气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究.doc

项目名称：气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究首席科学家：谢克昌太原理工大学起止年限：2023.12至2023.11依托部门：教育部一、研究内容1.1项目总体设想国内外现有的多联产模式均是以单一煤气化为气头，通过CO变换反映调整粗煤气中的碳氢比以满足合成部分的需要，这不仅增长了系统和技术的复杂性，导致了能量的损耗，并且增长了CO2排放（每产生一分子氢，就会产生一分子的二氧化碳）。另一个不容忽视的现实是如前文所述，我国的焦炭生产量、消费量、出口量均居世界第一位，但大量的焦炉煤气得不到有效运用。按全国年产2亿吨焦炭计算，除用于回炉燃烧和少量发电外，尚有近290亿Nm3的焦炉煤气未得到运用而排放，相称于耗资1200亿元的西气东输一期工程120亿Nm3/年送气量的2.4倍。本项目建议的联产系统充足地考虑了这一现状，选择了现有的有也许形成自主知识产权的大规模煤气化技术，将气化煤气富碳、焦炉煤气（热解煤气）富氢的特点相结合，采用创新的气化煤气与焦炉煤气共重整技术，进一步使气化煤气中的CO2和焦炉煤气中的CH4转化成合成气，这样，不仅可以提高原料气的有效成分，调解氢碳比，并且可以免去CO变换反映，实现CO2减排，并减少能量损耗。1.2关键科学问题和研究内容1.2.1双气头多联产系统中煤的大规模气化工程理论基础目前我国大型煤气化技术完全依赖进口，以Texaco水煤浆和Shell干粉煤气化技术为主，两者均属加压气流床气化技术，因其有效气体含量（80%~90%）、冷煤气效率（75%~83%）、碳转化率（95%~99%）、单炉生产能力（500~2023吨/日）高等优点而倍受青睐。但同时存在巨额投资、煤种适应性差和运营成本高等问题。灰熔聚粉煤流化床与气流床气化技术相比，气化温度适中(1000℃~1100℃)；氧耗低（约20%~30%）；煤种适应性宽，特别适合我国煤高灰、高灰熔点的特点；气化炉材料规定低，投资少（约节省50％），操作费用低。但尚存（1）操作压力低，单炉解决能力低；（2）飞灰带出较多，碳转化率较低等问题。综合考虑国内外技术现状，以及本多联产系统的特性，应当发展以高压“低温”流化床气化为主体，耦合CFBC或近灰熔点高温气流床气化，在满足煤气化过程效率最高的热力学和动力学条件，在减少氧耗、煤耗，达成系统的高转化率的同时，匹配焦炉煤气。为此，必须建立双气头多联产系统中煤的大规模气化工程理论基础论，它涉及流化床气化与近灰熔点气流床气化耦合系统、流化床与CFBC耦合系统的构建及工程放大原理，大型加压流化床气化炉及其耦合系统内的流动、传热、传质及反映与结构尺寸的关系和影响因素、参数的优化和模拟，以及与焦炉煤气的工艺匹配等。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：加压大尺寸流化床及与气流床耦合煤气化系统的构成和验证，器内的流动、传热、传质及反映与结构尺寸的关系和影响因素；加压气化过程数学模型建立及操作参数优化和分析；中国典型动力煤种和流化床飞灰半焦在高压近灰熔点温度条件下的气化动力学工程特性研究；加压气化过程煤灰低熔点共融物形成机理及分离特性研究；大型高温高压旋风分离器的捕集效率研究、细粉流动特性及在线循环系统操作特性研究。1.2.2高温炭存在下焦炉煤气和气化煤气重整反映规律及无变换调氢在以煤化为源头的单纯的合成过程中，合成气要通过变换反映排出CO2调整H2和CO的比例达成合成单元高转化率的规定。在本多联产系统中采用在高温炭体系CH4-CO2重整反映将焦炉煤气中CH4和气化煤气中CO2重整来调整合成气中H2和CO的比例，无需变换反映，从而实现CO2减排。在高温炭体系中，焦炉煤气和气化煤气中CH4、CO2、CO、H2、H2O和C等物种形成了一个复杂反映体系。其特点是高温、多组分、多杂质（焦油和S）和多反映。在这个体系中有许多影响因素，如（1）高温炭的原始煤种、比表面积、孔结构和所含矿物质种类、结构等；（2）化学反映过程、CO2、CH4的吸附、解离和脱附以及在这些过程中，高温炭（或矿物质）与CO2的作用机理等；（3）焦炉煤气、气化煤气在高温炭体系中的流体力学、传质、传热规律。研究和理解这种复杂体系中高温炭的“催化”本质是实现本多联产工艺低能耗免变换和CO2减排的关键。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：气化煤气与焦炉煤气复杂体系中CH4-CO2高温炭（或矿物质）催化重整反映机理和动力学研究；CO2、CH4的吸附、解离和脱附机制；高温炭与CO2或形成表面络合物的形式和数量与转化速率的关系；结合各种表征手段提出控制转化反映活性的关键因素；原始煤种、比表面积、孔结构、微观结构和所含矿物质催化性能的影响，揭示高温炭“催化”作用的实质；反映气混合流场结构、温度场分布模型、传质和传热过程及强化操作的影响等重整转化工程理论；等离子体射流反映器中射流与反映气体之