洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2023年第11期

• 热化学硫碘循环水分解制氢研究进展

  王智化, 曾俊杰, 何勇, 李明阳, 王晓丁,

  随着化石能源日益短缺和环境污染日益严重,寻求高效、清洁、可再生能源迫在眉睫。氢能作为现代能源体系新密码,因清洁、可再生、可存储、用途广泛等优点,近年来受到广泛关注。目前制氢方式众多,但大规模、高效、低成本、绿色的制氢方式才是未来氢能经济的基础。其中,热化学硫碘循环(也称碘硫循环)水分解制氢因具备上述优点被认为是最具发展潜力的制氢方法之一。从Bunsen反应、H2SO4分解和HI分解3方面综述了热化学硫碘循环水分解制氢的基础研究情况,对目前各国已建立的硫碘循环系统进行总结,着重介绍了核能耦合硫碘循环制氢流程的最新进展。从经济、环保和安全方面对目前核能耦合硫碘制氢进行分析讨论,以期为未来研究和发展提供新思路。针对Bunsen反应部分,寻找一种高效分离反应物的新方法至关重要;而对H2SO4分解和HI分解部分,现阶段主要研究仍集中在开发稳定、高效、低成本的催化剂。经过几十年研究,热化学硫碘循环水分解制氢技术已取得长足发展。在实际产氢中,苛刻的高温高腐蚀环境、复杂的耦合流程是限制其规模化、工业化的主要原因,开发由工业结构材料制成的耐腐蚀和耐热系统,继续对耦合流程进行优化和模拟是未来热化学硫碘循环水分解制氢技术的发展方向。

• 不同载体粒径的催化剂对甲烷氧化还原NOx特性及机理

  陈晨, 安东海, 宋佳霖, 程星星

  通过负载的方式制备了不同粒径(10、20、30nm)Al2O3载体的催化剂,纳米级氧化铝为载体的Cu/SMA(a)(a=10,20,30)催化剂并测试了其催化效率,结果表明催化剂的甲烷催化还原NO及甲烷催化氧化效率顺序均为Cu/SMA(20)>Cu/SMA(10)>Cu/SMA(30)>Cu/Al2O3催化剂。Cu/SMA(20)甲烷催化还原NO的能力最优。进一步通过TEM、BET、XPS及NH3-TPD对催化剂的物理化学性质进行分析,TEM测试结果表明小颗粒纳米级氧化铝作为催化剂载体可更好分散作为活性组分的氧化铜,有利于增强催化剂的催化活性;XPS及NH3-TPD测试结果表明Cu/SMA(a)(a=10,20,30)催化剂相比于Cu/Al2O3催化剂拥有更多氧空位及酸性位点;且该催化剂含有发达的孔隙结构,为甲烷在催化剂作用下发生的氧化还原反应提供了更多的接触位点,同时催化剂含有较高的空位氧Oβ,增加了催化剂脱硝效率。进一步通过H2-TPR和TR-FI对反应机理进行分析,催化剂中的Cu2+物种在反应中更易被还原为Cu+,Cu+在接下来的脱硝反应中起协同作用,对甲烷催化还原NO具有促进作用,NO先与O2发生反应生成了中间态物质,随后CH4发生氧化还原反应而生成N2。

