CN103758592A - Co2气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法，该系统包括煤炭分级气化子系统、燃煤供热子系统、化学链燃烧子系统、发电子系统。利用本发明，气化煤先通过炭化过程进行部分气化，生成焦炉煤气和粗焦炭，粗焦炭再与CO₂反应生成CO，从而实现了煤的碳氢组分的分级气化，且省去了昂贵的空气分离单元，降低了系统能耗；CO通过化学链燃烧，降低了燃烧过程的损失，提高系统的

效率；而通过焦炉煤气补燃，避免了焦炉煤气的能量浪费，提高了燃气透平入口温度，解决了化学链燃烧动力系统因循环材料限制引起的燃气透平入口初温低的问题。化学链燃烧还原反应器中产生的CO₂由于未被N₂稀释，经过简单冷凝除去水蒸气即可实现CO₂的零能耗分离。

Description

CO2气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法

技术领域

本发明涉及气化和发电技术领域，尤其涉及一种CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法。 

背景技术

中国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤炭产量位居世界第一。在我国煤炭的利用方式较为粗放，一般直接作为燃料燃烧，进行供热或发电，而现有的直接燃煤蒸汽动力循环发电系统主要存在着效率低、污染严重、耗水量大等诸多问题，这势必会阻碍我国环境与经济的可持续发展。 

整体煤气化联合循环(IGCC)相对于燃煤电站来说，污染物排放量低、系统循环效率高、且易于在此基础上较经济地排除温室气体CO₂，是一种极具发展前景的洁净煤发电技术，目前已经在世界很多国家进入了IGCC电站的商业化示范和验证阶段。为了实现煤炭的高效洁净利用，在IGCC发电系统中，首先需将煤完全气化，然后经过煤气净化装置分离出污染物，干净的合成气最后通入联合循环装置中燃烧发电，从而实现煤的高效清洁利用。但煤炭的气化过程，一般以纯氧为气化剂，需设置空分单元，而这会导致分离能耗高，设备及系统复杂，投资高等问题，一般情况下，空气分离装置和煤气化炉的投资约占系统总投资的30％-40％。而要在IGCC系统尾部加装CO₂捕集分离装置，因分离能耗问题，会使系统的热转功效率下降7％-10％，且CO₂分离成本也相对较高。 

化学链燃烧是一种不同于传统的燃料与空气直接接触燃烧的燃烧方式，它通过金属氧化物作为传递氧的载体(氧载体)，将传统燃烧方式分解为两步反应，分别在还原反应器、氧化反应器中进行。金属氧化物在还原反应器中与燃料发生还原反应，反应过程中金属氧化物被还原成金属单质(或低价金属氧化物)，燃料氧化生成CO₂和H₂O。从还原反应器出来的金属单质(或低价金属氧化物)进入氧化反应器被空气氧化再生，放出 大量的热，同时产生高温烟气。由于还原反应器中，燃料与固体氧载体颗粒反应，从还原反应器中出来的H₂O和CO₂没有被N₂稀释，CO₂浓度较高，不需要专门的CO₂分离设备，经过简单的冷凝除去其中的水蒸气即可得到几乎纯净的CO₂，实现了零能耗分离CO₂，同时由于燃料品位降低到被还原后的金属单质(或低价金属氧化物)的品位，使得燃烧损失降低，提高了燃料燃烧的

效率。另外，传统燃烧方式，燃烧反应温度较高，局部火焰温度可达2273K，容易产生NO_x，而CLC氧化反应器中反应温度较低，且固体颗粒的高热容降低了局部温度，避免了NO_x的产生。 

由于化学链燃烧具有较好的CO₂减排效果及较高的燃料效率，使得将化学链燃烧与热力循环耦合的化学链燃烧动力系统突破了能源系统控制CO₂分离的零能耗技术难题，既提高了燃料化学能的转化和利用，又降低了CO₂分离的设备投资和能耗。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法，以解决传统煤气化发电系统中需要增设空分单元而引起的高能耗、高投资问题，同时能够以低成本、低能耗捕集CO₂，并加以循环利用，并且改善化学链燃烧动力系统中因循环材料限制引起的燃气透平入口初温较低的问题。 

