一种基于Zn_ZnO的新型煤气化系统理论能效分析及其环境性能评估.pdf

书书书 第５ ８卷 第７期 化 工 学 报 Ｖ ｏ ｌ ． ５ ８ Ｎ ｏ ． ７ ２ ０ ０ ７年７月 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ （Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ０ ０ ７ 檭檭檭檭檭 檭檭 檭檭檭檭檭 檭檭 殐 殐 殐 殐 研究简报一种基于犣 狀／ 犣 狀 犗的新型煤气化系统理论 能效分析及其环境性能评估 吕 明，周俊虎，周志军，杨卫娟，刘建忠，岑可法 （ 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州３ １ ０ ０ ２ ７） 关键词煤气化；锌；氧化还原对；部分氧化法；太阳能 中图分类号ＴＱ５ ４ ６ 文献标识码Ａ文章编号０ ４ ３ ８－１ １ ５ ７（２ ０ ０ ７）０ ７－１ ８ ２ ２－０ ６ 犜 犺 犲 狅 狉 犲 狋 犻 犮 犪 犾 犲 狀 犲 狉 犵 狔犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犪 狀 犱犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犲 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犪狀 犲 狑 犮 狅 犪 犾 犵 犪 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狊 狔 狊 狋 犲 犿犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犣 狀 ／犣 狀 犗狉 犲 犱 狅 狓狆 犪 犻 狉 犔  犕 犻 狀 犵，犣 犎 犗 犝犑 狌 狀 犺 狌，犣 犎 犗 犝犣 犺 犻 犼 狌 狀 ，犢 犃 犖 犌 犠 犲 犻 犼 狌 犪 狀，犔 犐 犝犑 犻 犪 狀 狕 犺 狅 狀 犵，犆 犈 犖犓 犲 犳 犪 （犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犆 犾 犲 犪 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔犝 狋 犻 犾 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀，犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌３ １ ０ ０ ２ ７，犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ａ ｎ ｅ ｗ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆｃ ｏ ａ ｌｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｚ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ ｒ ｅ ｄ ｏ ｘ ｐ ａ ｉ ｒ狏 犻 犪ａ ｔ ｗ ｏ  ｓ ｔ ｅ ｐ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． 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耗功增加；此外，从污染物处理方面来看，为了实 现Ｃ Ｏ ２零排放，必须对Ｃ Ｏ２进行回收和处理，而 传统工艺中的产物气由于纯度问题在直接利用过程 中常常无法获得高浓度的Ｃ Ｏ ２，这对Ｃ Ｏ２的集中 处理埋存带来非常不利的影响［ ７］。 １ 基于Ｚ ｎ ／Ｚ ｎ Ｏ的新型煤气化制氢技术 与传统的部分氧化气化法以及后来发展起来的 接受体气化法不同，２ ０世纪末瑞士Ｐ Ｓ Ｉ研究所的 Ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ ｆ ｅ ｌ ｄ等 ［８］提出了一种全新的煤气化制氢工艺概 念。