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昆明理工大学李孔斋教授:焦炉煤气制氢技术研究进展

2023-09-28


工业副产气制氢技术研究进展

——焦炉煤气制氢

焦炉煤气作为一种富氢冶金副产气,其利用对于冶金行业的技术变革和低碳清洁发展具有重要的现实意义。为充分认识现有的焦炉煤气制氢技术,系统总结了变压吸附技术、催化重整技术等焦炉煤气制氢技术的现状、煤气的净化与有机组分的利用技术。化学方法+物理方法联合制氢工艺由净化、重整、分离3个工序组成,可实现热焦炉煤气余热梯级利用、高效制氢,是未来发展的重要方向


焦炉煤气制氢技术研究进展

李志强,王  华,李孔斋

昆明理工大学 冶金与能源工程学院

研究背景

钢铁行业要实现超低碳排放、多产业耦合发展,并于2030年实现前碳达峰,关键在于碳的捕集与利用、氢冶金技术的发展。焦炉煤气是钢铁冶金三大炉气之一,富含氢气,热值高,被广泛用于发电,然而仅有少部分用于甲醇、乙醇等高值化学品合成。高值低用带来严重的CO2排放问题,污染环境


研究内容

焦炉煤气制氢是实现钢铁行业清洁发展的关键技术路径,现有的物理分离氢气技术普遍具有氢气产率低、能耗高等缺点,化学法制氢具有氢气产率高、多组分协同转化等优点,但尚未规模化应用,两种技术优缺点互现。阐述了变压吸附、深冷法、膜分离法、非催化和催化重整、氧传输膜重整、化学链重整等焦炉煤气制氢技术的原理、不足与改进措施,并指出化学方法+物理方法联合制氢工艺是实现焦炉煤气高效制氢的有效技术策略

研究结论

1)我国富煤、缺油、少气的化石能源资源结构特点决定了煤的清洁利用在未来若干年中仍将占据主导地位,尽管短流程炼钢、氢冶金等清洁冶炼技术快速发展,但以焦炭为还原剂的高炉炼铁技术仍是主流技术。焦炭生产过程产生的焦炉煤气富含高利用价值H2,然而成分复杂,净化、分离、提纯工艺繁琐,利用难度高。介绍了变压吸附技术、膜分离技术、深冷分离技术、非催化与催化重整技术、氧传输膜重整技术以及化学链重整技术的基本原理,分析了不同技术在焦炉煤气制氢中的研究与应用现状以及存在的技术问题,指出了不同技术未来发展方向,并针对焦炉煤气净化及其有机物(如焦油、苯、萘)的转化利用提供解决思路。

2)对于传统的变压吸附技术、膜分离技术和深冷分离技术而言,高效、价廉的吸附剂和分离膜的设计与开发,以及工艺的升级与设备的集约化设计是今后研究重点。对于催化重整技术、氧传输膜重整技术和化学链重整技术而言,具有良好的硫耐受性与反应稳定性的催化剂、氧传输膜材料和载氧体的选择与开发,反应器的设计与放大以及工业化探索是今后发展方向,是提升H2产量的重要途径。加快焦炉煤气化学方法制氢工业化进程,探索化学方法+物理方法联合制氢工艺,是实现焦炉煤气高效制氢、深度利用的关键,是未来重要发展趋势。

3)化学方法+物理方法联合制氢工艺可由净化、重整、分离3个工序组成。净化工序脱除粗焦炉煤气中的焦油、苯、硫化物等杂质组分。重整工序利用催化重整、膜重整和化学链重整等化学方法将焦炉煤气中CH4转化为H2,膜重整和化学链重整还可通过水解离实现两步共产H2,从而有效提高焦炉煤气制氢的H2产量。分离工序利用变压吸附技术、深冷分离技术、膜分离技术等物理方法从重整工序得到的富氢混合气中分离H2。目前,焦炉煤气催化重整耦合变压吸附制氢技术已实现工业化应用,焦炉煤气膜重整、化学链重整耦合物理分离法制氢工艺正在探索中,高效的化学方法+物理方法联合制氢工艺或将成为提升焦炉煤气制氢产量的有效途径。




重要图表

图1 变压吸附制氢工艺流程


图2 5种类型的氧传输膜反应器

引用格式

李志强,王华,李孔斋.焦炉煤气制氢技术研究进展[J].洁净煤技术,2023,29(4):31-48.

LI Zhiqiang,WANG Hua,LI Kongzhai.Research progress on hydrogen production technology from coke oven gas[J].Clean Coal Technology,2023,29(4):31-48.

作者简介

李孔斋,教授,博士生导师。教育部“长江学者奖励计划”青年学者、云南省中青年学术带头人和首批省万人计划青年拔尖人才、十三届云南省政协委员,获云南省政府特殊津贴、云南省青年科技奖、云南青年五四奖章和云南省杰出青年基金等,入选全球顶尖科学家数据库。获云南省自然科学特等奖1项(2020,排名2,铈基稀土储氧催化材料的构建与性能调控)、二等奖1项(2008,排名7)、作为核心成员支撑“昆明理工大学冶金节能减排创新团队”获云南省科技进步一等奖(创新团队类)1项,获中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖1项(排名1,稀土基蓄热型催化剂构筑与催化燃烧性能调控),获云南省教学成果一等奖1项和中国有色金属学会高等教育教学成果一等奖1项。主持国家和省部级科研项目18项,含国家自然科学基金联合基金重点项目1项、国家自然科学基金面上项目3项和云南省重大研发计划及省杰青项目2项。在Chem、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊发表SCI论文163篇,第一或通讯作者97篇,一区论文56篇,他引5263余次,5篇入选ESI高被引,H因子41;出版学术专著1部;第一发明人授权中国发明专利16件,7件实现应用。兼任中国有色金属学会节能减排专业委员会委员、中国能源学会专家委员会委员、Chinese Chemical Letters青年编委会委员、International Journal of Coal Science & Technology编委会委员和中国稀土学会催化专业委员会委员等。


  责任编辑:宫在芹

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