氣/水蒸氣液態(tài)常壓氣流床水煤漿氧氣/水蒸氣液態(tài)加壓>ST氣流床煤粉氧氣/水蒸氣液態(tài)加壓>ST氣流床水煤漿氧氣/水蒸氣液態(tài)加壓>STPrenflo氣流床煤粉氧氣/水蒸氣液態(tài)加壓>ST氣流床氧氣/水蒸氣注:ST為煤灰熔融性軟化溫度。1.3煤氣化制氫技術(shù)的前景及存在的問題走,主要原因體現(xiàn)在3個方面:工藝落后,原料氣近年來,隨著潔凈煤技術(shù)在全球范圍內(nèi)的興化不完全,氣化效率低;環(huán)保設(shè)施不健全,污染物起,煤氣化技術(shù)在國外又呈現(xiàn)出強有力的發(fā)展勢排放超標,污染嚴重;規(guī)模小,可用煤種范圍窄,頭。一些發(fā)達國家投入大量的人力物力和財力開發(fā)經(jīng)濟效益差新一代大型煤氣化技術(shù),并加以推廣示范,其目的上述問題成為我國發(fā)展煤氣化制氫技術(shù)的嚴重是為了增加單臺設(shè)備的生產(chǎn)能力、擴大原料煤種的障礙,為此應(yīng)加大煤氣化工藝的研發(fā)力度,建立健適應(yīng)范圍、提高氣化效率。其中有些已投人商業(yè)化中國煤化工自主研發(fā)一些關(guān)鍵生產(chǎn),有些仍處于研發(fā)階段全技CNMHG加強與國際的交流在我國,煤氣化制氫技術(shù)仍有相當長的路要與合作,使我國的煤氣化制氫技術(shù)得以健康快速有煤與生物質(zhì)共氣化制氫技術(shù)效地發(fā)展。物中焦油含量高。為解決這一難題,筆者認為應(yīng)著重2生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)做好以下兩方面的工作:加大對焦油催化裂解的研究力度,研制出高效的切實可行的焦油催化裂解方法,生物質(zhì)制氫技術(shù)主要包括熱裂解制氫技術(shù)、熱以提高生物質(zhì)氣化產(chǎn)物中氫的含量;開發(fā)新型高效能化學(xué)氣化制氫技術(shù)、超臨界水氣化制氫技術(shù)以及微生物質(zhì)氣化制氫催化劑,降低熱解溫度,提髙氫氣產(chǎn)生物和產(chǎn)氫細菌發(fā)酵制氫技術(shù)。生物質(zhì)熱化學(xué)氣化率,探索最佳的生物質(zhì)氣化制氫工藝。制氫技術(shù)是將含濕量較小的生物質(zhì)在600~800℃高溫條件下經(jīng)一系列熱化學(xué)反應(yīng),生成以H23發(fā)展煤與生物質(zhì)共氣化制氫技術(shù)的意義CO、CO2和CH4為主的氣體,然后經(jīng)蒸汽重整、生物質(zhì)是一種可再生能源,將煤與生物質(zhì)共氣水氣轉(zhuǎn)換及PSA氫氣的分離和壓縮等化工過程獲化不僅能更充分利用可再生能源,減少化石能源利得高純氫氣的技術(shù)用,還可以提高煤和生物質(zhì)燃料的利用效率,減輕2.1國內(nèi)外生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)研究狀況污染排放。發(fā)展煤與生物質(zhì)共氣化制氫技術(shù),具有D.R.內(nèi)爾( D. R. Neill)研究認為,生物質(zhì)非常深遠的意義。氣化制氫是最廉價可行的制氫方式。R.H.威廉斯(1)單純的生物質(zhì)原料揮發(fā)分含量高,固定碳(R.H. Williams)等對生物質(zhì)水蒸氣空氣氣化制含量相對較低,氣化所得的生物質(zhì)氣體中焦油含量氫技術(shù)進行了深人地研究,結(jié)果表明,生物質(zhì)氣化高,易發(fā)生管網(wǎng)和灶具堵塞的情況。采用煤和生物制氫與煤氣化制氫在成本上基本相當。MP.阿茲質(zhì)共氣化,能有效提高原料中固定碳含量,降低揮納爾(MP. Aznar)等研究了常壓泡狀流化床反發(fā)分的含量,有效降低產(chǎn)品氣中焦油的含量。應(yīng)器中空氣、水蒸氣及水蒸氣氧氣3種不同氣化(2)單純的生物質(zhì)制氫技術(shù),由于工藝路線的劑對氣化產(chǎn)物氫含量的影響,結(jié)果表明,水蒸氣作局限性,多采用空氣作氣化劑,因大量氮氣的引氣化劑時氫氣的含量最高。C.弗朗科( C. franco)入,導(dǎo)致產(chǎn)品氣中氫氣含量較低,而且增加了分離等以水蒸氣為氣化劑,對桉木、松木及圣櫟等的氣難度。采用煤與生物質(zhì)共氣化技術(shù),以氧氣作氣化化制氫技術(shù)進行了研究,結(jié)果表明:當生物質(zhì)和水劑,提高了產(chǎn)品氣中氫氣的含量蒸氣的質(zhì)量比為0.6~0.7及氣化溫度為830℃時,(3)煤氣化制氫技術(shù)相對成熟,但煤資源同樣氣化效果最佳。S特恩(S.Turn)等研究了富氧是化石能源,資源有限。在煤炭中引入生物質(zhì),既條件下生物質(zhì)水蒸氣氣化制氫反應(yīng),實驗結(jié)果表減少了煤資源的使用,同時也為生物質(zhì)資源的利用明,對于去濕無灰生物質(zhì)的氣化,水蒸氣和生物質(zhì)創(chuàng)造了機會的當量比對產(chǎn)物中氫含量的影響最大(4)采用生物質(zhì)與煤共氣化制氫技術(shù),利用現(xiàn)近20年來,生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)在我國的研有的煤氣化制氫設(shè)備,降低了設(shè)備投資。究也取得了可喜的成果,中科院廣州能源所、中國參考文獻農(nóng)機院及山東能源研究所等已成功研制出各種生物質(zhì)氣化制氫裝置。中科院廣州能源所的吳創(chuàng)之等對1]陳冠益,李強,王福全等·生物質(zhì)熱解氣化制取氫氣生物質(zhì)富氧氣化制氫技術(shù)進行了一系列的研究。天[J.太陽能學(xué)報,200425(6)津大學(xué)陳冠益等對生物質(zhì)在固定床中直接熱解制氫[2]丁福臣,易玉峰.制氫儲氫技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出進行了研究,結(jié)果表明,催化劑及其負荷量對生物版社,2006質(zhì)熱解產(chǎn)率具有重要的影響。天津科技大學(xué)的王昶[3]劉榮厚牛衛(wèi)生張大雷.生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)[M等開發(fā)了連續(xù)低溫催化生物質(zhì)制氫技術(shù)。北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005[4]劉廣青董仁杰李秀金等,生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)[M]2.2生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)的前景分析北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009隨著生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)的日趨成熟及煤和天然氣資源的日趨短缺,以及人們對生存環(huán)境質(zhì)量要求的作者簡介:唐慶杰(1969-)男,博士,副教授,主不斷提高,生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)將逐漸體現(xiàn)出其獨有要中國煤化工咒與教學(xué)工作。的優(yōu)越性。盡管生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)日趨成熟,但制CNMHG約其發(fā)展的因素依然很多,最主要的因素就是氣化產(chǎn)賁任編輯張轂玲)100中國煤炎第36卷第7期2010年7月