这种煤气化制氢技术以金属／金属氧化物对 （ 又称为金属氧化还原对）作为能量存储和转移的 介质，其制氢过程原理为 第一步碳热还原反应 Ｍ狓Ｏ狔＋狔→Ｃ狓Ｍ＋狔Ｃ Ｏ （１） 第二步产氢反应 狓Ｍ＋狔Ｈ２→ＯＭ狓Ｏ狔＋狔Ｈ２ （２） 在第一步吸热反应中，在碳的参与之下金属氧 化物Ｍ狓Ｏ 狔 被热力还原为金属单质Ｍ（ 或低价金 属氧化物Ｍ狓 ′Ｏ狔′） ，同时固体碳本身被气化生成 Ｃ Ｏ气体。在第二步放热反应中，金属单质 （ 或低 价金属氧化物Ｍ狓 ′Ｏ狔′）与水反应产生氢气和金属 氧化物Ｍ狓Ｏ 狔，产物中的金属氧化物又可以被回收 应用于第一步反应。此外，第一步反应所需的热量 可以通过煤的部分氧化或者太阳能热来获得。 这种两步式煤气化制氢系统的提出最初是为了 降低基于金属氧化还原对的两步式热化学制氢循环 系统对高温的要求 （ 需要至少２ ０ ０ ０Ｋ以上的还原 温度） ，由于与后者相比系统中除了水和氢、氧以 外还有其他物质的投入产出，没有形成理想中的封 闭循环，因此又被称为两步式热化学准循环制氢技 术［ ８］。与以往的煤气化制氢工艺相比，这种新型的 两步式制氢系统在制氢性能与产物气利用上都存在 着很大的优势。其最大的优点在于煤炭的气化过程 与制氢过程完全分开进行，从而无需进行产物气分 离就可以获得高纯Ｈ２以及高浓度的Ｃ Ｏ，这将非 常有利于未来氢能的应用需求以及对煤炭利用后期 Ｃ Ｏ２的捕集和处理。 目前，有关新型两步式煤气化制氢系统的相关 研究工 作 主 要 在 瑞 士 的Ｐ Ｓ Ｉ研 究 所 和 以 色 列 的 Ｗ Ｉ Ｓ研究所展开，其工作主要集中在对各种金属 及其氧化物性能的初步评估以及相关的基础理论及 实验研究上［ ８  １ ０］。目前还没有文献报道基于这种新 型煤气化技术的系统评估。 由技术原理可以看出，新型两步式煤气化制氢 工艺的技术核心主要有两点一是金属氧化物的碳 热还原过程，二是相应金属的水解过程。因此在选 择金属氧化还原对时，必须同时考虑到其金属氧化 物 的 碳 热 还 原 性 能 以 及 相 应 金 属 的 水 解 性 能。 Ｍ ｕ ｒ ｒ ａ ｙ等 ［９］对不同的金属氧化物的碳热还原性能 进行了实验评估，结果发现只有Ｆ ｅ ２Ｏ３、Ｚ ｎ Ｏ和 Ｍ ｇ Ｏ经过碳热还原能够获得游离金属产物；而 Ａ ｌ２Ｏ３、Ｔ ｉ Ｏ２、Ｓ ｉ Ｏ２、Ｚ ｒ Ｏ在惰性氛围下的碳热还 原过程中则有碳化物或者金属碳氧化物生成，不仅 如此，如果反应在Ｎ ２气氛下进行，还会较易产生 氮化物，如Ｔ ｉ Ｎ、Ｓ ｉ ３Ｎ４和Ａ ｌ Ｎ。而从化学反应动 力学来看Ｚ ｎ和 Ｍ ｇ 都有较好的水解性能［ １ １］。此外 还考虑到还原温度、系统运行压力等多重因素，本 文所设计的两步式煤气化系统最终选择Ｚ ｎ Ｏ／Ｚ ｎ作 为金属氧化还原对。由于第一步碳热还原反应是一 种高度吸热的化学反应，因此需要设计相应的加热 方式。本文在系统设计时同时考虑了两种加热方 案，一种是使用传统的碳部分氧化加热方法，即建 立自热式碳热还原反应器；另一种是使用新兴的太 阳能加热技术，即使用太阳能反应器。对基于这两 种加热方式而分别建立起来的两步式煤气化系统 ３２８１ 第７期 吕明等一种基于Ｚ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ的新型煤气化系统理论能效分析及其环境性能评估 （ 如图１所示） ，本文将分别进行理论能效评估和环 境性能评估，并对其流程各个环节由于不可逆性所 产生的火用损进行分析。 （ａ）ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｕ ｓ ｉ ｎ ｇｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ （ｂ）ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｕ ｓ ｉ ｎ ｇａ ｕ ｔ ｏ  ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ 图１ 基于Ｚ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ的两步式煤气化系统 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ２  ｓ ｔ ｅ ｐｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＺ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ （Ｓ １ａ ｎ ｄＳ ２ａ ｒ ｅｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔｍ ｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｆＲ １ａ ｎ ｄＲ ２ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ， Ｓ ３ ｉ ｓａ ｉ ｒ ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ） ２ 系统主要参数设计及其说明 对于本系统首先需要说明的一点是，从煤的气 化原理可以看出，其气化过程主要取决于煤中碳成 分对Ｚ ｎ Ｏ的还原反应，因此无论是从技术角度还 是从经济角度来看这种系统都偏向于使用含碳量较 高的煤种，如低硫低灰无烟煤，尤其适用于焦炭、 石油焦等含碳量极高的化石燃料二次产物。为了更 清晰地显示该系统的主要反应和流程，在系统流程 图中忽略了Ｎ、Ｏ、Ｈ、Ｓ等其他次要元素成分而 采用其主要成分Ｃ来代表煤，在后面的理论评估 中也做了相应的简化。 由于在系统设计时同时考虑了碳部分氧化加热 和太阳能加热这两种系统方案，为了便于进行系统 评估与比较，本文选择产氢量作为系统规模的指 标。考虑到目前热化学装置的生产能力，以及太阳 能集热系统和热能存储系统的规模，借鉴与参考其 他一些相似系统的设计经验，设计系统的氢气产量 被选为４ ０ｋ ｍ ｏ ｌｈ －１。以此为基础，系统主要设 备特性及其参数设计如下。 （ １）碳热还原反应器Ｒ １ 碳热还原反应器Ｒ １的设计参数主要取决于 Ｚ ｎ Ｏ的碳热还原反应，该反应已被广泛应用于锌 的火法冶炼技术［ １ ２］。根据化学热力学的计算结果， 常压下该还原反应的平衡温度约为９ ０ ４℃（ 此时反 应的Ｇ ｉ ｂ ｂ ｓ自由能等于零） 。温度越高，反应越容 易进行。当温度达到１ ０ ０ ０℃以上时就能获得较为 合理的还原速度［ １ ２］。而锌的气化温度为９ ０ ７℃，因 此在碳热还原反应中，产物Ｚ ｎ常呈气态。其化学 反应式为 Ｚ ｎ Ｏ（ｓ）＋Ｃ（ｓ→ ） Ｚ ｎ（ｇ）＋Ｃ Ｏ（ｇ） （３） 氧化锌的碳热还原反应是一个高度吸热的反应， １ ２ ０ ０℃时其标准反应焓约为３ ５ １ｋ Ｊｍ ｏ ｌ －１，整个 反应的表观活化能约为１ ８ ８～２ １ ６ｋ Ｊｍ ｏ ｌ －１［１ １  １ ２］。 从反应式 （ ３）中可以看出，降低系统压力有利于 反应平衡向左移动。但是负压运行对系统及其设 备、材料均提出了较为严苛的要求。综合考虑到以 上因素，碳热还原反应器Ｒ １的设计温度确定为 １ ２ ０ ０℃，设计压力为常压 （０ ． １ＭＰ ａ） 。 若Ｒ １采用自热式反应器，设计采用纯氧作为 氧化剂 ［ 如图１（ ｂ）所示，系统增加一个空气分 离装置Ｓ ３］ ，则反应器中部分碳将直接与氧反应生 成Ｃ Ｏ，如式 （ ４）所示。其反应过程的标准热效 应Δ犎２ ９ ８＝－１ １ １ｋ Ｊｍ ｏ ｌ －１。 Ｃ（ｓ）＋０ ． ５ Ｏ２（ｇ→ ） Ｃ Ｏ（ｇ） （４） 若Ｒ １采用太阳能反应器 ［ 如图１（ ａ）所示］ ， 则太阳能集热系统采用比较常见的中心塔式，其集 热效率约为２ ９％～５ ６％，热存储系统效率可以达 到９ ８ ． ８％，因此总的太阳能加热系统热效率约为 ２ ８ ． ６％～５ ５ ． ３％ ［１ ３］。 （ ２）分离器Ｓ １ 由于锌蒸气在９ ０ ７℃以下就会冷凝成为液态， 因此可以用部分冷凝的方式来分离碳热还原反应的 产物气。基于这种原理，设计分离器Ｓ １为一个非 接触式部分冷凝分离装置，通过Ｓ １将混合气冷却 到９ ０ ０℃左右，锌蒸气由于冷凝作用自动从气态产 物中分离出来。 ４２８１ 化 工 学 报 第５ ８卷 （ ３）水解反应器Ｒ ２ Ｚ ｎ的水解反应是一个中度放热的反应，５ ０ ０℃ 时其标准反应焓约为－１ １ ０ｋ Ｊｍ ｏ ｌ －１，其化学反 应式为 Ｚ ｎ（犾）＋Ｈ２Ｏ（ｇ→ ） Ｚ ｎ Ｏ（ｓ）＋Ｈ２（ｇ） （５） 根据 化 学 反 应 热 力 学，常 压 下 当 温 度 降 到 １ ２ １ ７℃以下反应就会进行，且温度越低越有利于反 应平衡向左移动，使单位锌的产氢率提高。但是降 低温度会使反应速率也随之降低。