[发明专利]一种耦合化学链制氧的原位煤气化化学链燃烧系统

说明书

本发明属于能源清洁燃烧和高效利用相关技术领域，公开了一种耦合化学链制氧的原位煤气化化学链燃烧系统，该系统由一套化学链制氧子系统和一套原位煤气化化学链燃烧子系统耦合而成，其中所述化学链制氧子系统包括释氧反应器、吸氧反应器、第一四通阀和第二四通阀，所述原位煤气化化学链燃烧子系统包括燃料反应器、空气反应器和冷凝器，同时对这些组件之间的耦合关系及其工作方式进行了改进和设计。通过本发明，能够以结构紧凑、便于操控的方式，高效率地将化学链制氧子系统制取的包含少量O₂的CO₂/H₂O混合气化剂通入原位煤气化化学链燃烧子系统的燃料反应器中，加速煤焦的气化反应速率，从而达到提高整体煤化学链燃烧转化效率的目的。

技术领域

本发明属于能源清洁燃烧和高效利用相关技术领域，更具体地，涉及一种耦合化学链制氧的原位煤气化化学链燃烧系统。

背景技术

化学链燃烧(Chemical Looping Combustion,CLC)技术是一种新型的能源利用方式，它通过借助于氧载体在燃料反应器和空气反应器中对氧的循环输运，将传统的“一步式”燃烧过程分解为两个相对独立的氧化还原反应过程，实现了能量的梯级利用。同时，在燃料反应器中，燃料在隔绝空气的气氛下被氧载体氧化，反应器尾气中只含有CO₂和H₂O，通过简单的水汽冷凝过程即可得到高纯度CO₂，从而实现高效低能耗CO₂内分离。

对于煤等固体燃料的化学链燃烧，当前比较倾向于采用的方式有两种，也即原位煤气化化学链燃烧(In-situ Gasification Chemical Looping Combustion,iG-CLC)和化学链氧解耦燃烧(Chemical Looping with Oxygen Uncoupling,CLOU)。但是，这两种方式在应用过程中都存在一定的局限性。具体而言，对于iG-CLC：一方面，由于煤(特别是高阶煤)与气化介质(H₂O、CO₂或H₂O/CO₂混合气)的气化反应速率较慢，使得整体煤化学链燃烧转化速率受限于慢速的煤焦气化过程，从而降低了燃烧效率和CO₂捕集效率；另一方面，由于iG-CLC过程燃烧效率不高，燃料反应器出口烟气(主要为CO₂/H₂O)中含有少量的未燃尽气体，不利于CO₂压缩纯化后处理。对于CLOU，其应用过程需用到可在合适温度范围和惰性气氛下具备释放气态氧能力的氧载体，而当前最具化学链氧解耦应用前景的铜基氧载体价格昂贵且高温易烧结(相较于iG-CLC中最常用的铁基氧载体)，虽然可以提高煤化学链燃烧转化速率(由于燃料反应器中气态O₂的存在)，但同时也使得氧载体的循环运行成本增加。此外，在煤等固体燃料的化学链燃烧过程中，氧载体所处的环境较采用气体燃料时更恶劣，煤灰在氧载体颗粒表面的沉积以及氧载体与煤灰的分离过程都会不可避免地导致氧载体的损失。因此，将价格较贵的氧载体直接应用于煤等固体燃料的化学链燃烧过程中是不经济的。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种耦合化学链制氧的原位煤气化化学链燃烧系统，其中通过结合煤燃烧和CO₂捕集工艺的自身特征，对其整体体系在内部构造及布局上进行研究和重新设计，并对具体设置方式和工作原理等方面进行改进，相应不仅可有效克服常规iG-CLC系统中煤气化速率受限的缺陷，同时还解决了传统煤化学链燃烧技术在低运行成本和高煤转化速率之间不易调和的问题，较多的实际测试表明，与现有技术相比可确保煤在原位气化化学链燃烧过程中的充分燃烧和高效转化。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种耦合化学链制氧的原位煤气化化学链燃烧系统，该系统由一套化学链制氧子系统和一套原位煤气化化学链燃烧子系统耦合而成，其特征在于：