(二)技术方案 

为了达到上述目的，本发明提供了一种CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，该系统包括煤炭分级气化子系统、燃煤供热子系统、化学链燃烧子系统和发电子系统，其中： 

气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化； 

供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高 温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收； 

CO经过化学链燃烧子系统，先将金属氧载体循环颗粒还原为金属单质，金属单质随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能； 

焦炉煤气经过化学链燃烧子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功； 

补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。 

上述方案中，所述煤炭分级气化子系统包括炭化室1、气化室2和除尘室3，其中： 

炭化室1，是炼焦设备，气化煤在其中吸收来自传热室的高温热量，在隔绝空气的情况下，经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油； 

气化室2，是气化设备，与炭化室并排排列，焦炭在气化室中吸收来自传热室的高温热量，与气化剂CO₂在高温条件下发生非催化气固反应，生成CO； 

第一除尘室3，是净化设备，用于对CO进行净化处理。 

上述方案中，所述燃煤供热子系统包括煤炭燃烧室4、第二除尘室5、传热室6、隔墙7、蓄热式换热器8和第一废热锅炉9，其中： 

煤炭燃烧室4，是燃烧设备，供热煤与预热空气在其中充分燃烧，释放高温热量； 

第二除尘室5，是净化设备，用于对高温烟气进行净化处理； 

传热室6，净化后高温烟气在其中以辐射、对流方式向隔墙7传递高温热量； 

隔墙7，以热传导方式将得到的热量传递到炭化室1和气化室2中； 

蓄热式换热器8，放热降温后的高温烟气通过蓄热式换热器预热空气，回收余热； 

第一废热锅炉9，是余热回收设备，燃煤烟气进行第二次余热回收， 初步预热新鲜空气，同时加热产生高压蒸汽。 

上述方案中，所述化学链燃烧子系统包括压气机10、热交换器11、还原反应器12、氧化反应器13、第一旋风分离器14、第二旋风分离器15和气固换热器16、废热锅炉17、第三除尘室18、煤气压气机19和补燃燃烧室20，其中： 

压气机10，用于对新鲜空气进行压缩处理； 

热交换器11，CO与压缩空气进行热交换； 

还原反应器12，用于NiO、CoO、Fe₂O₃等氧载体循环颗粒与换热后的CO进行还原反应，该反应是放热反应，无需添加热源设备； 

氧化反应器13，用于预热后的压缩空气与还原后的循环颗粒，如Ni、Co、Fe等金属单质发生强放热的氧化反应； 

第一及第二旋风分离器(14、15)，用于将气固混合物进行气固分离； 

气固换热器16，是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换，再次预热空气； 

第二废热锅炉17，回收焦炉煤气余热，加热产生高压蒸汽； 

煤气压气机19，用于对焦炉煤气进行压缩处理； 

补燃燃烧室20，用于焦炉煤气与接收来自旋风分离器15的高温烟气中的剩余O₂发生燃烧反应，进一步提高烟气温度。 

上述方案中，所述发电子系统包括燃气透平21、余热锅炉22、蒸汽透平23、冷凝器24和泵25，其中： 

燃气透平21，用于接收来自补燃燃烧室20的高温烟气，进行膨胀做功； 

余热锅炉22，用于回收来自燃气透平21排烟和来自旋风分离器14的还原反应生成烟气的余热，产生高压、中压、低压蒸汽，而将来自旋风分离器14的还原反应排烟经过简单冷凝后，即可以零能耗捕集得到高浓度CO₂，以供气化反应循环利用； 

蒸汽透平23，用于接收来自余热锅炉22和废热锅炉(9、17)产生的蒸汽，膨胀做功； 

冷凝器24，用于将蒸汽透平23排出的乏汽等压冷凝为液态给水； 

泵25，用于将给水绝热压缩，压力升高后进入余热锅炉22中，进行 下一蒸汽循环。 

上述方案中，该系统采用CO₂/焦炭气化方法，首先对气化煤进行炭化，生成焦炉煤气和粗焦炭，实现煤的部分气化，然后对粗焦炭进一步气化，气化剂CO₂与焦炭在高温下再发生强吸热气化反应C+CO₂→2CO。 