因此必须选定一 个较为合适的反应温度以获得合理的反应速率和产 氢率。当锌为液态时系统压力对反应的平衡影响不 大，适当增加压力能够促使反应快速达到平衡，但 采用高压使系统对设备的要求也随之提高，此外还 需考虑整个系统的压力匹配。综合考虑各种因素， 选择水解反应器Ｒ ２的设计温度为５ ０ ０℃，设计压 力为常压 （ ０ ． １ＭＰ ａ） 。 （ ４）分离器Ｓ ２ 水解反应的产物 氢气与氧化锌的分离属于 典型的气固分离，由于产物温度比较高，大约为 ５ ０ ０℃左右，因此分离器必须能够耐一定的温度。 Ｓ ２可以选用一些常用的高温气固分离装置，如高 温旋风分离器、高温陶瓷分离器等［ １ ４］。 （ ５）空气分离器Ｓ ３ 如前所述，当系统采用煤部分氧化加热方式 时，为了提高氧化效率和Ｃ Ｏ产气的纯度，自热式 反应器Ｒ １设计采用纯氧作为氧化剂。因此系统需 要增加一个空气分离装置Ｓ ３。 ３ 系统评估及其结果分析 ３  １ 理论能效分析 以热力学第一定律以及第二定律为基础，本文 对设计系统进行了热分析和火用分析。 分析时，系统中各个环节均被视为稳流开口系 统，能量平衡［ １ ５］为 Δ犎＝犎２－犎１＝犙－犠 （６） 式中 犎２、犎１分别为进出口物流所具有的焓值 （ 按低位热值计算） ，ｋ Ｊ；犙为过程换热 （ 系统吸热 为正，放热为负） ，ｋ Ｊ；犠为过程做功 （ 系统对外 做功为正，反之为负） ，ｋ Ｊ。 火用平衡［ １ ５］为 Δ犈＝犈２－犈１＝犈犙－犈犠－犈Ｌ （７） 式中 犈２、犈１分别为进出口物流的火用，ｋ Ｊ；犈犙为 过程换热所具有的火用流，ｋ Ｊ；犈犠为过程做功所具 有的火用流，ｋ Ｊ；犈Ｌ为过程的火用损，ｋ Ｊ，犈Ｌ＝犜０犛 ｉ， 犛ｉ为过程中的总熵产，ｋ ＪＫ－１。 系统的总热效率为 η＝ 犙（Ｈ２）＋犙（Ｃ Ｏ）＋犙ｅ ∑犙 犻 （８） 式中 犙（Ｈ２）和犙（Ｃ Ｏ）分别为系统输出Ｈ２和 Ｃ Ｏ所具有的焓值 （ 按低位热值计算） ；犙ｅ是系统 所产生的额外热能；∑犙 犻是提供给整个系统的总 热能，包括输入系统的燃料所具有的低位热值以及 系统所耗电能的等价热能，如果采用太阳能加热方 式，则需要计入输入系统的太阳能热。 系统的总火用效率为 ηＥ Ｘ＝ 犈（Ｈ２）＋犈（Ｃ Ｏ）＋犈ｅ ∑犈 犻 （９） 式中 犈（Ｈ２）和犈（Ｃ Ｏ）分别为系统输出Ｈ２和 Ｃ Ｏ的火用能；犈ｅ是系统所产生的额外火用能；∑犈犻 是提供给整个系统的总火用能。 能效评估中所用物质的基本热化学数据均来自 文献 ［ １ ５］ 。 计算结果表明，自热式煤气化系统 （ 采用纯氧 氧化）的理想热效率和火用效率分别达到了８ ９％和 ８ ０％。目前现有的常压煤气化技术如Ｗ ｉ ｎ ｋ ｌ ｅ ｒ、Ｋ  Ｔ等工艺其总热效率一般为８ ０％～９ ０％ （ 按高位 热值计算） ［１］。如果考虑到氢与一氧化碳的分离与 提纯，显然与现有的常压煤气化技术相比新工艺有 获得更高能效的潜力。另一方面，对太阳能加热式 新型煤气化系统的理论能效分析结果表明其系统 理论热效率最高可达到６ ７％，相应的火用效率可以 达到６ ６％（ 假设太阳能加热系统的整体热效率为 ５ ５ ． ３％，以下相关数据的计算均以此为基础） ；从 输入能量分布上来看，系统总输入能量的６ ５％以 上均来自于太阳能，由此可见当采用太阳能加热方 式时，固体碳在整个系统中主要是作为一种推动 Ｚ ｎ Ｏ还原反应进程的化学还原剂，而不再作为系 统能量输入的主体。 从系统火用损分布来看，无论采用何种加热方 式，Ｒ １所产生的可用能损失均为最大，分别占了 总火用损的６ ０ ． ５％（ 自热式）和８ ５ ． ５％（ 太阳能加 热式） ，前者的火用损主要来自于反应过程所产生的 不可逆性，而后者的火用损则主要由太阳能加热系统 的散热所引起。由此可见当采用太阳能加热方式 时，如何改进太阳能集热系统的集热效率是提高总 系统效率的关键所在。此外，分离器Ｓ １在冷凝过 ５２８１ 第７期 吕明等一种基于Ｚ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ的新型煤气化系统理论能效分析及其环境性能评估 程中的可用能损失以及Ｒ ２中由于传热和反应不可 逆性所带来的火用损也占了相当大的比例。 