• 碳基二氧化碳吸附材料研究进展

  于航, 孟洪, 杨祥富, 金君素

  近年来,以CO2为主的温室气体在大气中的浓度持续增加,温室效应日益加剧。二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是实现碳中和的托底技术,二氧化碳捕集成本占整个CCUS全链条的70%左右,开发低成本二氧化碳捕集技术是推动CCUS技术应用推广的重中之重。虽已开发多种先进材料(如沸石、金属有机骨架、介孔二氧化硅和聚合物)以应对二氧化碳捕集,但对活性炭(ACs)的研究仍是主流。碳材料具有来源广泛、价格低廉、孔隙结构丰富、物理化学性质稳定等优点,是一种极具应用潜力的二氧化碳吸附材料。现有碳基吸附材料仍存在二氧化碳吸附容量低、吸附选择性差等缺点,制约了其在二氧化碳捕集领域的应用,国内外研究人员开展了大量的碳基吸附材料改性工作,以满足工业应用需求。通过梳理碳基吸附材料造孔和表面改性两方面介绍了近几年国内外研究进展,总结了现有的物理活化法、化学活化法、模板法等造孔方法以及表面氧化、氮杂化、硫杂化、金属杂化等改性方法,并全面分析了不同方法的优缺点。针对目前的造孔技术,综合考虑选用更低成本的软模板剂和更易处理的硬模板剂;而在众多改性方法中,氮杂化改性和金属杂化改性目前研究较多,也是最有可能实现碳基吸附材料大规模放大生产的途径之一。

• 煤基炭膜处理废水的研究进展

  韩倩, 刘志铭, 杨小芹, 林喆, 秦志宏, 孔维维

  煤炭碳含量高、储量丰富且价廉易得,是优质的炭膜原料。以煤炭为原料制备的煤基炭膜用于废水处理时具有分离效率高、工艺操作简单、重复性好、处理废水种类多和可用于大规模工业化处理等显著优点。煤基炭膜依靠其筛滤和吸附作用可去除废水中尺寸在0.05~10.00μm的主要污染物,但对于粒径远小于膜孔的有机污染物或重金属离子去除能力较低。此外,单一煤基炭膜分离在长周期工作后由于污染物在膜内外表面吸附累积,出现膜分离能力与膜抗污性降低等问题。因此,通过选用特定的煤基炭前驱体、支撑体和添加剂等制备原料,以及优化制备工艺条件,以达到改善炭膜孔径大小与分布、提高炭膜亲水性的目的。同时,利用煤基炭膜的导电性,在传统炭膜分离工艺的基础上采用与电化学或高级氧化工艺耦合的方法提高处理各种废水的能力并解决膜污染问题,如耦合电化学氧化、电吸附、电气浮和电芬顿氧化等。这些耦合技术在提高膜分离效率的同时增强膜的抗污性能,降低能耗,是煤基炭膜应用于废水处理的新发展,对煤炭高效清洁利用和工业化废水处理具有重要意义。基于此,综述了近十几年来处理废水用煤基炭膜的制备,以及电化学或高级氧化工艺耦合膜分离技术应用于废水处理的原理、特点及研究进展,并展望了煤基炭膜未来处理废水的研究方向。

• 褐煤及其低温热解半焦中可溶多环芳烃特征

  卢梦仟, 李珊, 石运固, 张慧, 梁汉东

  低温热解提质是实现褐煤清洁高效利用的重要途径之一。半焦作为提质后的固体产物在工业和民用清洁燃料方面得到广泛应用。以来自中国内蒙古(SHM)、印度尼西亚(YN)和蒙古国(WM)的3个褐煤及其550℃下热解半焦为样本,采用溶剂萃取结合GC/MS分析的方法研究其可溶多环芳烃(PAHs)含量及组成特征。结果显示,3个褐煤的PAHs总量(∑PAHs)、USEPA规定的优控16种PAHs质量分数(∑16PAHs)及对应烷基取代PAHs质量分数(∑aPAHs)分别在4362~125635、1871~35039和1723~61757ng/g,揭示了不同来源褐煤的PAHs含量差异显著且aPAHs含量丰富的特征。3个褐煤对应热解半焦的∑PAHs、∑16PAHs和∑aPAHs质量分数分别在4679~10289、1831~6354和744~2737ng/g。不同来源褐煤产出半焦的PAHs含量变化不同,SHM半焦的PAHs含量显著低于原煤,YN半焦的PAHs含量高于原煤,WM半焦中PAHs总量与其原煤相近,但其16PAHs含量较原煤相比有所增加。半焦的∑aPAHs含量均低于对应母体∑16PAHs含量,表明存留于半焦的PAHs以热力学更稳定的母体形式为主。褐煤和半焦的PAHs组成均以2~3环为主,尤其YN半焦中萘及烷基萘含量显著高于原煤,是其PAHs总量增大的主要原因。YN褐煤热解过程中发生了煤分子内的激烈裂解反应并有大量小分子PAHs生成。不同褐煤及其半焦的可溶PAHs变化不同,不仅从分子层面反映不同煤在热解过程中的物理化学反应不同,也反映了煤大分子结构特征差异。

