含碳能源直接制氢的实验研究

传统的含碳能源利用方式带来严重的区域环境污染（粉尘、SO2和NOx）和大量CO2排放。国际上对CO2排放导致的温室效应加剧的持续关注,对我国能源的发展产生了巨大压力。氢能以其清洁、高效、利用形式多样等诸多优点,越来越赢得人们的青睐,在未来有望成为主要的终端能源之一;氢是二次能源,需要从一次能源中制取;以含碳能源制取氢能同时控制污染物和二氧化碳排放的能源系统将在氢能体系发展的中期和以后化石能源为主要氢源的能源体系中发挥重要作用,具有广泛的应用前景。 根据“直接制氢,矿石固化CO2”的研究思路,本文在定容实验的基础上建立了直接制氢的定压实验装置,并在该装置上对反应温度、压力、钙碳比等条件对连续制氢的影响和操作条件的要求进行了实验研究: 1.以定容实验为主要手段,综合在高压反应釜上取得的数据,对适合直接制氢的反应条件进行了探索,考察了温度、钙碳比、实验用煤的灰分等因素对反应的影响,确定了直接制氢过程中的工作条件,为连续实验装置的设计和运行提供了基础的数据和依据。 2.根据定容实验的结果,通过设计计算,确立了连续直接制氢实验系统的流程参数和主反应器的特征参数,进而确定了实验装置的各主辅系统参数。详细设计了各主辅设备,包括反应器、干粉给料系统、蒸汽发生器、气固与气液分离等;建立了含碳能源直接制氢的定压连续实验装置。 3.解决了干粉加压给料堵塞、卡涩等问题形成了自己的干粉加压进料的手段和方法;通过调试,总结出完整的实验操作要点和步骤,为连续制氢的实验顺利展开创造了条件。 4.采用流通式反应的形式,以忻州烟煤为原料,研究了在反应气体存在条件下,持续升温过程中的反应产气情况。结果表明在一定的压力下,直接制氢的反应存在着一个温度的敏感区,低于此温度,反应进行得缓慢,氢产量很低,而在此温度以上反应产物中的氢含量明显增加。实验表明3MPa以上的压力下,在温度650℃以上,氢的产量才开始有较大的提高。 5.采用连续供料的喷动床形式实现了加压条件下,固体反应物料和气化剂向反应器内的连续的供应和产品气的连续输出,实现了连续制氢的过程,并以忻州煤为原料,对钙碳比、温度、压力等因素对反应的影响进行了实验研究: a)在3MPa压力下对不同的钙碳比进行了实验研究,发现钙碳比为1.0时具有较高的氢产量,而在低的钙碳比下,反应的产气量很少,而且产品气中的H2/CH4较低;而在钙碳比为1.5时反应产品气中的氢产量也不高,认为主要是在反应器内发生了固体物料的结团。 b)对不同的温度对反应的影响进行了研究,结果表明随着温度的升高,气体产量升高,在600℃-700℃的温度范围内,氢的含量随着温度的提高而提高,但是在800℃的高温条件下,反应气体中的氢含量下降,而二氧化碳含量提高,显示在高温环境中,二氧化碳的吸收反应受到抑制。甲烷含量随温度的提高呈下降的趋势。 c)对在不同的压力下进行了直接制氢的实验,表明在实验压力范围提高压力对连续直接制氢是有利的。 d)对反应过程中的硫化氢和氨的检测表明,在直接制氢过程中伴随着硫化氢和氨的产生。硫化氢的量与反应的温度和压力相关,温度越高水蒸气压力越大,硫化氢产量越高。典型工况下,硫化氢只有5ppm;氨的含量与温度和压力相关,压力升高氨含量升高,而温度的升高也提升了氨的含量,认为主要是吸收剂的存在降低了低温下氨的含量。直接制氢过程中温度、压力、反应物料中的钙碳比都对物料的结团产生影响进而也对操作条件的选择提出了要求。