上述方案中，化学链燃烧还原反应器中产生的CO₂由于未被N₂稀释，经过简单冷凝除去水蒸气即可分离，此过程无需专门的CO₂分离装置和额外能耗，实现CO₂的零能耗分离。 

上述方案中，所述气化产生的CO进入化学链燃烧还原反应器后，与氧载体在一定温度下发生放热的还原反应，如CO+NiO→Ni+CO₂，还原后产生的金属Ni进入氧化反应器中与预热的压缩空气发生强放热的氧化反应2Ni+O₂→2NiO，金属Ni再生为金属氧载体NiO，然后返回还原反应器中进行下一次循环利用；化学链燃烧子系统分离出的CO₂能够返回分级气化子系统进行循环利用；在还原反应器中产生的CO₂由于未被N₂稀释，CO₂浓度高，经过冷凝可除去水蒸气并分离出CO₂，以供气化反应的循环利用，此过程无需专门的CO₂分离装置和额外能耗，实现CO₂的零能耗分离，具有很高的经济和环境效益。 

上述方案中，炭化过程产生的焦炉煤气作为燃料进入补燃燃烧室，与接收自旋风分离器的氧化反应高温排气中的剩余O₂，发生燃烧反应并放热，进一步提高燃气透平入口初温，解决了因保证循环材料物理性能的稳定性，使氧化反应温度受到限制，并造成燃气透平入口初温低的问题。 

为了达到上述目的，本发明还提供了一种应用所述的系统进行化学链燃烧发电的方法，该方法包括： 

气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成焦炭、焦炉煤气以及焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化； 

供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收； 

CO经过化学链燃烧子系统，先将氧载体循环颗粒还原为金属单质， 如Ni，Ni随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能； 

焦炉煤气经过补燃子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功； 

补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。 

(三)有益效果 

从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是： 

1、与常规以纯氧或空气为气化剂的气化方法相比，本发明所提供的CO₂/焦炭气化方法无需设置空分单元，减少了设备投资，降低了系统能耗；另外，传统气化炉的运行温度很高(约1500℃)，造成气化炉的尺寸大、造价很高，而新气化方法在一定程度上降低了气化温度(约1200℃)，这会为系统的投资和运行带来一定的经济利益。 

2、在常规的联合循环中，燃料气在燃气透平燃烧室中直接燃烧，温度很高会造成很大的不可逆损失，而本发明所提供的燃料气燃烧方式中，焦炭气化生成的CO进入化学链燃烧子系统中，在较低的温度下完成还原和氧化反应，可以提高燃料气化学能的转化和利用效率，降低不可逆损失。 

3、本发明通过将煤的分级气化系统与化学链燃烧动力系统进行互补整合，实现了煤的合理高效利用，同时由于化学链燃烧过程能够实现零能耗分离CO₂，无需单独设立CO₂分离单元，从而解决了因捕集分离CO₂而造成的高能耗和高成本的问题。 

4、本发明所提供的CO₂气化焦炭产生合成气进行化学链燃烧发电的系统及方法，通过采用补燃方式，克服了化学链燃烧动力系统因氧载体循环材料限制引起的燃气透平入口初温低的问题，提高了燃气透平入口初温，从而提高燃气透平出功量。补燃采用煤炭焦化过程中产生的焦炉煤气为燃料，使其得到合理利用。 

5、本发明通过将煤的分级气化系统与化学链燃烧动力系统进行互补整合，实现了物料的循环利用。金属氧载体在还原反应器(12)中被气化 产物CO还原为金属单质，进入氧化反应器(13)与压缩空气发生氧化反应再生为金属氧化物，然后返回还原反应器(12)进行循环利用。化学链燃烧过程产物CO₂经过分离后又可进入煤分级气化子系统进行下一次循环利用。 