• 大块煤热解温度场扩展规律

  苏倩倩, 李文军, 陈艳鹏, 李天宇

  干燥和热解影响煤炭地下气化产品煤气的组成和气化工作面的效率,为考察煤炭地下气化过程中干馏干燥区热解温度场的扩展规律,选用尺度为300mm的和顺贫煤原煤块和人工制备的蒙东褐煤块为研究对象,采用大尺度固定床热解反应装置,在N2气氛下对大块煤进行单侧面恒温加热试验,通过均匀布置在大块煤中的4层共50个热电偶采集试验过程中各测点的温度,绘制大块煤热解温度场分布图。结果表明:大块原煤热解温度场以多裂隙为中心呈多抛物面形向上扩展,人工块煤热解温度场以近似水平的形状向上推移;块煤热解干燥线、特征温度线的移动速率随热解时间的增加逐渐降低,且干燥线移动速率大于特征线移动速率;大块原煤的传热速率、热解干燥线和特征温度线的移动速率均高于人工块煤;大块原煤在热解6h时干燥线和特征温度线移动速率分别为21.0、12.3mm/h。大块原煤中裂隙的存在和发育使热解时裂隙处以对流方式传热,提高了原煤传热速率,同时裂隙发育和热量传递相互促进,使原煤热解温度场以多裂隙为中心呈多抛物面形扩展。原煤裂隙提高了热解干燥线和特征温度线移动速率,特别是对干燥线的影响更显著。因而在实际煤炭地下气化过程中,裂隙的发育、氧化区燃烧生成的大量烟气均会强化煤层内的对流传热,提高煤炭地下气化热解温度场的扩展速率。

• Y型分子筛中金属离子落位的调控及解析方法研究进展

  赵晋川, 温志慧, 王静静, 常丽萍, 鲍卫仁, 马静红, 廖俊杰

  Y型分子筛在脱硫领域有广泛应用。研究表明,经过金属离子交换得到的金属改性Y型分子筛吸附剂可较好改善污染物中硫化物的脱除能力,但由于Y型分子筛具有超笼、方钠石笼和六棱柱笼3个不同尺寸的结构,根据尺寸选择性,较大的硫化物只能进入超笼中吸附脱除,所以解析和调控金属离子在Y型分子筛中的落位对提升其吸附性能十分重要。总结了Y型分子筛中金属离子的落位调控方法和解析手段,归纳了金属配合物的尺寸、分子筛制备过程中的焙烧温度和气氛以及金属物种引入方式等对金属离子在Y型分子筛中位置的影响行为。综述X射线衍射分析(XRD)、Rietveld结构精修、原位红外光谱(FTIR和Py-FTIR)、电子顺磁共振(EPR)等表征手段在解析金属在Y型分子筛笼内的微观定位方面取得的进展,分析了负载于Y型分子筛上形式多变的金属物种有效的表征手段。通过金属离子和有机配合物的络合,调节金属配合物尺寸,使其在离子交换过程中更多地进入超笼中,可达到调控金属落位在Y型分子筛不同笼中的目的;高温焙烧引起水合金属离子脱水使其从Y型分子筛超笼转移到方钠石笼中,改变焙烧温度可调控金属离子的落位。焙烧气氛会影响金属离子的价态,空气气氛下焙烧得到的金属氧化物易发生沉积而堵塞孔道,妨碍金属离子的迁移;而氮气气氛下焙烧还会使部分金属离子还原,改变分子筛上的活性组分,合适的焙烧温度和气氛可影响金属离子在Y型分子筛笼中的落位。金属物种的引入方式会影响其在Y型分子筛笼内外的分布,调控其在Y型分子筛各笼中的落位。Y型分子筛在吸附分离和催化领域应用前景广阔,其中金属改性是常用的提升Y型分子筛性能的手段。为提升金属离子利用率,增加金属活性位点,必须结合合适的解析方法,明确不同制备条件下金属离子在Y型分子筛中的迁移规律。指出如何抑制Y型分子筛超笼中金属离子在高温焙烧下的迁移,保证更多金属物种定位在超笼中是进一步关注的重点;金属物种引入方式对其落位的影响机制尚不明确,需进一步研究;金属离子在Y型分子筛不同笼中落位解析方法不直观、部分方法存在争议,需进一步探索研究。

