CN106244241B - 一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置及方法 - Google Patents

一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤气化制合成气与化学链制氧‑制氢联合循环装置及方法，本发明省去了高投资、高耗能深冷空分制氧单元，有助于提高系统效率；相对于传统的煤气化制氢装置，只要经历气化、燃烧及水分解制氢三个过程，流程比较简单；H2纯度大为提高，高达99％以上；实现高纯度CO2捕集，大大减少CO2排放；生产高纯度O2，其纯度远高于深冷空分制氧，制得的合成气纯度较传统的煤气化装置高；适应煤气化炉的变负荷运行；工作在加压状态下，压力可随煤气化炉需要而定，不会影响生成的CO2、O2及H2纯度；灵活调节生成合成气与H2的比例。

Description

一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置及 方法
技术领域
本发明涉及煤气化制合成气及氢气领域，尤其是一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置及方法。
背景技术
我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤炭的转化利用是国家经济发展的重要支柱。而我国目前的煤炭转化过程普遍存在着效率低、污染重等问题，要实现可持续发展，必须大力发展洁净煤技术。而煤气化作为洁净煤技术发展的核心技术之一，是发展煤基大宗化学品和液体燃料合成、整体煤气化联合循环(IGCC)发电系统、多联产系统、制氢等工业过程的基础和关键技术。煤气化是将煤中的碳、氢转化为合成气的过程。与煤的直接燃烧相比，气化是对煤中所蕴含的化学能的阶梯利用，可充分利用煤中的碳、氢元素，产生的污染物比较容易脱除。发展以煤气化为核心的多联产技术已成为各国高效清洁利用煤炭的热点技术和重要发展方向。
氢气是一种理想燃料，其在空气中的主要燃烧产物为水，不会造成环境污染，同时大大降低温室气体的排放，且热值高达143kJ/kg，是除核燃料外的所有化石、化工和生物质燃料中最高的。氢气是现代工业的重要原料，主要用于石油精炼和石化工业如合成氨和甲醇，也被用作航空工业中火箭燃料及冶金工业中的还原气，在现代社会中具有举足轻重的地位。此外，燃料电池的出现使得氢气应用进入了新的时代。燃料电池将氢的化学能通过电化学反应直接转化为电能，没有任何污染，发电效率可达50％，远远高于内燃机效率，氢燃料电池的出现提供了一种零排放、无污染的交通运输方式。目前，各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统，有人预计氢能将在21世纪引发一场新的能源技术革命，使世界最终摆脱“碳氢经济”所带来的诸多困扰，进入清洁、安全的“氢经济”时代。
目前，化石能源仍是主要的制氢能源来源，基于我国是以煤为主要化石能源的国家这一基本事实，大力发展煤气化制氢是一个必然选择。考虑到CO2是一种主要的温室气体，应在化石燃料的利用过程中对CO2进行捕集封存，以达到CO2减排的目的。所以，煤气化制合成气及氢气协同捕集CO2是一种具有良好发展前景的洁净煤多联产利用技术。
现有的煤气化技术需要高耗能的深冷空气制氧过程，且煤气化制氢需要经历气化、脱硫、重整、变换、酸性气体脱除和变压吸附等过程。虽然技术成熟，但工艺复杂、耗能高、制氢效率低，还会向环境中排放大量CO2，加重地球温室效应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置及方法，在避免高耗能的空分制氧的同时，能生产纯度高达99％的氢气，并能有效调节生成合成气和H2的不利，且能有效分离捕集CO2。
为解决上述技术问题，本发明提供一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，包括煤气化炉1，化学链燃烧单元，化学链制氧-制氢单元，换热器和管线；
煤气化炉1由煤气化炉本体1a、煤气化炉对应旋风分离器1b和煤气化炉对应立管1c组成，煤气化炉对应旋风分离器1b串接于煤气化炉本体1a出口并通过煤气化炉对应立管1c与煤气化炉本体1a相连，煤气化炉对应旋风分离器1b上部出口管路一分为二，一路与第二换热器6b相连，另一路通过第一开关控制阀8a与燃料反应器本体2a相连；