附图说明

图1是依照本发明实施例的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统的示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 

如图1所示，图1是依照本发明实施例的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统的示意图。其中，1为炭化室，2为气化室，3、5、18为除尘室，4为煤炭燃烧室，6为传热室，7为隔墙，8为蓄热式换热器，9、17为废热锅炉，10为压气机，11为热交换器，12为还原反应器，13为氧化反应器，14、15为旋风分离器，16为气固换热器，19为煤气压气机，20为补燃燃烧室，21为燃气透平，22为余热锅炉，23为蒸汽透平，24为冷凝器，25为泵。S1为气化煤，S2为焦炭，S3为气化剂CO₂，S4为富CO粗合成气，S5为粗焦炉煤气，S6为供热煤，S7、S16为新鲜空气，S8为初步预热的空气，S9为二次预热的空气，S10为燃煤高温烟气，S11为除尘净化后的燃煤高温烟气，S12为高温放热后的烟气，S13为回收余热后的燃煤烟气，S14、S30为两股高压给水，S15、S31为加热后的高压蒸汽，S17为压缩空气，S18为净化后的CO，S19为换热降温后的CO，S20为初步预热的压缩空气，S21为二次预热后的压缩空气，S22为放热降温后的氧载体循环材料，例如NiO，S23为还原反应后的气固混合物，S24为经旋风分离器分离后的循环材料，例如Ni，S25为还原反应产生的烟气，S26为氧化反应后的气固混合物，S27为旋风分离后的循环材料NiO，S28为氧化反应后的高温排烟，S29为放热降温后的焦炉煤气，S32为净化后的焦炉煤气，S33为压缩焦炉煤气，S34为煤气燃烧后的高温排烟，S35为 膨胀做功后的排烟。 

依照图1所示，本发明提供的CO₂气化焦炭产生合成气进行化学链燃烧发电的系统，包括煤炭分级气化子系统、燃煤供热子系统、化学链燃烧子系统和发电子系统，其中：气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化；供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收；CO经过化学链燃烧子系统，先将金属氧载体NiO循环颗粒还原为金属单质Ni，金属单质Ni随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能；焦炉煤气经过化学链燃烧子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功；补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。 

煤炭分级气化子系统包括炭化室1、气化室2和第一除尘室3，其中：炭化室1，是炼焦设备，气化煤在其中吸收来自传热室的高温热量，在隔绝空气的情况下，经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油；气化室2，是气化设备，与炭化室并排排列，焦炭在气化室中吸收来自传热室的高温热量，与气化剂CO₂在高温条件下发生非催化气固反应，生成CO；第一除尘室3，是净化设备，用于对CO进行净化处理。 

燃煤供热子系统包括煤炭燃烧室4、第二除尘室5、传热室6、隔墙7、蓄热式换热器8和第一废热锅炉9，其中：煤炭燃烧室4，是燃烧设备，供热煤与预热空气在其中充分燃烧，释放高温热量；第二除尘室5，是净化设备，用于对高温烟气进行净化处理；传热室6，净化后高温烟气在其中以辐射、对流方式向隔墙7传递高温热量；隔墙7，以热传导方式将得到的热量传递到炭化室1和气化室2中；蓄热式换热器8，放热降温后的高温烟气通过蓄热式换热器预热空气，回收余热；第一废热锅炉9，是余热回收设备，燃煤烟气进行第二次余热回收，初步预热新鲜空气，同时加 热产生高压蒸汽。 