• 城市污泥与煤矸石掺烧过程中汞的迁移转化特性

  段旺智, 张凯华, 张锴

  城市污泥和煤矸石在燃烧性质上存在着一定互补性,而二者均含有大量重金属汞污染物,因此有必要研究二者掺烧过程中汞的迁移转化特性。采用化学逐级提取法,研究污泥与煤矸石样品中汞的赋存形态及燃烧过程中汞释放特性,并考察温度、掺混比例和气氛对于样品中汞迁移行为的影响。结果表明,1号污泥主要以硫酸盐、碳酸盐和氧化物结合态汞和残渣态汞为主;2号污泥中残渣态汞含量最高;煤矸石中主要以硫化物结合态汞为主。污泥中低温区(200~390℃)释放的汞主要为有机物结合态和碳酸盐结合态汞,高温区(390~450℃)释放的汞主要为硫化物结合态汞;煤矸石中低温区(300~400℃)释放的汞主要为有机物结合态、碳酸盐结合态和氧化物结合态汞,高温区(400~600℃)释放的汞主要为硫化物结合态及部分氧化物结合态。污泥掺混促使掺混物中汞提前在低温区释放,且随污泥掺混率提高,促进作用越强。气氛中氧含量升高,燃烧过程中产生的CO2会吸附在颗粒表面,增大传热热阻,从而抑制掺混物中有机物结合态汞和部分碳酸盐结合态汞的释放,同时发现气氛对高比例污泥掺混物汞的释放行为影响减弱。

• 660 MW超超临界CFB锅炉失电壁温计算及运行措施

  周旭, 周妍君, 李维成, 鲁佳易, 刘行磊, 邓启刚, 李银龙, 杨冬

  超超临界循环流化床锅炉发生失电时,保证锅炉受热面安全至关重要。对超超临界循环流化床锅炉在失电事故后影响受热面安全性的因素进行分析,根据质量、动量、能量守恒以及金属管壁蓄热方程组成的锅炉汽水系统非稳态流动传热计算模型,开发出锅炉汽水系统动态特性计算软件,用于计算锅炉失电工况受热面工质温度及金属壁温随时间的变化规律。通过计算得到了锅炉发生失电事故后保证受热面安全措施为高压旁路阀以40%BMCR的流量进行排汽,且最短排汽临界时间为110s,同时省煤器进口需以140t/h的流量补水。可知该工况下水冷壁、低温过热器、中温过热器、高温过热器工质温度及管壁温度随时间先上升再下降,管壁温度最高值均低于受热面选材的允许使用温度。该措施可保证超超临界CFB锅炉在失电事故下各受热面的安全,解决了CFB锅炉发生失电事故后受热面超温问题,为电厂运行提供指导。

