《蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫的技術(shù)規(guī)范》編制說(shuō)明

1《蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫規(guī)范》編制說(shuō)明一、標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性固廢物資源綜合高效利用是我國(guó)構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的重要組成部分，是助力實(shí)現(xiàn)雙碳政策、建設(shè)美麗中國(guó)的重要支持。湖南省、陜西省每年可用固廢物生物質(zhì)約冶金、化工、國(guó)防中應(yīng)用廣泛，采用生物質(zhì)氣化制取的含氫燃?xì)饩哂锌沙掷m(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)有生物質(zhì)氣化所產(chǎn)生的生物燃?xì)庵蠧O2含量高，H2產(chǎn)量低。因此，尋求一種低能耗下生物質(zhì)氣化同時(shí)制備低CO2含量、高H2燃?xì)獾姆椒ㄖ档醚芯??？紤]到煤化工行業(yè)中煙煤在650℃下熱解所產(chǎn)蘭炭在出爐時(shí)需冷卻至室溫，而現(xiàn)有水冷熄焦方法造成大量蘭炭熄焦余熱被棄置不用，若將蘭炭熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制取含氫燃?xì)?，將有效發(fā)揮“以可再生能源生物質(zhì)、工業(yè)余熱和廢渣的資源化綜合利用是國(guó)家《“十四五”節(jié)能減排《完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策實(shí)施意見(jiàn)》和《湖南省“十四五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《湖南省“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》的重要任務(wù)和重點(diǎn)內(nèi)容。我國(guó)將大力創(chuàng)新農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用機(jī)制，完善生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用扶持政策，推動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村節(jié)能減排工作；通過(guò)開(kāi)展工業(yè)余熱資源化利用，開(kāi)展新能源和節(jié)能應(yīng)用，如果能將余熱用于生物質(zhì)氣化制氫，對(duì)推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、企業(yè)節(jié)能減排有著一舉多得的現(xiàn)實(shí)意義。氫氣作為綠色能源的重要組成部分，其替代應(yīng)用可為節(jié)能減碳開(kāi)拓新途徑，減少傳統(tǒng)化石燃料利用產(chǎn)生的碳排放。余熱用于生物質(zhì)氣化制取氫氣在工業(yè)中的應(yīng)用，一方面解決傳統(tǒng)燃料能耗高、性能指標(biāo)難以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。另一方面可解決大量固體顆粒、爐渣排放產(chǎn)生的余熱引起的能源浪費(fèi)。本標(biāo)準(zhǔn)制定符合國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，促進(jìn)了生物質(zhì)氣化制氫低碳化應(yīng)用，推動(dòng)了煤化工行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，優(yōu)化了蘭炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局，促進(jìn)蘭炭余目前關(guān)于蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫尚沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可供參考，國(guó)外也沒(méi)有類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒，導(dǎo)致蘭炭低溫熄焦余熱在生物質(zhì)氣化制氫中缺乏應(yīng)用，影響了蘭炭生產(chǎn)行業(yè)的持續(xù)、良性的發(fā)展，因此亟須對(duì)蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，并形成一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)予以規(guī)范。