另外，由能量衡算结果还可知道锌的水解反 应器完全可以实现自热，因此水解反应器Ｒ ２可以 作为一个独立的系统单独运行，又鉴于Ｚ ｎ的运输 与存储比Ｈ２无论在安全性还是经济性上都要优秀 很多 （ 以１ｍ ｏ ｌ Ｚ ｎ产１ｍ ｏ ｌＨ２计算，通过折算Ｚ ｎ 的质 量 储 氢 密 度 大 概 为３％，体 积 储 氢 密 度 为 ２ １ ８ ． ３ｋ ｇＨ２ｍ－３，与现有开发的储氢材料相比 虽然在质量储氢密度上优势不大，但是其体积储氢 密度性能远远优于现有的各种储氢材料［ １ ６］） ，因此 本文所建立的煤气化制氢系统可以作为未来分散式 氢能利用系统的选择之一。 ３  ２ 环境性能评估 由新型煤气化制氢工艺的气化原理可知，煤炭 的气化反应在较强的还原性气氛中进行，因此煤中 的Ｎ和Ｓ成分基本上不会被氧化生成气态污染物 ＮＯ狓和Ｓ Ｏ２；另一方面，由于反应中大量金属氧 化物的存在，生成Ｈ２Ｓ气体的概率也微乎其微， 因此从理论上来说整个系统中含硫含氮气态污染物 的排放量极少，煤中的Ｎ和Ｓ大部分将以含氮含 硫无机盐的形式作为灰渣排出。当Ｓ含量较低时， 煤中固有的矿物质成分如Ｃ ａ Ｏ、Ｍ ｇ Ｏ、Ｆ ｅ ２Ｏ３等 可以直接满足固Ｓ的需要；当Ｓ含量较高时，部分 Ｚ ｎ Ｏ将转化为Ｚ ｎ Ｓ，从而达到固Ｓ的目的，但同时 也会造成部分Ｚ ｎ Ｏ的损失。 本文 还 通 过 系 统 所 产Ｃ Ｏ与Ｈ２的 摩 尔 比 （ＣＨＲ）对新型煤气化制氢工艺Ｃ Ｏ ２的排放情况进 行了考察。显然，ＣＨＲ越小表明该系统的相对 Ｃ Ｏ２排放量越低，其整体清洁性能越好。计算结 果表明自热式煤气化系统的ＣＨＲ为６ ． ６ ５，太阳 能加热式煤气化系统的ＣＨＲ为１，后者仅为前者 的１ ５％。由此可见，采用太阳能极大地提高了化 石燃料在利用过程中的清洁性能，结合太阳能发展 化石燃料综合能源利用系统将是未来能源开发与利 用的一个重要方向。 从Ｃ Ｏ ２处理方面来看，对煤气的主要成分Ｃ Ｏ 和Ｈ２进行分离提纯，从而获得高浓度的Ｃ Ｏ燃气 有利于在联合循环发电、联合燃料电池发电等后续 能源利用过程中获得较高浓度的Ｃ Ｏ ２排气，从而 为最终能源系统Ｃ Ｏ ２的捕集和处理过程带来效率 和经济上的优势［ ７］。目前现有的煤气化工艺其产气 一般为Ｃ Ｏ、Ｈ２、ＣＨ４等气体的混合气，其中Ｃ Ｏ 的浓度最高不会超过７ ０％［ １］，而新系统中煤气化 过程的产气直接为高浓度的Ｃ Ｏ气体，理论上其产 气中Ｃ Ｏ浓度可以达到９ ９％以上，这为后续能源 利用系统Ｃ Ｏ ２的捕集与处理带来了方便。 ４ 结 论 基于金属氧化还原对的两步式煤气化制氢技术 是一种新型的洁净煤利用技术。本文以该技术原理 为基本出发点，构建了一种基于Ｚ ｎ／Ｚ ｎ Ｏ的新型煤 气化系统。与以往的煤气化工艺相比，该系统采用 常压运行方式，无需进行产物气分离便可获得高纯 Ｈ２和高浓度的Ｃ Ｏ，而且其产氢反应器可以实现 自热而独立运行，因而在系统设备选择和产物气应 用以及污染物处理等各方面均存在较大的优势。 以热力学第一定律和第二定律为基础，本文对 新系统进行了理论能效分析，结果表明采用纯氧 氧化的自热式煤气化系统其理想热效率和火用效率分 别达到了８ ９％和８ ０％，而按现有太阳能加热系统 的热效率计算，太阳能加热式煤气化系统的整体理 想热效率和火用效率最高分别可以达到６ ７％和６ ６％； 对于这两种不同的加热方式，系统的主要火用损分别 来自于自热式反应器中反应过程所产生的不可逆 性，以及太阳能加热系统的散热损失。本文对新系 统的环境性能也进行了理论评估与比较，结果显 示新系统的含氮含硫气态污染物排放量极少，而 且在后续能源利用过程中Ｃ Ｏ ２的捕集与处理上具 有一定的优势；从Ｃ Ｏ ２排放来看，采用太阳能加 热方式其环境性能远远优于采用自热方式，前者的 ＣＨＲ不到后者的１／６。以上评估结果进一步肯定 了新型两步式煤气化工艺的开发价值，同时也为我 国中远期能源开发与利用提供了新的方向与途径， 相关研究工作有待进一步的展开。 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 ［１］ Ｗ ａ ｎ ｇＴ ｏ ｎ ｇ ｚ ｈ ａ ｎ ｇ（ 王同章）．Ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄＦ ａ ｃ ｉ ｌ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆＣ ｏ ａ ｌ Ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ（ 煤 炭 气 化 原 理 与 设 备 ）．