从产氢机制、产氢数据、制氢成本及CCUS多角度探究了煤炭地下气化低成本制氢技术路径及应用前景。深部煤炭地下气化制氢耦合气化空腔封存CO2,并联产化学品或协同驱油/驱替煤层气路线,可规模化制取低成本氢气,同时实现二氧化碳近零排放与资源化利用,对解决化石能源制氢碳排放难题及发挥新型能源体系支柱作用具有重要意义,是符合中国国情、具有中国特色的化石能源清洁转型发展路径。
煤炭地下气化制氢技术路径
刘淑琴1,戚 川1,纪雨彤1,刘 欢2,曹 頔1
1.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院
2.西安石油大学 化学化工学院
研究背景
双碳背景下提高氢气供给能力以满足未来能源体系需求极为迫切。受资源禀赋条件决定,因地制宜发展煤制氢耦合碳利用与封存技术将成为我国氢能市场发展中、长期的有效供氢主体与补充。煤炭地下气化技术可将地下煤炭原位高效转化为富含氢气的可燃气体,并可将煤气中分离的二氧化碳回注气化空腔进行地质封存,该技术有望成为一种有潜力的低成本煤制氢路径。
研究内容
解析了煤炭地下气化过程富氢气体的析出机制,针对国内外典型的煤炭地下气化工程案例,进行了煤炭地下气化产氢数据分析。对比了不同制氢技术路线的氢气成本,提出了耦合CCUS的深部煤炭地下气化制氢路径。
研究结论
1)煤炭地下气化过程富氢气体的析出包括煤层内的热解析氢、高温区的还原析氢以及低温气流通道中的水煤气变换。煤层内的中低温热解区范围较大,主要产生富氢气体H2与CH4,是产品气的重要组成部分;煤层富水特征和H2O(g)高气化活性使水蒸气还原制氢反应成为主导反应,低温长气流通道及气化灰渣的催化作用为原位水煤气变换制氢创造了条件。
2)国内外典型示范项目运行数据验证了煤炭地下气化具有生产富氢气体的天然优势,制氢成本对比分析表明,煤炭地下气化制氢成本远低于地面煤制氢和天然气制氢。
3)气化空腔回注二氧化碳具有矿化固碳及物理碳封存的双重优势,深部煤炭地下气化制氢耦合气化空腔储碳,并联产化学品或协同深部驱油/驱替煤层气,有望形成二氧化碳近零排放的规模化低成本制氢技术路径。
图1 深部煤炭地下气化制氢耦合CCUS与尿素联产技术路线
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通讯作者
刘淑琴,中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院教授,博士生导师,越崎杰出学者。主要从事煤炭地下气化基础理论、关键技术及环境问题的研究。主持完成国家863计划课题、国家973 计划课题、国家自然科学基金资助项目等多项国家项目,北京市科技协同创新项目“深部煤层原位转化低成本制氢关键技术研究及装备研制”项目负责人。在Hydrogen、 Fuel、《煤炭学报》、《煤炭科学技术》等高水平学术期刊发表相关学术论文 80 余篇,出版专著 2 部,授权发明专利15余项。荣获第二十一届孙越崎青年科学技术奖、入选教育部新世纪优秀人才支持计划,获教育部科技进步一等奖 1 项,中国石油与化学工业联合会科技进步二等奖 3项,煤炭工业协会科技进步二等奖 1 项。荣获 2022 年度煤炭工业协会科技攻关突出贡献奖。