• 基于碳捕集的水泥窑余热深度利用系统性能分析

  许德操, 李显桃, 李楠, 王义函, 陈衡, 潘佩媛

  双碳目标是中国在全球碳减排的时代背景下,对全世界作出的庄严承诺,也是实现可持续发展的内在要求。水泥行业作为仅次于发电、钢铁行业的第三大温室气体排放源,在未来应当承担起碳减排的任务。目前水泥窑余热利用仅仅停留在发电阶段,并未贴合时代要求进一步开发利用。因此提出新型集成碳捕集的水泥窑余热利用多联产系统。将售电、热和冷的收入用于补偿昂贵的碳捕集的投资成本。水泥生产的余热利用并不足以弥补所有的碳捕集成本,但可满足部分CO2的捕集,因此最终可以确定适当的碳捕集率(18.89%)。所提出的新系统分为2种模式,在供热模式下,可从碳捕集过程中回收5.52MW的能量,并达到10.28%的系统热效率和10.71%的总效率。制冷模式下,3.66MW的能量被回收后驱动吸收式制冷系统,以提供0.82MW的冷量。经济分析表明,系统年收入达到2049.13万元,而碳捕集成本(ηCOA)低至281.54元/t(以CO2计)。这将为未来水泥生产满足减碳要求,进一步对水泥厂的余热进行深度利用并减少碳捕集投资提供了可行的参考。

• 煤液化残渣萃余物与煤共气化的灰渣特性

  刘臻, 李君, 张建胜

  与煤共气化是实现煤直接液化残渣萃余物(ER)资源化利用,提升煤直接液化工程整体经济性的重要途径。气化过程灰渣的流动性是影响气化操作条件的重要参数,利用灰熔点仪、高温旋转黏度计、XRD及SEM等测试手段考察了ER与煤共气化的灰渣熔融特性、黏温特性及晶体特性,并结合壳牌气化装置入炉煤配比和操作条件,从灰化学角度确定ER的最佳掺混比例及气化操作窗口。结果表明:ER属于高灰、高铁、高钙、高硫物质,且其灰成分偏碱性,随煤中ER添加量增大,掺混后的灰分、铁含量和硅铝比逐渐增大。当萃余物质量分数超8%,全液相温度Tliq降低,但萃余物添加量超20%时,熔渣类型从玻璃渣转变为结晶渣。XRD与SEM分析结果表明钙长石的析出造成熔渣类型改变,钙长石的析出主要是因为萃余物的添加使熔渣黏度降低,熔渣中团簇的扩散能力增强,有利于结晶行为。结合Shell气化炉的操作条件及对煤灰中铁含量的要求,当萃余物添加量为10%时,共气化熔渣适合气化炉排渣,对应的排渣窗口为1335~1557℃。该研究结果为ER与煤共气化提供指导,提高煤直接液化流程的经济性。

• 煤气化渣高值化利用的研究进展及应用展望

  冯向港, 王海燕, 葛奋飞, 张印民, 张永锋

  我国能源资源禀赋和煤气化产业的发展使煤气化渣排放量已达6000万t/a。大量的煤气化渣堆存不符合能源清洁低碳高效利用的理念。对煤气化渣进行消纳处理过程中,由于含水量高、含碳量高,限制了规模化利用途径,因此需转换传统思路,向高值化方向进行性能开发是一种趋势。重点综述了煤气化渣在高值化方面的研究进展,概述了煤气化渣的来源及物理化学性质,总结了国内外煤气化渣在催化剂框架、聚合物补强、多孔材料、农业堆肥等高值化方面的研究现状,提出了高值化利用存在的局限性问题,展望了未来的发展方向。煤气化渣高值化利用是固废性能开发的主要形式,可降低生产成本,减少环境污染,并且煤气化渣的特性显示煤气化渣是错位的资源,适度开发其在高值化方面的应用,可实现煤气化渣变废为宝。