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＣ ｈ ｉ ｎ ａ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅＰ ｒ ｅ ｓ ｓ，２ ０ ０ １３ ３  １ ４ ６ ［２］ Ｍ ｉ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｅ ｒ Ａ Ｊ ．Ｃ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．犉 狌 犲 犾，２ ０ ０ ５，８ ４（１ ７） ２ ２ ２ ２  ２ ２ ３ ５ ［３］ Ｌ ｉ Ｚ ｈ ｉ ｑ ｉ ａ ｎ ｇ（李 志 强 ）． Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍｒ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ．犘 犲 狋 狉 狅 犾 犲 狌 犿＆犘 犲 狋 狉 狅 犮 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犜 狅 犱 犪 狔（ 当代石油石化） ，２ ０ ０ ６，１ ４ （７） １ ２  １ ５，３ ４ ［４］ Ｘ ｉ ａ ｏＹ ｕ ｎ ｈ ａ ｎ（ 肖 云 汉）．Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎｆ ｒ ｏ ｍ ｃ ｏ ａ ｌｗ ｉ ｔ ｈｚ ｅ ｒ ｏ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ．犑 狅 狌 狉 狀 犪 犾 狅 犳犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犜 犺 犲 狉 犿 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊（ 工程热 ６２８１ 化 工 学 报 第５ ８卷 物理学报） ，２ ０ ０ １，２ ２（１） １ ３  １ ５ ［５］ Ｗ ａ ｎ ｇ Ｑ ｉ ｎ ｈ ｕ ｉ（王 勤 辉 ） ，Ｓ ｈ ｅ ｎ Ｘ ｕ ｎ（沈 洵 ） ，Ｌ ｕ ｏ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ（ 骆仲泱） ，Ｃ ｅ ｎＫ ｅ ｆ ａ（ 岑可法）．Ｎ ｅ ｗｎ ｅ ａ ｒ ｚ ｅ ｒ ｏ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｇ ａ ｓ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｃ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ．犘 狅 狑 犲 狉犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵（ 动 力 工 程） ，２ ０ ０ ３，２ ３（５） ２ ７ １ １  ２ ７ １ ５ ［６］ Ｌ ｉＹ ｉ ｎ ｇ（李 瑛 ）．Ｆ ｕ ｅ ｌ Ｃ ｅ ｌ ｌ（燃 料 电 池 ）．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙＰ ｒ ｅ ｓ ｓ，２ ０ ０ ０１ ５ ９ ［７］ Ｎ ｉＷ ｅ ｉ ｄ ｏ ｕ（ 倪维斗） ，Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＢ ｉ ｎ（ 张斌） ，Ｌ ｉＺ ｈ ｅ ｎ ｇ（ 李 政）．Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｙＣ Ｏ２ｍ ｉ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＩ Ｇ Ｃ Ｃ ．犆 狅 犪 犾 犆 狅 狀 狏 犲 狉 狊 犻 狅 狀（ 煤炭转化） ，２ ０ ０ ３，２ ６（３） １  １ ０ ［８］ Ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ ｆ ｅ ｌ ｄＡ，Ｋ ｕ ｈ ｎＰ，Ｒ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒＡ，Ｐ ａ ｌ ｕ ｍ ｂ ｏＲ，Ｍ ｕ ｒ ｒ ａ ｙＪ， Ｔ ａ ｍ ａ ｕ ｒ ａＹ．