這種規(guī)范有助于統(tǒng)一2及提高余熱在生物質(zhì)氣化制氫中的應(yīng)用，對(duì)未來(lái)行業(yè)二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及依據(jù)2、參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過(guò)程中著重考慮了科學(xué)性、適用性和可操作三、項(xiàng)目背景及工作情況（一）任務(wù)來(lái)源根據(jù)《中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》的有關(guān)規(guī)定，經(jīng)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)及相關(guān)專家技術(shù)審核，批準(zhǔn)《蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，計(jì)劃編號(hào)為：CI2023398。本標(biāo)準(zhǔn)由?？冢ǘ?biāo)準(zhǔn)起草單位本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位是海口圖騰新能源應(yīng)用研發(fā)有限公司，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)文檔起草及相關(guān)文件的編制等。榆林學(xué)院、西安交通大學(xué)、中南林業(yè)科技大學(xué)、神木市興義源物資貿(mào)易有限公司、榆林市天龍鎂業(yè)有限責(zé)任公司、府谷縣新田鎂合金有限責(zé)任公司、陜西雙翼煤化科技實(shí)業(yè)有限公司、湖南汽車(chē)技師學(xué)院、湖南楚境科技有限公司、桂林航天工業(yè)學(xué)院參（三）標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程及相關(guān)工作計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)前，標(biāo)準(zhǔn)編制小組查閱、研讀相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，廣泛搜集生物質(zhì)氣化在煤化工行業(yè)中應(yīng)用的相關(guān)材料。同時(shí)，多次與生物質(zhì)能源、煤化工等相關(guān)行業(yè)人員進(jìn)行調(diào)研、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)通知公示后，標(biāo)準(zhǔn)編制小組首先組織了標(biāo)注制定工作會(huì)議，各編寫(xiě)人員根據(jù)工作計(jì)劃分工和編寫(xiě)要求開(kāi)展了相關(guān)工作。在標(biāo)準(zhǔn)起草期間，編制小組主編單位及參編單位組織了數(shù)次內(nèi)部研討會(huì)和專家咨詢會(huì)，經(jīng)過(guò)多次修改，于2023年9月完成了標(biāo)準(zhǔn)初32023年10月標(biāo)準(zhǔn)編制小組先后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議、電話、微信等多種形式征集行業(yè)專家相關(guān)意見(jiàn)和建議。針對(duì)征集的意見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)編制小組召開(kāi)了研討會(huì)，將收集到的意見(jiàn)進(jìn)行匯總處理分析，在充分吸納合理意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，先后修改和完成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，于2023年11月底根據(jù)在各單位反饋意見(jiàn)基礎(chǔ)上，形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿并由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)提交全國(guó)標(biāo)（四）主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，起草單位開(kāi)展了大量蘭炭低溫熄焦余熱用于生物質(zhì)氣化制氫的基礎(chǔ)研究工作，在生物質(zhì)燃?xì)獾男阅苤笜?biāo)、凈化、生物質(zhì)氣化及CO2排放等方面積累了寶生物質(zhì)氣化需要外界持續(xù)提供熱量實(shí)現(xiàn)分子鍵的裂解、重組，添加水蒸氣是促進(jìn)氣化反應(yīng)、提高氫氣產(chǎn)量、增加生物炭微孔數(shù)量、提升燃?xì)鉄嶂档挠行侄巍，F(xiàn)有水蒸氣多來(lái)源于購(gòu)買(mǎi)，生物質(zhì)氣化熱多用外加電源，提高了生物質(zhì)氣化過(guò)程能耗。