中低温废热与甲醇重整结合的氢电联产系统

　　引　言

　　目前,传统制氢方法主要是电解水制氢和矿物燃料制氢[1],电解水制氢不仅能耗大,而且成本高,标况下每立方米氢气的能耗高达5.5 kWh电能,制氢成本高达5.5元。由于矿物燃料制氢需要消耗石油、天然气和煤等化石燃料燃烧为制氢反应提供需要的反应热,因此化石燃料的直接燃烧不可避免地造成巨大化学能损失,同时又带来大量的CO2等温室气体排放,产生严重环境污染[2]。对于目前传统制氢存在的能耗和环境的问题,国内外都提出了很多新型的制氢方法[3~11]。

　　目前冶金行业废热丰富,然而500℃以上的高温废气余热的热利用效率较高,而400~500℃中低温废气余热的回收利用率较低[12]。对于300℃以下的低温烟气余热更是作为废气废热被浪费。以烧结工序为例,烧结工序中的余热大约有50%热量以废热形式被排入大气。在冶金工业中,像这样200~450℃的中低温废热占总余热的2/3以上,其热焓值约占总废热焓值的1/3,有巨大的利用潜力。针对传统制氢能耗大和冶金工业200~500℃中低温废热利用难的问题,本研究提出烧结机烟气中低温废热和甲醇蒸汽重整反应整合的新型制氢系统。利用EUD图像火用分析法,阐明新系统相对传统甲醇制氢系统火用效率高的特性,揭示中低温废热提升到高品位化学能的能量转化特征,分析中低温废热品位提升的变化规律,初步评价新系统静态制氢成本。

　　1　中低温废热结合甲醇蒸汽重整制氢系统

　　1.1　新系统的流程概述

　　中低温废热结合甲醇制氢新型系统流程主要由预热重整过程、变压吸附分离过程和驰放气动力子系统构成,如图1所示。

　　1.1.1　预热重整

　　以宝钢烧结厂一号烧结机为例,以367.7℃烧结机尾部烟气为热源,首先给重整反应器提供需要的反应热,然后出口烟气给水蒸气过热器、蒸发器中供热,最后烟气给甲醇蒸汽过热器、甲醇蒸汽发生器供热,出口烟气进入烟道。甲醇、无离子水(甲醇水摩尔比1:1.5)经过预热、蒸发、过热后进入重整器,反应生成合成气,合成气余热回收后进入变压吸附器。

　　1.1.2　变压吸附过程

　　合成气先通过冷却分离出未反应的甲醇、无离子水,然后在40℃,2 MPa的条件下进入变压吸附器,分离出氢气。

　　1.1.3　驰放气动力子系统

　　变压吸附分离出的驰放气作为气体燃料燃气轮机燃料,如图1所示:驰放气经过压缩机压缩后,与回热空气混合进入燃烧室燃烧,进入透平做功,出口烟气余热生产蒸汽产品回收。常规甲醇制氢流程如图2所示:燃烧甲醇燃料产生高温烟气来预热甲醇、水,并给甲醇重整反应器提供热量。重整产物合成气经过热回收,冷却,经变压吸附分离来制得纯氢。