U型两段富氢气化重整制取还原气技术

2022-11-11 14:46:43 作者:{} 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

富氢气体制备品质和经济性是氢冶金技术推广应用的关键之一,开发与直接还原铁工艺适配性好的富氢高还原势气化技术具有重要意义。
 

王涛1,周滨选1,马春元1,朱子霖2,潘峰2,张鑫2

1.   山东大学能源与动力工程学院,燃煤污染物减排国家工程实验室,

环境热工技术教育部工程研究中心,山东省能源碳减排技术与资源化利用重点实验室

2.   山东祥桓环境科技有限公司


1 研究背景

采用H2或富氢气体为还原剂的气基竖炉直接还原工艺,与传统长流程炼铁工艺相比,可减少二氧化碳排放40~65%、减少SO2排放约30%,是当前冶金行业实现“碳达峰、碳中和”的优选方案。短期内气基直接还原竖炉工艺将会是我国主流氢冶金技术手段,而富氢气体制备品质和经济性是氢冶金技术推广应用的关键之一。目前,我国氢气来源以煤制氢气为主(灰氢),占比高达63.5%,工业副产制氢21.2%,天然气制氢13.8%,水电解制氢占比仅为1.5%。煤气化仍是氢气/富氢气体制备的主要技术途径。

据不完全统计,我国现有煤气化专利商或声称拥有煤气化技术的公司超过30家,煤气化工艺种类繁多。按照原料形态的不同可分为块煤气化、粉煤气化和水煤浆气化等工艺。按照气化炉形式可以分为固定床、流化床、气流床气化工艺,其中气流床气化符合大型化的发展趋势,是技术发展的主要方向。现有成熟的煤气化技术多为化工行业配套生产合成气,通常为加压气化(压力4~6MPa),生产的煤气与直接还原铁工艺的适配问题仍待解决。开发与直接还原铁工艺适配性好的常压或微正压富氢高还原势气化技术具有重要意义。

2 U型两段富氢气化技术的特点与优势

山东大学提出并开发了U型两段富氢气化重整制还原气技术,系统工艺流程如图1。主体设备分为高温段和低温段两段,呈U型结构。高温段为气化段,采用空气、富氧或纯氧和水蒸汽为气化剂,高温循环焦为气化料,辅以原煤,生产高温煤气,液态排渣。高温段出口采用循环煤气调温调质。低温段为重整段,煤粉喷入高温煤气中,煤粉热解和部分气化,煤气重整富氢,煤热解产生的高温粉焦返送高温段气化。



该技术具有如下优势:

(1)技术可靠性好:制粉、输送、给煤喷嘴、炉膛结构、排渣、分离器核心关键零部件均借鉴煤粉燃烧技术,技术成熟,工业水平高,喷嘴寿命长达4年以上。

(2)煤种适应性好:理论上适用所有煤种。热焦循环,气化剂高温预热,气化温度高,保证液态排渣,大大提高煤种适应性;水冷壁内衬,“以渣抗渣”;可用低灰熔点劣质煤。

(3)碳转化率高:综合碳转化率≥98%,细焦/残碳回送高温段再气化/燃烧,无残炭外排;气化温度高、液态排渣,所有损失仅在液态排渣;旋流给粉喷嘴,强化气固混合,提高碳转化率。

(4)有效成分含量高:高温段为煤焦水蒸气气化,产生高温合成气;低温段为煤粉热解气化重整,H2等有效气含量高;煤/焦采用煤气输送,减少无效气含量,进一步提高H2含量。

3 U型两段炉制备富氢还原气品质分析

为对比U型两段式气化在制备富氢还原气方面的优势,采用Aspen Plus软件模拟计算相同气化条件的两段气化与单段气化工艺,分析还原气品质。计算采用神华煤,其工业分析和元素分析如表1所示。



单段和两段气化平衡计算的汇总结果如表2所示,比较可得,采用两段气化,无论是空气气化还是纯氧气化,所得还原气中有效气(H2+CO)的比例均增加了,还原气的还原势(H2+CO)/(H2+CO+H2O+CO2)随之增加。其中,空气气化中,还原气还原势由单段气化的82.49%增至了91.47%;纯氧气化中,由94.34%增至了99.13%。另外,两段气化的富氢效果明显,空气气化中,还原气中H2浓度由单段气化的9.36%提高至两段气化的16.29%;纯氧气化中由27.53%提高至33.22%。从单位原料煤的产氢率也能反映出两段气化的富氢效果,空气气化中,单段气化的产氢率为0.0391 kg/kg,两段气化的为0.0584 kg/kg,较单段气化的提升了49.4%;纯氧气化中,单段气化的产氢率为0.0502 kg/kg,两段气化的为0.0595 kg/kg,较单段气化的提升了18.5%。
 

4 结论
……

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