化学链燃烧子系统包括压气机10、热交换器11、还原反应器12、氧化反应器13、第一旋风分离器14、第二旋风分离器15、气固换热器16、废热锅炉17、第三除尘室18、煤气压气机19和补燃燃烧室20，其中：压气机10，用于对新鲜空气进行压缩处理；热交换器11，CO与压缩空气进行热交换；还原反应器12，用于氧载体循环颗粒NiO、CoO或Fe₂O₃等与换热后的CO进行还原反应，该反应是放热反应，无需添加热源设备；氧化反应器13，用于预热后的压缩空气与还原后的循环颗粒，如Ni、Co、Fe等金属单质，发生强放热的氧化反应；第一及第二旋风分离器(14、15)，用于将气固混合物进行气固分离；气固换热器16，是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换，再次预热空气；第二废热锅炉17，回收焦炉煤气余热，加热产生高压蒸汽；煤气压气机19，用于对焦炉煤气进行压缩处理；补燃燃烧室20，用于焦炉煤气与接收来自旋风分离器15的高温烟气中的剩余O₂发生燃烧反应，进一步提高烟气温度。 

发电子系统包括燃气透平21、余热锅炉22、蒸汽透平23、冷凝器24和泵25，其中：燃气透平21，用于接收来自补燃燃烧室20的高温烟气，进行膨胀做功；余热锅炉22，用于回收来自燃气透平21排烟和来自旋风分离器14的还原反应生成烟气的余热，产生高压、中压、低压蒸汽，而将来自旋风分离器14的还原反应排烟经过简单冷凝后，即可以零能耗捕集得到高浓度CO₂，以供气化反应循环利用；蒸汽透平23，用于接收来自余热锅炉22和第一及第二废热锅炉(9、17)产生的蒸汽，膨胀做功；冷凝器24，用于将蒸汽透平23排出的乏汽等压冷凝为液态给水；泵25，用于将给水绝热压缩，压力升高后进入余热锅炉22中，进行下一蒸汽循环。 

本发明提供的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统及方法，采用CO₂/焦炭气化方法，首先对气化煤进行炭化，生成富氢焦炉煤气和焦炭，实现煤的部分气化，然后对焦炭进一步气化，气化剂CO₂与焦炭在高温下再发生强吸热气化反应C+CO₂→2CO，产生的CO通入化学链燃烧反应器中，燃料被氧化后的排烟被捕集得到高浓度的CO₂，以供气化反应的循环利用；通过以上过程，实现煤的碳氢组分分级转化和化学能的梯级利用。 

气化产生的CO进入化学链燃烧还原反应器后，与金属氧载体NiO在 一定温度下发生放热的还原反应CO+NiO→Ni+CO₂，还原后产生的金属单质Ni进入氧化反应器中与预热的压缩空气发生强放热的氧化反应2Ni+O₂→2NiO，金属单质Ni再生为金属氧载体NiO，然后返回还原反应器中进行下一次循环利用；化学链燃烧子系统分离出的CO₂能够返回分级气化子系统进行循环利用；在还原反应器中产生的CO₂由于未被N₂稀释，CO₂浓度高，经过冷凝可除去水蒸气并分离出CO₂，以供气化反应的循环利用，此过程无需专门的CO₂分离装置和额外能耗，实现CO₂的零能耗分离，具有很高的经济和环境效益。 

为了避免氧载体高温烧结及产生热力型NO_x，需要控制氧化反应器中温度不超过1200℃，而为了与燃气透平入口温度相匹配，需要对氧化反应后的高温烟气进行补燃，炼焦过程产生的焦炉煤气作为燃料进入补燃燃烧室，与接收自旋风分离器的氧化反应高温排气中的剩余O₂，发生燃烧反应并放热，进一步提高燃气透平入口初温，解决了因保证循环材料物理性能的稳定性，使氧化反应温度受到限制，并造成燃气透平入口初温低的问题。 

进一步地，基于图1所示的系统，本发明还提供了一种应用所述的系统进行化学链燃烧发电的方法，该方法包括： 

气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成焦炭、焦炉煤气以及焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化； 

供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收； 

CO经过化学链燃烧子系统，先将氧载体NiO循环颗粒还原为金属单质Ni，金属单质Ni随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能； 

焦炉煤气经过补燃子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功； 

补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热 锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。 