• 电石渣焙烧制备活性氧化钙及粒级影响规律

  颜坤, 朱干宇, 李会泉, 郑跃武, 张建波, 杨悦, 邢岗, 周少湘, 常永生, 孟子衡

  电石渣→氧化钙→电石的循环利用,是实现电石渣钙质资源循环回用的有效途径,但由于电石渣组成复杂、提纯困难,目前仍难以实现大规模制备活性氧化钙循环利用。系统考察了电石渣焙烧过程的物相形貌变化,研究了不同粒径范围的电石渣成分组成差异,通过研究电石渣粒度特征及各粒级电石渣的焙烧特性,确定颗粒分级对电石渣制备活性氧化钙性能的影响。结果表明:电石渣中杂质集中在180μm颗粒中,酸不溶物、Fe、C等主要集中在150μm以上颗粒中;焙烧过程中,钙质组分在350~460℃、550~720℃两阶段逐渐转化为氧化钙,大部分碳质杂质颗粒能在800℃以下完成分解,影响制备活性氧化钙产品性能;活性氧化钙的抗压强度主要受颗粒粒度影响,活性度受粒径、成分共同影响,细颗粒会填补压制过程中颗粒间间隙,提高强度但阻碍水分渗透,粗颗粒中杂质过多难以分解且分解形成大型孔道,影响产品强度、活性,45~106μm较适宜制备活性氧化钙,活性度达411mL(以4mol/L标准盐酸计),抗压强度达2.46MPa。上述研究可为电石渣循环回用提供借鉴。

• 粉煤灰碱激发制备地质聚合物研究进展

  孙浩, 马志斌, 路广军, 刘晋艳, 廖洪强

  由于传统硅酸盐水泥基建材生产过程排放大量CO2,近几年以地质聚合物(地聚物)为代表的新型低碳胶凝材料成为研究热点。作为我国大宗工业固体废弃物,粉煤灰富含硅铝酸盐,通过碱激发制备地聚物可实现粉煤灰大宗消纳。综合论述了粉煤灰的碱激发反应活性评估方法,总结了粉煤灰碱激发反应机理,归纳了粉煤灰类型、激发剂、原料配比和养护制度等关键因素对地聚物形成和性能的影响规律,提出了目前研究存在的问题,并从粉煤灰活性组分评估和碱激发体系元素组成的角度,对未来研究方向进行展望。粉煤灰的反应活性评价方法主要有Rietveld全谱图拟合法、饱和石灰溶液吸收法和酸碱溶出法。粉煤灰碱激发反应过程可分为解构—重构—凝聚—聚合4个阶段,解构过程中溶出的硅铝比(Si/Al物质的量比)对凝胶结构和材料力学性能有重要影响,不同研究获得的最佳Si/Al物质的量比存在较大差异。目前关于原料配比、养护制度和凝胶结构等因素对地聚物性能影响研究获得的变化规律并不一致,为粉煤灰碱激发反应机理和地聚物合成研究带来困难,未来应针对不同类别粉煤灰理化特性,建立碱激发体系各元素配比统一的计算方法,为粉煤灰基地聚物合成时统一设计标准奠定理论基础。

• 高固废掺量水泥基矿井充填材料

  左然芳, 冯波, 董阳, 张栋

  煤炭开采过程中通过预留煤柱方式防止采空区塌陷,导致大量的煤炭资源被浪费。为保证煤炭资源的可持续发展,解决“三下压煤”问题迫在眉睫,因此进行充填开采技术研究势在必行。利用煤矸石作为骨料,粉煤灰及少量水泥为胶凝材料,结合不同电厂粉煤灰特性差异,采用粉煤灰复配技术解决浆体流动性差和强度低等问题,制备一种高固废掺量、低成本、高流动、高强度的矿井充填材料。分析了3个电厂粉煤灰的成分、形貌、粒径等性能对充填材料强度、流动性的影响。研究表明,煤粉炉粉煤灰FA1因球形形貌可显著提高充填浆体材料流动性,循环流化床粉煤灰FA2和FA3因形貌不规则,对改善浆体流动性作用不显著,但因含有大量活性氧化钙,对提高充填体的强度非常明显;粉煤灰中活性氧化钙含量越高,充填体强度越高,但流动性越差。因此通过将煤粉炉灰FA1与循环流床灰FA3复配,实现提高流动性同时,保持较高抗压强度。结果表明,20%FA1与80%FA3复配,粉煤灰取代94%的水泥,制备的净浆流动度较好,同时28d强度高达4.5MPa,满足行标JC/T2468—2018《水泥基回填材料》中C4等级,即28d强度≥4MPa。进一步将净浆与矸石复配,研究表明净浆与矸石比例为1∶4,制备的矿井充填材料矸石包裹性好,28d强度为4.2MPa,较净浆略降低;当净浆与矸石比例为1∶6时,制备的矿井充填材料矸石包裹性差,28d强度仅1.3MPa。因此净浆与矸石最佳比例为1∶4,即矸石最大用量占充填材料的80%,水泥占1.2%,粉煤灰占18.8%。