考慮到蘭炭廠中的大量熄焦余熱（650℃),本技術(shù)采用熱管回收蘭炭熄焦余熱來(lái)獲得高溫氣流、水蒸氣供給生物質(zhì)氣化來(lái)降低能耗。由于重力熱管需要在啟動(dòng)、運(yùn)行中保持較高真空度來(lái)實(shí)現(xiàn)高效力熱管封閉在內(nèi)部，抽真空和維持高真空不易操作、監(jiān)測(cè)；迫切需要技術(shù)改造使其在不抽在不抽真空時(shí)，重力熱管實(shí)現(xiàn)高效回收余熱獲得高純度蒸汽的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)不凝氣從蒸汽中的分離，其技術(shù)發(fā)明原理是：不對(duì)重力熱管抽真空，系統(tǒng)內(nèi)部的氣相空間中充滿空氣和工質(zhì)因加熱而溢出的不凝氣，利用從蒸發(fā)段涌入絕熱段的蒸汽流將不凝氣攜帶到冷凝段；在熱質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)下，利用部分蒸汽在液膜表面冷凝將不凝氣積聚在冷凝段下游；在蒸汽流和不凝氣之間擴(kuò)散流動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡作用下，利用持續(xù)蒸汽流驅(qū)趕液膜表面積聚的不凝氣使其全部進(jìn)入冷凝段下游，實(shí)驗(yàn)測(cè)量該處不凝氣分壓比高達(dá)97%以上，通過(guò)在冷凝管末端加裝儲(chǔ)氣室收納不凝氣并將其定期排放，來(lái)實(shí)現(xiàn)不基于此原理，設(shè)計(jì)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一種高效低阻熱管余熱回收裝置”，如圖1所示。根據(jù)所需要的蒸汽量和釋熱量，給定66%系統(tǒng)充液率時(shí)相對(duì)應(yīng)的不凝氣量來(lái)設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣室的液位高度、氣相空間容積和冷凝段尺寸，通過(guò)維持冷凝空間壓力高于2~3倍4大氣壓來(lái)提高儲(chǔ)氣室收納、分離、排放不凝氣的能力，以此優(yōu)化不抽真空重力熱管的余熱回收率。根據(jù)兩相邊界層模擬和衰減因子法，實(shí)驗(yàn)和理論分析了管內(nèi)蒸汽膜狀冷凝中不凝氣的擴(kuò)散軌跡，獲得不凝氣分壓比沿軸向的分布規(guī)律，揭示了蒸汽對(duì)流和不凝氣擴(kuò)散流動(dòng)的相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，通過(guò)建立蒸汽流動(dòng)前沿和不凝氣聚積區(qū)的關(guān)系，得到了影響蒸汽純度的關(guān)鍵因素；給定不同冷凝負(fù)荷下的運(yùn)行壓力可保持在2~6atm，儲(chǔ)氣室的氣相容積為系統(tǒng)初始不凝氣容積的0.17~0.5倍，余熱回收率在90%以上。與抽真空重力熱管相比，維持高圖1低阻高效熱管余熱回收裝置圖2管內(nèi)不凝氣的積聚規(guī)律水蒸氣通入生物質(zhì)氣化中可有效提高H2產(chǎn)量，然而，生物燃?xì)庵械乃魵夂扛哌_(dá)20%以上，造成燃?xì)鉄嶂档南陆岛陀脩羧細(xì)夤艿赖母g，因此，有效脫除生物燃?xì)庵械乃畯?qiáng)化水蒸氣冷凝。其技術(shù)發(fā)明原理是：充分發(fā)揮生物燃?xì)庵胁荒Y(jié)組分的空化效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化基于此原理，研發(fā)了文丘里耦合套管的水蒸氣雙極冷凝技術(shù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一種采用空化效應(yīng)強(qiáng)化含不凝氣體的蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)裝置”。研發(fā)了用于脫除生物燃?xì)庵兴魵獾难b置，見(jiàn)圖3。