基于钙基化合物的化工动力多联产系统集成机理研究

In response to the difficulties of high energy consumption, high pollution and utilization of exhaust gas in the production of calcium carbide, the mutual transformation of calcium compounds and utilization of energy in different unit processes are studied in this project based on the cyclic utilization of calcium compounds. A route of mutual transformation and cyclic utilization of calcium compounds is proposed. The energy conversion and loss mechanism in unit processes is revealed. The action mechanism of coupled units to improve energy efficiency is obtained. Based on this, a chemical engineering power polygeneration system is proposed coupled with coke/calcium carbide/acetylene production, hydrogen production by steam reforming of coke oven gas, chemical looping combustion and desulfurization of exhaust gas, power generation and CO2 capture. The project aims to provide solution for the energy saving and emission reduction of calcium carbide industry and meanwhile provide support for the efficient and clean utilization of energy and low-energy capture of CO2.

针对电石生产能耗高、污染大及尾气利用困难等难题，本项目以钙基化合物循环利用为主线，通过对不同单元过程中钙基化合物转化及能量利用的研究，提出了钙基化合物相互转换及循环利用路线，揭示出单元过程能量转换及损失机理，获得了过程耦合对提高能量利用效率的作用机制。在此基础上，耦合煤基焦炭/电石/乙炔生产，焦炉煤气重整制氢，尾气化学链燃烧与脱硫，发电及CO2捕集等单元过程，构建了高效、清洁的化工动力多联产系统，为电石行业节能减排提供解决方案，为能源高效、清洁利用及CO2低能耗捕集提供理论和技术支持。

高能耗、高污染和尾气利用困难是制约电石行业发展的难题，构建高效、清洁的多联产系统是实现电石行业节能减排的重要途径之一。本项目以此为出发点，通过钙基化合物的循环转化利用，创新性提出了一种煤基化工动力多联产系统。通过耦合煤基焦炭/电石/乙炔生产，焦炉煤气重整制氢，尾气化学链燃烧与脱硫，联合循环发电等过程，实现了能量的综合梯级利用和废弃物的再利用，降低了环境污染，研究对电石行业节能减排具有重要的科学意义和应用价值。. 研究首先分析了钙基化学链燃烧过程的能量利用机制，指出当氧化反应器温度高于还原反应器时，钙基化学链燃烧可将传统直接燃烧过程中的部分火用损失转化为可用能，从而提高了钙基多联产系统的火用效率；其次，构建了钙基多联产系统的流程和评价分析模型，得出钙基多联产系统的总能量利用效率为72.6%，火用效率为71.5%，相对收益率达到8.4%，具有较好的节能效果。燃烧烟气中CO2浓度高达95.7%，在考虑CO2捕集能耗时，钙基多联产系统的相对收益率将提高至14.3%，节能优势更加明显。钙基多联产系统中废弃电石渣的利用率可达到30.2%，有效降低了电石渣对环境的污染。提高氧化反应器温度可提高系统总能量利用效率但会降低发电效率。多联产系统的发电效率和总能量利用率均随补燃温度的升高而增大，随压比升高先增大后减小；再次，模拟分析了钙基化学链燃烧与脱硫耦合反应特性，发现在钙基化学链燃烧与脱硫耦合进行条件下，降低还原反应器温度有利于提高化学链燃烧效率和脱硫效率，但不利于CO2捕集，还原反应器的温度控制在850℃-900℃为佳，此时当Ca/S达到0.75即可获得最高脱硫效率。耦合反应过程中，H2S和COS更容易被CaO脱除。在还原反应器后有补燃条件下，可通过适当减少氧过量系数，保持还原性气氛，提高脱硫效率；最后，通过实验研究了钙铁复合载氧体与含硫尾气化学链燃烧和脱硫耦合反应特性。实验结果证明在800℃-1000℃的范围内，钙基化学链燃烧过程与脱硫过程可高效耦合进行。