具体的，本发明还提供的这种应用所述的系统进行化学链燃烧发电的方法，气化煤S1进入炭化室1中，在隔绝空气的情况下，吸收来自传热室6的高温热量，生成1000℃左右的焦炭S2和700℃左右的粗焦炉煤气S5，高温焦炭S2与气化剂CO₂S3在气化室2中发生吸热反应(C+CO₂→2CO)，同样吸收来自传热室6的热量，产生高温CO S4。供热煤S6与预热空气S9在外置的煤炭燃烧室4内燃烧产生高温烟气S10，高温烟气经过除尘室5净化后进入传热室6，在传热室6中通过隔墙7同时向炭化室1和气化室2传递热量，放热后的烟气S12通过蓄热式换热器8来预热空气S8，而从蓄热式换热器出来的烟气进入废热锅炉9中，加热空气S7，同时产生一股高温高压蒸汽S15。气化室2中产生的高温CO S4先经过除尘室3处理后，在热交换器11中初步预热压缩空气S17，降温后的CO S19进入还原反应器12中，与氧载体循环材料NiO S22在一定温度下发生放热的还原反应(CO+NiO→Ni+CO₂)，还原反应后的气固混合物S23，进入旋风分离器14，分离出的高浓度CO₂烟气S25进入余热锅炉22中回收余热，分离出的循环材料金属Ni S24则进入氧化反应器13中与二次预热后的压缩空气S21发生强放热的氧化反应(2Ni+O₂→2NiO)，金属Ni再生为NiO，氧化反应后的气固混合物S26，进入旋风分离器15中，分离出的氧载体循环材料S27通过气固换热器16回收高温余热，同时加热压缩空气S20，降温后的循环材料S22返回还原反应器12中进行再次循环利用。从炭化室1所生产的700℃的粗焦炉煤气S5，在废热锅炉17中放热降温，同时加热产生另一股高压蒸汽S31，放热降温后的焦炉煤气S29经过除尘室18净化后，再通过煤气压气机19加压后，进入补燃燃烧室20与氧化反应产生的高温排烟S28中的剩余O₂混合燃烧，进一步提高烟气温度。煤气燃烧后的高温排烟S34进入燃气透平21做功后，膨胀做功后的排烟S35尚有余热可以利用，故进入余热锅炉22中回收其余热，同时加热产生高压蒸汽，与废热锅炉9、17中产生的少量蒸汽一起进入蒸汽透平23做功。 

以上的实施例采用ASPEN PLUS软件进行了模拟计算，环境温度和压力分别取25℃和0.1013MPa。模拟计算时，气化煤炭化侧参考河北宣化 钢铁公司焦化厂JN60-82型焦炉的测试数据，取进入炭化室的气化煤的干燥基工业分析值为：挥发分V_d为26％，灰分A_d为10.82％，固定碳FC_d为63.18％。1kg的气化煤大约可以产生0.7062kg的焦炭和0.1406kg的焦炉煤气，其余的副产品焦油和联苯等则在模拟中不予考虑。炭化过程中所消耗的热量大约为2410.7kJ/kg(气化煤)。取炭化室的温度为1050℃，从炭化室出来的1000℃左右焦炭的空气干燥基固定碳含量为84.21％，焦炉煤气温度约为700℃。供热侧选用大同燃煤，其收到基成分及热值如表1所示。另外，选择焦炭的气化反应温度为1100℃，气化压力为15bar，CO₂/焦炭质量比为2.2，选择金属氧载体为NiO，其与CO的反应温度为600℃。而动力过程的模拟参数设定如表2所示。系统中关键物流参数如表3所示，表中物流编号与例图中相对应。 

为全面合理评价系统性能，采用基于热力学第一定律的热效率对系统性能进行分析评价，根据本发明所提供的系统特点，选择参比系统为分离CO₂的整体煤气化联合循环IGCC，其主要气化参数值选择当前技术水平下的典型值，且动力循环的参数值与本发明所提供的动力循环中的一致。 

从表4可以看出，模拟条件下，CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统消耗气化煤25.0MJ，供热煤14.1MJ，输出功量为18.9MW，热效率为48.4％。在消耗同样多气化煤的情况下，参比系统的输出功量则为8.9MJ，热效率为35.6％，低于本发明的系统热效率。表明本发明CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统具有很好的系统热力性能与经济效益，节能效果明显。 