提出了提高文丘里管內(nèi)真空度的技術(shù)參數(shù)和文丘里管設(shè)計(jì)方案，通過(guò)直接接觸冷凝和膜狀冷凝的耦合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水蒸氣的高效脫除，其技術(shù)特征為：將文丘里管的燃?xì)獬隹谂c套管冷凝器入口連接，生物燃?xì)馀c垂直水柱在文丘里管內(nèi)同向垂直流動(dòng)接觸，水蒸氣冷凝完成一級(jí)脫除；然后水蒸氣在套管冷凝器內(nèi)通過(guò)發(fā)生不凝燃?xì)庖鞯哪罾淠欢?jí)脫除，如圖4。根據(jù)一系列正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析得到：凈化5后生物燃?xì)鉄嶂翟?7.2~19.1MJ/kg，與未凈除水蒸氣的生物燃?xì)鈴奶峒冊(cè)偕业捻敳克腿?，?jīng)過(guò)若干級(jí)分子篩吸附脫除后被提純，然后交替通入空氣流令分子篩再生，如此循環(huán)交替使用。由此，可進(jìn)一步將生物燃?xì)庵械腍2圖3文丘里管內(nèi)蒸汽直接接觸冷凝圖4套管內(nèi)生物燃?xì)庵姓羝哪Y(jié)脫除目前生物質(zhì)在低溫下熱解的主要產(chǎn)品為生物炭或生物油，在高溫下氣化的主要產(chǎn)品為燃?xì)?。例如：生物質(zhì)采用水熱炭化法在溫度為300~600℃和壓力為1~2MPa物炭，高壓對(duì)設(shè)備密封的高要求使得制備成本升高，不回收燃?xì)庖苍斐蒀O2排放量升高。在常壓、500℃下熱解制備的生物油靜置容易分層、物化性能易衰減、易變質(zhì)；不考慮燃高效利用生物質(zhì)并減少CO2排放量的關(guān)鍵在于將余熱用于生物質(zhì)氣化熱、增加生物燃?xì)庵星鍧嵞茉碒2的含量、抑制CO2生成，有效提高副產(chǎn)品生物炭的性能。其技術(shù)發(fā)明原理是：采用蘭炭熄焦余熱制備制備高溫氣流和水蒸氣通入生物質(zhì)氣化中，通過(guò)添加無(wú)氧高氫含量的聚丙烯來(lái)增大生物質(zhì)氣化過(guò)程中的有效H含量和C/O比，提高生物燃?xì)庵械腍2產(chǎn)量，降低CO2生成量；將γ-Fe2O3納米催化劑與生物質(zhì)、聚丙烯均勻摻混熱壓成使聚丙烯氣化釋放的熱量用于生物質(zhì)氣化，提高生物質(zhì)中OH基團(tuán)脫除率，同時(shí)，生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的小分子自由基誘導(dǎo)聚丙烯分解為二聚體或單體，降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)生物質(zhì)和聚丙烯協(xié)同氣化，提高生物炭?jī)?nèi)部的微孔數(shù)量；利用塊料表面和內(nèi)部微孔對(duì)水蒸氣的物理吸附、納米催化劑γ-Fe2O3大比表面積和高活性位對(duì)氣體的吸附作用促進(jìn)生物質(zhì)氣化，增大生物炭?jī)?nèi)部微孔數(shù)量；而滯留在生物炭孔隙表面的γ-Fe2O3也增加了生物炭吸附重金屬離基于此原理，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“用于廢塑料和生物質(zhì)共熱解的真空度可調(diào)6裝置及使用方法”，根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論，揭示了納米催化劑γ-Fe2O3、聚丙烯、水蒸氣、真空度對(duì)含氫燃?xì)?、生物炭品質(zhì)和產(chǎn)量的調(diào)控機(jī)理；采用數(shù)值計(jì)算和正交實(shí)驗(yàn)耦合法，提出了獲得高品質(zhì)生物炭和高熱值燃?xì)獾淖顑?yōu)參數(shù)；通過(guò)在生物質(zhì)中添加6~12%質(zhì)量含量的聚丙烯、6~8%質(zhì)量含量的納米γ-Fe2O3催化劑和12~16%質(zhì)量含量的水蒸氣，在真空度為10~15kPa和氣化溫度300~500℃時(shí)生物燃?xì)庵蠬2體積分?jǐn)?shù)提高為35%~50%，生物炭產(chǎn)率提高為15~21%，燃?xì)鉄嶂堤岣邽?7.2~19.1MJ/kg。與無(wú)催化劑、聚丙烯、水蒸氣添加的生物質(zhì)氣化相比，生物燃?xì)庵蠬2含量提高約1.8~2.2倍，生物炭比表面積提高約1.1倍，圖5生物質(zhì)和聚丙烯協(xié)同共氣化機(jī)理圖6熱管余熱回收裝置在生物質(zhì)氣化中的應(yīng)用四、標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則五、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容本