化学链燃烧单元由燃料反应器2和空气反应器3组成，燃料反应器2由燃料反应器本体2a、燃料反应器对应旋风分离器2b和燃料反应器对应立管2c组成，燃料反应器对应旋风分离器2b串接于燃料反应器本体2a出口并通过燃料反应器对应立管2c与燃料反应器本体2a相连，燃料反应器对应旋风分离器2b上部出口与第一换热器6a相连；空气反应器3由空气反应器本体3a、空气反应器对应旋风分离器3b和空气反应器对应立管3c组成，空气反应器对应旋风分离器3b串接于空气反应器本体3a出口并通过空气反应器对应立管3c与燃料反应器本体2a相连，空气反应器对应旋风分离器3b上部出口与第五换热器7相连；空气反应器本体3a通过燃料反应器与空气反应器间返料管与燃料反应器本体2a相连；
化学链制氧-制氢单元由制氧反应器4与制氢反应器5组成，制氧反应器4由制氧反应器本体4a、制氧反应器对应旋风分离器4b和制氧反应器对应立管4c组成，制氧反应器本体4a嵌入在空气反应器本体3a中以利于两者之间的传热，制氧反应器对应旋风分离器4b串接于制氧反应器本体4a出口并通过制氧反应器对应立管4c与制氢反应器本体5a相连，制氧反应器对应旋风分离器4b上部出口管路一分为二，一路通过第二开关控制阀8b与第三换热器6c相连，另一路与煤气化炉本体1a相连；制氢反应器5由制氢反应器本体5a、制氢反应器对应旋风分离器5b和制氢反应器对应立管5c组成，制氢反应器对应旋风分离器5b串接于制氢反应器本体5a出口并通过制氢反应器对应立管5c与制氢反应器本体5a相连，制氢反应器对应旋风分离器5b上部出口与第四换热器6d相连，制氢反应器本体5a通过制氧反应器与制氢反应器间返料管4-5与制氧反应器本体4a相连；
环境空气H通过第五换热器7加热后进入空气反应器本体3a；水N依次经过第四换热器6d、第三换热器6c、第二换热器6b和第一换热器6a加热成为水蒸气O，并分流进入煤气化炉本体1a、制氧反应器本体4a以及制氢反应器本体5a参加反应。
优选的，煤气化炉本体1a使用多种床层形式，包括移动床、流化床和气流床。
优选的，制氧反应器4使用水蒸气O作为流化风。
优选的，化学链燃烧单元中循环的固体物质为载氧体，该载氧体为具有抗高温烧结能力的活性金属氧化物MexOy/MexOy-δ与惰性载体的混合物，也为钙钛矿。
优选的，化学链制氧-制氢单元中循环的固体物质为氧交换材料，该氧交换材料为具有释氧功能的金属氧化物与惰性载体的混合物，也为BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列钙钛矿。
相应的，一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，包括如下步骤：
(1)将煤A、水蒸气O及O2、H2O混合气R通入煤气化炉本体1a中发生煤气化反应生成合成气B，煤气化炉本体1a的工作压力取决于合成气的用途及合成气后续处理工艺所需的压力，煤气化炉本体1a出口温度控制在850～950℃；反应产物进入煤气化炉对应旋风分离器1b分离，合成气B通过煤气化炉对应旋风分离器1b顶部出口逸出，固体产物灰颗粒经过煤气化炉对应立管1c返回到煤气化炉本体1a中再循环，灰渣Q通过煤气化炉本体1a底部排出；从煤气化炉对应旋风分离器1b顶部逸出的合成气B分为两部分，其中一部分通过第一开关控制阀8a进入燃料反应器本体2a进行燃烧，另一部分进入第二换热器6b进行冷却后储存或者作为其他流程的化工原料；
(2)燃料反应器本体2a处于鼓泡流态化状态，温度控制在900～1050℃，进入燃料反应器本体2a的合成气P与其中的氧化态载氧体发生反应生成还原态载氧体及CO2、H2O混合气E，反应产物进入燃料反应器对应旋风分离器2b分离，CO2、H2O混合气E通过燃料反应器对应旋风分离器2b顶部出口逸出并进入第一换热器6a中冷却生成冷凝水C和高纯度二氧化碳D，高纯度二氧化碳D利于后续的封存，还原态载氧体经过燃料反应器对应立管2c返回到燃料反应器本体2a中再循环，还原态载氧体通过燃料反应器本体2a底部的燃料反应器与空气反应器间返料管2-3排出并进入空气反应器本体3a；空气反应器本体3a处于快速流态化状态，温度控制在1050～1200℃，还原态载氧体在空气反应器本体3a中与空气H反应生成欠氧空气G与氧化态载氧体，反应产物进入空气反应器对应旋风分离器3b分离，欠氧空气G通过空气反应器对应旋风分离器3b顶部出口逸出并进入第五换热器7中进行冷却排空，氧化态载氧体经过空气反应器对应立管3c返回到燃料反应器本体2a中再循环；空气反应器本体3a中发生的化学反应为强放热反应，其热量被传递给嵌入在空气反应器本体3a中的制氧反应器本体4a；
