短流程气化氨电联产及碳捕集的集成规律与优化综合

本项目依据低浓度煤层气与CO2吸收增强型气化产物组分互补的特点，提出采用CO2吸收增强型气化由煤和低浓度煤层气制备合成氨原料气的方法。并以此为核心构建氨、电联产和碳捕集的含碳能源转化利用系统。研究将揭示短流程气化组分最大可能定向迁移与转化的流动传热传质和化学反应控制机理，分析含氮和甲烷的合成氨尾气碳捕集流程与捕集率对能量转化效率、捕集成本的影响规律，明确系统物质与能量集成规律和各单元操作参数、容量匹配特点。最终通过系统的优化综合获得满足能量转化效率、碳捕集率、氨电生产成本等多目标的联产系统优化流程与参数。为煤和低浓度煤层气高效利用、温室气体减排、简化工艺流程提供新的思路和可行方案。研究方法采用单元精细建模与系统流程模拟结合、在方案评价的基础上进行流程与参数优化综合，并利用相关项目的实验研究结果完善单元模型、提高预报准确性。

合成氨原料气要求：氢氮比为3、精制后CO2含量小于10ppm。CO2吸收增强型气化是一种短流程制备富氢气体、同时实现CO2低成本纯态分离与减排的新型气化技术。根据低浓度煤层气与CO2吸收增强型气化产物组分互补的特点， 构成基于CO2吸收增强型气化的煤和低浓度煤层气制备合成氨原料气的新型流程和内在碳捕集的氨电联产系统。项目根据单元过程流动、传热传质和化学反应规律，建立原料气制备（气化/CO2吸收、吸收剂再生）、合成（合成氨、甲烷化）、气体净化与分离、动力输出等关键单元特性预报模型和流程模拟分析平台，并加以验证完善；揭示气化组分定向迁移与转化规律及影响因素；研究系统物质与能量集成规律、分析碳捕集和气体组分分离等因素对系统性能影响；获得满足能量转化效率、碳捕集率、氨电生产成本等多目标的联产系统优化流程与参数。本研究采用单元精细建模与系统流程模拟结合、实验与理论结合的方法。 结果表明，内在碳捕集输运床气化、碳酸钙分解反应动力学模型、合成氨反应动力学模型、气体净化与分离模型可以较好地预报产物分布；优化气化操作参数可实现组分定向迁移与转化。对煤和煤层气共气化，给煤量1000吨/天，钙碳比为1，水碳比为5，气化温度793℃，气化压力2MPa，停留时间15秒时，可利用煤层气38886Nm3/h，实现焦炭转化率大于40%，氧化钙转化率大于30%，氢气含量大于63%，甲烷含量小于6%，氢气产率大于0.94Nm3/kgcoal；通过合成尾气的高效利用和系统单元过程能量匹配，实现合成与动力输出等过程的集成，达到合成氨产率大于0.5kgNM3/kgcoal， 合成氨能耗53.4GJ/吨，与目前考虑碳捕集后的合成氨生产能耗先进水平相当； 以煤耗和能量利用效率为评价指标，精制原料气的CO2和CO含量（φ（CO2+CO））取0.155%-0.3%为宜，当其为0.155%时系统能量利用效率达到48%；采用膜分离将合成尾气的氢气分离并返回气化或合成过程有利于提高合成氨产量，可降低合成氨能耗1.7%、增加氨电产品收益；依托本项目，研发了基于CO2吸收增强的联产系统模拟与分析平台，并在输运床小试制氢装置的操作参数优化等方面得到应用，得到优化的流程和参数。 本项目研究为煤和低浓度煤层气高效利用、温室气体减排、简化工艺流程、弥补合成氨和发电单一生产不足，而且拓展了吸收增强型气化应用范围。