• 基于煤氢协同与柴油动力的露天矿卡综合排放性对比

  刘少权, 王海军, 史翊翔

  矿卡运输是露天煤矿的关键生产系统,随着绿色低碳和清洁环保要求的提高,能源转化和矿卡动力系统运行是露天煤矿大气污染物和温室气体排放的主要来源之一,其已成为研究热点。为研究露天矿卡能源与动力方案综合排放性,以某露天煤矿及其运输系统作为研究对象,对能源转化和矿卡动力2个子系统设计了3种基于煤氢协同的技术方案及另外1种传统技术路线的对比方案,确定研究范围和边界条件,建立研究模型和数据清单,以10a为周期对运输1m3·km的土石方或煤炭的燃料周期过程中的大气污染物和温室气体排放进行定量分析和对比。结果表明方案2采用绿氢动力的综合排放性最好,方案1和3可将排放从矿卡动力转移到能源转化环节,有利于采取集中有效措施进行减排,方案1的减排重点为脱硫和除尘,方案3和方案4的减排重点为CO2捕集、封存和利用,方案4矿卡柴油动力系统的大气污染物CO和HC+NOx排放量大,减排技术难度大,有必要开展矿卡新型清洁高效动力系统研究。

• 浓缩煤层气深冷液化提氦工艺

  许继宗, 李雪飞, 袁崇亮, 王永忠, 张军良, 郭昊乾, 李小亮

  氦气是国家重要战略气体之一,天然气提氦是其主要工业来源。我国由于缺少天然气资源严重受制于氦垄断国家,寻找新的氦气提取资源迫在眉睫。从与天然气组成类似,且不需复杂前处理的浓缩煤层气中提取氦气可作为破除我国氦气“卡脖子”的重要方向。利用AspenHYSYS软件对浓缩煤层气提氦联产液化天然气(LNG)工艺进行模拟计算,分析了提氦塔的进料温度、进料压力、回流比、理论板数与进料位置及原料气组成等参数对深冷液化提氦工艺能耗、粗氦和LNG产品质量的影响。结果表明:浓缩煤层气深冷液化提氦工艺主要耗能设备为循环制冷过程中的压缩机和膨胀机,提氦过程中的冷凝器和再沸器。进气低温、高压条件下,深冷液化提氦分离效果好。一、二级提氦塔和脱氮塔的理论板数分别为8、7和4时,深冷液化提氦系统投资费用最低,经济性好。原料气中CH4体积分数由86%提高至93%,He体积分数由0.8%提高至1.5%,N2体积分数由13.2%降至5.5%时,经两级低温冷凝提氦后产品粗氦体积分数由66.68%提高至70.49%,He回收率由99.67%提高至99.93%,粗氦产量由7.47m3/h提高至13.28m3/h。针对15000m3/d生产规模,浓缩煤层气深冷液化提氦系统总投资约1946万元,其中氮气循环制冷压缩机占比最大,约65.58%。针对浓缩煤层气,采用深冷液化工艺可实现粗氦制取同时联产液化天然气(LNG),对煤层气提氦工艺工业应用提供支持。