(3)制氧反应器本体4a处于快速流态化状态，温度控制在1000～1150℃，在热量作用下，制氧反应器本体4a中的氧化态氧交换材料释放出O2并生成还原态氧交换材料，反应产物进入制氧反应器对应旋风分离器4b分离，O2、H2O混合气I通过制氧反应器对应旋风分离器4b顶部出口逸出，还原态氧交换材料经过制氧反应器对应立管4c进入制氢反应器本体5a中再循环；从制氧反应器对应旋风分离器4b顶部逸出的O2、H2O混合气I分为两部分，其中一部分进入煤气化炉本体2a参加煤气化反应，另一部分通过第二开关控制阀8b进入第三换热器6c进行冷却后生成冷凝水C和高纯度氧气K，对高纯度氧气K进行储存或者作为其他流程的化工原料；制氢反应器本体5a处于鼓泡流态化状态，温度控制在750～900℃，进入制氢反应器本体5a中的还原态氧交换材料与其中的水蒸气O反应生成H2与氧化态氧交换材料，反应产物进入制氢反应器对应旋风分离器5b分离，H2、H2O混合气L通过制氢反应器对应旋风分离器5b顶部出口逸出并进入第四换热器6d中进行冷却生成冷凝水C和高纯度氢气M，可对高纯度氢气M进行储存或者作为其他流程的化工原料，还原态氧交换材料经过制氢反应器对应立管5c返回到制氢反应器本体5a中再循环，氧化态载氧体通过制氢反应器本体5a底部的制氧反应器与制氢反应器间返料管4-5排出并进入制氧反应器本体4a；
(4)对于需要从装置外部输入的气体原料空气H和水蒸气O，将环境空气H通入第五换热器7中与从空气反应器对应旋风分离器3b中逸出的欠氧空气G换热达到500～600℃后进入空气反应器本体3a中参加反应；将水N依次经过第四换热器6d、第三换热器6c、第二换热器6b和第一换热器6a进行加热，最终成为温度约700～850℃的水蒸气O，并分流进入煤气化炉本体1a、制氧反应器本体4a以及制氢反应器本体5a参加反应。
优选的，工作在加压状态下，压力大小与煤气化炉本体1a的工作压力相等。
优选的，在煤气化炉1负荷变化条件下，先通过调节第二开关控制阀8b对进入煤气化炉1中的氧气量进行调节；当第二开关控制阀8b调节范围不能满足需要时，再通过第一开关控制阀8a调节进入燃料反应器本体2a的合成气P量，从而控制化学链燃烧单元的放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中氧气生成量的调节，以维持进入煤气化炉1中的氧煤比。
优选的，在煤气化炉1负荷恒定条件下，通过第一开关控制阀8a调节进入燃料反应器本体2a的合成气P量，从而控制化学链燃烧单元放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中氢气M生成量的调节，最终达到调节合成气F与氢气M生成比例的目的。
优选的，第一换热器6a出口得到的二氧化碳D作为煤气化炉1输送煤A的载气。
本发明的有益效果为：省去了高投资、高耗能深冷空分制氧单元，有助于提高系统效率；相对于传统的煤气化制氢装置，只要经历气化、燃烧及水分解制氢三个过程，流程比较简单；H2纯度大为提高，高达99％以上；实现高纯度CO2捕集，大大减少CO2排放；生产高纯度O2，其纯度远高于深冷空分制氧，制得的合成气纯度较传统的煤气化装置高；适应煤气化炉的变负荷运行；工作在加压状态下，压力可随煤气化炉需要而定，不会影响生成的CO2、O2及H2纯度；灵活调节生成合成气与H2的比例。
附图说明
图1是本发明的整体装置结构示意图。
其中，1、煤气化炉；1a、煤气化炉本体；1b、煤气化炉对应旋风分离器；2、燃料反应器；2a、燃料反应器本体；2b、燃料反应器对应旋风分离器；3、空气反应器；3a、空气反应器本体；2-3、燃料反应器与空气反应器间返料管；4、制氧反应器；4a、制氧反应器本体；5、制氢反应器、5a、制氢反应器本体；5b、制氢反应器对应旋风分离器；5c、制氢反应器对应立管；4-5、制氧反应器与制氢反应器间返料管；6a、第一换热器；6b、第二换热器；6c、第三换热器；6d、第四换热器；7、第五换热器；8a、第一开关控制阀；8b、第二开关控制阀；A、煤；B、煤气化炉生成总合成气；C、冷凝水；D、高纯CO2；E、H2O、CO2混合气；F、冷却后合成气；G、欠氧空气；H、空气；I、制氧反应器生成总O2、H2O混合气；M、高纯H2、N、水；O、水蒸气；P、进入燃料反应器本体合成气；Q、灰渣；R、进入煤气化炉O2、H2O混合气。