本发明系统效率提高的根本原因在于： 

1、气化能耗的降低：实施例中采用CO₂为气化剂，气化焦炭产生CO，而高浓度CO₂则可从系统末端余热锅炉中的一股排烟中直接得到，相比于传统气化方式中以纯氧为气化剂，本发明省去了因制取纯氧而需单独设置的高能耗空气分离单元，有效降低了气化系统能耗，且减少了设备投资。 

2、化学链燃烧实现燃料化学能的梯级利用：实施例中采用化学链燃烧，将传统燃料直接燃烧方式转变为化学链燃烧方式，降低了燃料品位，大大减小了燃烧损失；通过回收高温氧载体循环材料显热，用于预热压缩空气，降低了换热

损失。 

3、焦炉煤气得到合理利用：实施例中采用了焦炉煤气补燃，克服了化 学链燃烧动力系统因循环材料限制引起的燃气透平入口初温低的问题，同时焦炉煤气在较高温度下燃烧，大大减少了焦炉煤气的燃烧损失。 

表1供热煤的成分(质量比，％)及热值 

表2系统动力过程的模拟参数 

表3系统主要物流的参数 

表4新系统和参比系统热力性能比较 

注： 

表4中计算公式： 

系统热效率＝系统净输出功/(气化煤热值+供热煤热值)； 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，该系统包括煤炭分级气化子系统、燃煤供热子系统、化学链燃烧子系统和发电子系统，其中：

气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化；

供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收；

CO经过化学链燃烧子系统，先将金属氧载体循环颗粒还原为金属单质，金属单质随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能；

焦炉煤气经过化学链燃烧子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功；

补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。

2.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述煤炭分级气化子系统包括炭化室(1)、气化室(2)和第一除尘室(3)，其中：

炭化室(1)，是炼焦设备，气化煤在其中吸收来自传热室的高温热量，在隔绝空气的情况下，经过粘结和结焦过程生成粗焦炭、焦炉煤气以及少量的焦油；

气化室(2)，是气化设备，与炭化室并排排列，焦炭在气化室中吸收来自传热室的高温热量，与气化剂CO₂在高温条件下发生非催化气固反应，生成CO；

第一除尘室(3)，是净化设备，用于对CO进行净化处理。

3.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述燃煤供热子系统包括煤炭燃烧室(4)、第二除尘室(5)、传热室(6)、隔墙(7)、蓄热式换热器(8)和第一废热锅炉(9)，其中：

煤炭燃烧室(4)，是燃烧设备，供热煤与预热空气在其中充分燃烧，释放高温热量；

第二除尘室(5)，是净化设备，用于对高温烟气进行净化处理；

传热室(6)，净化后高温烟气在其中以辐射、对流方式向隔墙(7)传递高温热量；

隔墙(7)，以热传导方式将得到的热量传递到炭化室(1)和气化室(2)中；

蓄热式换热器(8)，放热降温后的高温烟气通过蓄热式换热器预热空气，回收余热；

第一废热锅炉(9)，是余热回收设备，燃煤烟气进行第二次余热回收，初步预热新鲜空气，同时加热产生高压蒸汽。

4.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述化学链燃烧子系统包括压气机(10)、热交换器(11)、还原反应器(12)、氧化反应器(13)、第一旋风分离器(14)、第二旋风分离器(15)、气固换热器(16)、废热锅炉(17)、第三除尘室(18)、煤气压气机(19)和补燃燃烧室(20)，其中：

压气机(10)，用于对新鲜空气进行压缩处理；

热交换器(11)，CO与压缩空气进行热交换；

还原反应器(12)，用于氧载体循环颗粒与换热后的CO进行还原反应，该反应是放热反应，无需添加热源设备；

氧化反应器(13)，用于预热后的压缩空气与还原后的循环颗粒发生强放热的氧化反应；

第一及第二旋风分离器(14、15)，用于将气固混合物进行气固分离；

气固换热器(16)，是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换，再次预热空气；

废热锅炉(17)，回收焦炉煤气余热，加热产生高压蒸汽；

煤气压气机(19)，用于对焦炉煤气进行压缩处理；

补燃燃烧室(20)，用于焦炉煤气与接收来自旋风分离器(15)的高温烟气中的剩余O₂发生燃烧反应，进一步提高烟气温度。

5.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述发电子系统包括燃气透平(21)、余热锅炉(22)、蒸汽透平(23)、冷凝器(24)和泵(25)，其中：