Ｓ ｏ ｌ ａ ｒ  ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｓ ｃ ｌ ｅ ａ ｎｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ  ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ．犎 狔 犱 狉 狅 犵 犲 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔，１ ９ ９ ８，２ ３（９） ７ ６ ７  ７ ７ ４ ［９］ Ｍ ｕ ｒ ｒ ａ ｙＪＰ，Ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ ｆ ｅ ｌ ｄＡ，Ｆ ｌ ｅ ｔ ｃ ｈ ｅ ｒＥＡ．Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ，ｎ ｉ ｔ ｒ ｉ ｄ ｅ ｓ， ａ ｎ ｄｃ ａ ｒ ｂ ｉ ｄ ｅ ｓ狏 犻 犪ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ｓ ．犈 狀 犲 狉 犵 狔，１ ９ ９ ５，２ ０（７） ６ ９ ５  ７ ０ ４ ［１ ０］ Ｒ ｏ ｍ ａ ｎＡ，Ｍ ｉ ｃ ｈ ａ ｅ ｌＥ．Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｚ ｉ ｎ ｃｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ．犈 狀 犲 狉 犵 狔，２ ０ ０ ４，２ ９（５／ ６） ７ ５ ７  ７ ６ ９ ［１ １］ Ｋ ｏ ｄ ａ ｍ ａ Ｔ． Ｈ ｉ ｇ ｈ  ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｓ ｏ ｌ ａ ｒｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙｆ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇｓ ｏ ｌ ａ ｒｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｏｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｕ ｅ ｌ ｓ ．犘 狉 狅 犵 狉 犲 狊 狊 犻 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔 犪 狀 犱犆 狅 犿 犫 狌 狊 狋 犻 狅 狀犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲，２ ０ ０ ３，２ ９５ ６ ７  ５ ９ ７ ［１ ２］ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｙｏ ｆＬ ｅ ａ ｄａ ｎ ｄＺ ｉ ｎ ｃＥ ｄ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ａ ｌＢ ｏ ａ ｒ ｄ（ 铅锌冶金学 编委会）．Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｙｏ ｆＬ ｅ ａ ｄａ ｎ ｄＺ ｉ ｎ ｃ（ 铅 锌 冶 金 学）． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＰ ｒ ｅ ｓ ｓ，２ ０ ０ ３１ ６ ５，４ ５ ４  ５ ０ ３ ［１ ３］ Ｔ ｅ ｏＥＤ，Ｂ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｎＮＰ，Ｖ ｏ ｓＥ，Ｋ ｒ ａ ｍ ｅ ｒＧＪ ．Ａｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ａ ｔ ｈ ｗ ａ ｙｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆｔ ｈ ｅｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ＵＴ  ３ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ．犐 狀 狋 犲 狉 狀 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犑 狅 狌 狉 狀 犪 犾狅 犳 犎 狔 犱 狉 狅 犵 犲 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔， ２ ０ ０ ５，３ ０５ ５ ９  ５ ６ ４ ［１ ４］ Ｃ ｅ ｎＫ ｅ ｆ ａ（ 岑可法） ，Ｎ ｉＭ ｉ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ（ 倪明江） ，Ｙ ａ ｎＪ ｉ ａ ｎ ｈ ｕ ａ （ 严建华） ，Ｌ ｕ ｏＺ ｈ ｏ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ（ 骆仲泱） ，Ｌ ｉＸ ｉ ａ ｏ ｄ ｏ ｎ ｇ（ 李晓 东） ，Ｆ ａ ｎ ｇＭ ｅ ｎ ｇ ｘ ｉ ａ ｎ ｇ（ 方梦祥） ，Ｌ ｉＸ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ａ ｎ（ 李绚天） ， Ｃ ｈ ｉＹ ｏ ｎ ｇ（ 池涌） ，Ｇ ａ ｏＸ ｉ ａ ｎ ｇ（ 高翔） ，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇＸ ｕ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ （ 蒋 旭 光 ） ，Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ Ｌ ｅ ｍ ｉ ｎ ｇ（程 乐 鸣 ）． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅＳ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆＧ ａ ｓａ ｎ ｄＳ ｏ ｌ ｉ ｄ（ 气固分离 理 论 及 技 术 ）． Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕＺ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ， １ ９ ９ ９３ ８ ３  ３ ９ ５，５ ０ ４  ５ ０ ７ ［１ ５］ Ｙ ｕ ａ ｎ Ｙ ｉ（袁 一 ） ，Ｈ ｕ Ｄ ｅ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ （胡德生 ）． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓＡ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｏ ｆＣ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＰ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ （ 化 工 过 程 热 力 学 分 析 法）．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＣ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌＩ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ，１ ９ ８ ５１  ６ ０ ［１ ６］ Ｃ ｈ ｅ ｎＣ ｈ ａ ｎ ｇ ｐ ｉ ｎ（ 陈长聘） ，Ｗ ａ ｎ ｇＸ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ（ 王新华） ，Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｌ ｉ