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“化工动力多联产与温室气体减排”方向研究进展
发稿时间:2015-05-14         作者:冀晓洲 李胜 张筱松 高林          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  中科院工程热物理所分布式供能研究团队在煤基化工-动力多联产节能机理、关键技术研发、及系统集成与优化等方向开展了相关工作,进展如下: 

  一、机理研究层面 

   采用分析方法,研究了多联产系统的损失分布规律,发现并揭示了化工合成过程损失在高化工转化率时的“能耗拐点现象”。 

  针对联产系统CO2捕集,从燃料转化过程中吉布斯自由能转化利用思路出发,探索了燃料转化过程中吉布斯自由能损失规律与CO2的富集机制,阐明了吉布斯自由能利用和CO2分离能耗之间的耦合关系,进而揭示联产系统CO2捕集能耗最小化机理。研究机理表明,通过燃料的适度转化,可避免燃料转化过程中过高的吉布斯自由能损失,实现燃料转化反应的吉布斯自由能利用并富集CO2,能够达到能源系统化学能梯级利用和降低CO2分离功的双重目的,实现二者的有机耦合。 

  二、关键技术研发 

  开展三项关键技术研发:关键化工合成过程的催化剂及工艺研发、低能耗CO2分离技术、新型煤气化技术。 

  针对多联产系统中涉及到的合成反应,开发了用于甲烷化的镍基催化剂。甲烷化反应的温度区间为350700℃,该催化剂在此温度区间内能够保持良好的催化活性、热稳定性及机械强度等。 

  开发了利用碳酸钾溶液结晶法脱除CO2的工艺。对于传统的碳酸钾溶液吸收工艺,由于富液中含有大量水分(一般约60%~70%),溶液再生时需要消耗大量的热量用以水分蒸发,导致CO2再生能耗高。而碳酸钾溶液结晶法吸收工艺利用碳酸钾的结晶特性,将碳酸钾富液结晶浓缩后再送入再生塔,大幅降低了再生塔由于水分蒸发而带来的热量浪费,该工艺可使CO2再生能耗低到传统工艺的40%~60% 

  另外,还开展了“煤炭碳氢组分分级气化”新型煤气化技术的研发与实验验证。该技术已经完成了部分煤种测试及反应条件测试。目前,正在搭建小规模的实验装置,有望在数月内完成小规模调试。  

    三、系统集成与创新: 

  通过流程创新,提出了化工未反应气适度循环型、无调整适度循环型、以及回收CO2的多个联产系统。研究表明,相对于带CO2捕集的IGCC 和化工单产系统,回收CO2 的联产系统具有良好的节能效果,在设计条件下系统相对节能率可达14%~21%。通过化工未反应气适度循环,回收CO2 的联产系统能够避免化工合成单元能耗随转化率急剧上升的现象(“拐点现象”),同时实现CO2的富集,存在最佳化工循环倍率,使得联产系统热力性能最佳。联产系统相对于IGCCSNG分产系统的吉布斯自由能收益可抵消CO2的分离功,实现负能耗代价捕集CO2 

  目前相关工作已获得多项授权专利,研究成果已在Environmental Science and Technology, Applied Energy, ASME Transactions等多个国内外著名期刊上发表。 

 
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