燃气透平(21)，用于接收来自补燃燃烧室(20)的高温烟气，进行膨胀做功；

余热锅炉(22)，用于回收来自燃气透平(21)排烟和来自旋风分离器(14)的还原反应生成烟气的余热，产生高压、中压、低压蒸汽，而将来自旋风分离器(14)的还原反应排烟经过简单冷凝后，即可以零能耗捕集得到高浓度CO₂，以供气化反应循环利用；

蒸汽透平(23)，用于接收来自余热锅炉(22)和废热锅炉(9、17)产生的蒸汽，膨胀做功；

冷凝器(24)，用于将蒸汽透平(23)排出的压冷凝为液态给水；

泵(25)，用于将给水绝热压缩，压力升高后进入余热锅炉(22)中，进行下一蒸汽循环。

6.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，该系统采用CO₂/焦炭气化方法，首先对气化煤进行炭化，生成焦炉煤气和粗焦炭，实现煤的部分气化，然后对粗焦炭进一步气化，气化剂CO₂与焦炭在高温下再发生强吸热气化反应C+CO₂→2CO。

7.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，化学链燃烧还原反应器中产生的CO₂由于未被N₂稀释，经过简单冷凝除去水蒸气即可分离，此过程无需专门的CO₂分离装置和额外能耗，实现CO₂的零能耗分离。

8.根据权利要求7所述的CO₂气化焦炭的化学链燃烧发电系统，其特征在于，所述气化产生的CO进入化学链燃烧还原反应器后，与金属氧载体在一定温度下发生放热的还原反应，还原后产生的金属单质进入氧化反应器中与预热的压缩空气发生强放热的氧化反应，金属单质再生为金属氧载体，然后返回还原反应器中进行下一次循环利用；化学链燃烧子系统分离出的CO₂能够返回分级气化子系统进行循环利用。

9.根据权利要求1所述的CO₂气化焦炭产生合成气进行化学链燃烧发电的系统，其特征在于，炭化过程产生的焦炉煤气作为燃料进入补燃燃烧室，与接收自旋风分离器的氧化反应高温排气中的剩余O₂，发生燃烧反应并放热，进一步提高燃气透平入口初温，解决了因保证循环材料物理性能的稳定性，使氧化反应温度受到限制，并造成燃气透平入口初温低的问题。

10.一种应用权利要求1至9中任意一项所述的系统进行化学链燃烧发电的方法，其特征在于，该方法包括：

气化煤首先经过煤炭分级气化子系统，在炭化室中吸收来自隔墙的热量，并经过粘结和结焦过程生成焦炭、焦炉煤气以及焦油，焦炭随后进入气化室中与气化剂CO₂发生反应，产生CO，实现煤的碳氢组分的分级气化；

供热煤经过燃煤供热子系统，在外置的燃烧室中燃烧放热，产生的高温烟气除尘以后进入传热室，通过隔墙同时向炼焦及气化过程供应高温热量，燃烧后产生的烟气进行余热回收；

CO经过化学链燃烧子系统，先将氧载体循环颗粒还原为金属单质，金属单质随后被空气氧化再生，放热产生高温烟气，将CO的化学能转化为高温烟气的热能；

焦炉煤气经过补燃子系统，与氧载体循环材料再生过程产生的高温排烟中的剩余O₂在燃气透平燃烧室中发生反应，进一步提高烟气温度驱动燃气透平做功；

补燃后的烟气经过发电子系统，在燃气透平中膨胀做功，而后在余热锅炉中回收余热，产生蒸汽做功后，排入环境中。