煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術

煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術我國以煤為主的能源結(jié)構短期內(nèi)不會改變，現(xiàn)有燃煤發(fā)電技術主要利用煤炭在空氣中的燃燒放熱，將煤炭化學能轉(zhuǎn)化為熱能加熱水-蒸汽用于做功-發(fā)電；常規(guī)煤氣化技術主要利用煤炭在空氣中的部分氧化-氣化反應制取合成氣。上述兩類轉(zhuǎn)化利用過程中煤的能量品質(zhì)損耗大，且不可避免地生成大量SOx、NOx、固體顆粒物、重金屬污染物及低濃度溫室氣體等，減排成本高，急需研發(fā)一種全新的煤炭清潔高效發(fā)電及轉(zhuǎn)化利用技術，解決我國可持續(xù)發(fā)展面臨的能源短缺和環(huán)境污染兩個重大難題。煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電”的技術原理圖1超臨界水煤氣化制氫發(fā)電原理圖AA交通大學動力工程多相流國家重點實驗室獨創(chuàng)性地提出一種以水相環(huán)境煤氣化為核心的新型煤制氫及發(fā)電理論與技術[1]，它利用水在超臨界狀態(tài)（溫度和壓力達到或超過臨界點374.3°C/22.1MPa）下一系列獨特的物理化學性質(zhì)，將超臨界水用作煤氣化的均相、高速反應媒介，將煤中的氫、碳元素氣化轉(zhuǎn)化成為h2和CO2，并將部分水分解為氫氣，從而實現(xiàn)煤的高效、潔凈轉(zhuǎn)化利用（圖1）過程中煤里所含的N、S、金屬元素及各種無機礦物質(zhì)在反應器內(nèi)凈化沉積于底部以灰渣形式間隙排出反應器；已溶解有h2和CO2等氣體的超臨界混合工質(zhì)離開氣化反應器后可以供熱、供蒸汽并分離得到高純H2和CO2等產(chǎn)品，也可以將其中的H2等可燃氣體燃燒放熱后生成H2O和CO2超臨界混合工質(zhì)引入輪機直接做功帶動發(fā)電機發(fā)電。在獲得清潔能源h2和電的同時，從源頭上實現(xiàn)NOx、SOx的零排放和CO2的資源化利用，其發(fā)電和制氫效率遠高于傳統(tǒng)燃煤或煤氣化技術，而一次投資和運行成本在大型化后也將低于傳統(tǒng)技術。再分議凈化再分議凈化25MPa.制叮工iXt°C1混合工嚴遺平5kPa-25MPa,3制叮工iXt°C1混合工嚴遺平5kPa-25MPa,35-700rC雄電機發(fā)電氣憂2SMPa,600-700TC補熱時’型f常溫.常屋—\ /也循環(huán)悽田二縮水抑落 象25MPa.20'&00'C灰漬圖2超臨界水煤氣化制氫發(fā)電工藝流程簡圖AA交通大學動力工程多相流國家重點實驗室自1997年開始系統(tǒng)研究了煤、生物質(zhì)及有機廢棄物的超臨界水氣化制氫，初步揭示了超臨界水氣化反應動力學規(guī)律及多相催化機理［2］，建立了超臨界水氣化制氫熱力學模型［3］，提出了“超臨界水煮煤能源轉(zhuǎn)化［1］”、“連續(xù)式超臨界水氣化流態(tài)床反應器［4-7］”等全新原理和技術。相關研究獲得了一系列具有自主知識產(chǎn)權的核心關鍵技術，成功實現(xiàn)了驗證性小型工業(yè)化系統(tǒng)的實驗示范；已建成5個反應器模塊并聯(lián)，同時將加料、氣化、除渣工藝集成為一體的連續(xù)生產(chǎn)小型示范試驗樣機，以及以超臨界水相完全還原氣化煤為核心的新型高效氣化制氫完整流程工藝技術的集成與長時間連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)實驗，連續(xù)運行時間1000小時以上，累計運行時間4000小時以上，其煤漿混輸濃度大于40%，碳氣化率達95~100%，產(chǎn)氣中氫氣含量大于60%，得到了反應器的進口溫度、壓力；反應器煤漿進口流量、預熱水進口流量；排渣的周期、排渣量以及渣成分；產(chǎn)氣的組分和各組分產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，驗證了大型工業(yè)化應用技術路線的可行性。2012年起，AA交通大學聯(lián)合清華大學、浙江大學、東方電氣集團、陜西煤業(yè)化工集團、西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等單位組建了“煤的新型高效氣化與規(guī)模利用協(xié)同創(chuàng)新中心”，隨后南京理工大學、中科院工程熱物理研究所、東南大學蘇州研究院及大連理工大學等相關優(yōu)勢團隊陸續(xù)加入，協(xié)同推進煤炭超臨界水氣化產(chǎn)氫及超臨界h2o/co2混合工質(zhì)熱力發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的理論研究、大型工程化技術攻關示范與大規(guī)模工業(yè)化推廣應用。目前，“煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/cO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)基礎研究”項目(2016YFB*******)已獲得2016年度國家重點研發(fā)計劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術”專項立項支持，該項目將以煤炭潔凈高效轉(zhuǎn)化利用為目標，創(chuàng)建在煤電、煤化工領域具有引領、變革意義的新型煤炭潔凈高效制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)的科學理論與技術體系，建立從煤炭超臨界水氣化制氫反應器、高濕/高CO2氣氛下氫氣燃燒器到超臨界H2O/CO2混合工質(zhì)輪機熱力發(fā)電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設計理論、方法和系列關鍵技術，完成新型系統(tǒng)及樣機的概念設計，并使系統(tǒng)效率達到50%以上，為大型工程示范和大規(guī)模工業(yè)化應用奠定堅實基礎。超臨界水煤氣化制氫耦合發(fā)電技術是一個典型的利用原創(chuàng)技術使傳統(tǒng)煤炭利用產(chǎn)業(yè)形成革命性的技術突破，將在我國國民