具体实施方式
如图1所示，一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，包括煤气化炉1，化学链燃烧单元，化学链制氧-制氢单元，换热器和管线；
煤气化炉1由煤气化炉本体1a、煤气化炉对应旋风分离器1b和煤气化炉对应立管1c组成，煤气化炉对应旋风分离器1b串接于煤气化炉本体1a出口并通过煤气化炉对应立管1c与煤气化炉本体1a相连，煤气化炉对应旋风分离器1b上部出口管路一分为二，一路与第二换热器6b相连，另一路通过第一开关控制阀8a与燃料反应器本体2a相连；煤气化炉本体1a使用多种床层形式，包括移动床、流化床和气流床。
化学链燃烧单元由燃料反应器2和空气反应器3组成，燃料反应器2由燃料反应器本体2a、燃料反应器对应旋风分离器2b和燃料反应器对应立管2c组成，燃料反应器对应旋风分离器2b串接于燃料反应器本体2a出口并通过燃料反应器对应立管2c与燃料反应器本体2a相连，燃料反应器对应旋风分离器2b上部出口与第一换热器6a相连；空气反应器3由空气反应器本体3a、空气反应器对应旋风分离器3b和空气反应器对应立管3c组成，空气反应器对应旋风分离器3b串接于空气反应器本体3a出口并通过空气反应器对应立管3c与燃料反应器本体2a相连，空气反应器对应旋风分离器3b上部出口与第五换热器7相连；空气反应器本体3a通过燃料反应器与空气反应器间返料管与燃料反应器本体2a相连；化学链燃烧单元中循环的固体物质为载氧体，该载氧体可为具有抗高温烧结能力的活性金属氧化物MexOy/MexOy-δ(其中MexOy表示金属氧化物的氧化态，MexOy-δ表示其还原态，如Fe2O3/Fe3O4、CoO/Co、Mn3O4/MnO或NiO/Ni等，MexOy/MexOy-δ可表示其中的一种，也可表示其中几种的混合物)与惰性载体(包括Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、YSZ、SiO2、TiO2等)的混合物，也可为钙钛矿，如BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列、BaxSr1-xCoO3-δ系列及LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列等。
化学链制氧-制氢单元由制氧反应器4与制氢反应器5组成，制氧反应器4由制氧反应器本体4a、制氧反应器对应旋风分离器4b和制氧反应器对应立管4c组成，制氧反应器本体4a嵌入在空气反应器本体3a中以利于两者之间的传热，制氧反应器对应旋风分离器4b串接于制氧反应器本体4a出口并通过制氧反应器对应立管4c与制氢反应器本体5a相连，制氧反应器对应旋风分离器4b上部出口管路一分为二，一路通过第二开关控制阀8b与第三换热器6c相连，另一路与煤气化炉本体1a相连；制氢反应器5由制氢反应器本体5a、制氢反应器对应旋风分离器5b和制氢反应器对应立管5c组成，制氢反应器对应旋风分离器5b串接于制氢反应器本体5a出口并通过制氢反应器对应立管5c与制氢反应器本体5a相连，制氢反应器对应旋风分离器5b上部出口与第四换热器6d相连，制氢反应器本体5a通过制氧反应器与制氢反应器间返料管4-5与制氧反应器本体4a相连；制氧反应器4使用水蒸气O作为流化风。化学链制氧-制氢单元中循环的固体物质为氧交换材料，该氧交换材料可为具有释氧功能的CuO、CoO、MnO2等金属氧化物与Al2O3、ZrO2、MgAl2O4、YSZ、SiO2、TiO2等惰性载体的混合物，也可为BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ系列钙钛矿，如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ等。
环境空气H通过第五换热器7加热后进入空气反应器本体3a；水N依次经过第四换热器6d、第三换热器6c、第二换热器6b和第一换热器6a加热成为水蒸气O，并分流进入煤气化炉本体1a、制氧反应器本体4a以及制氢反应器本体5a参加反应。
相应的，一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，包括如下步骤：
(1)将煤A、水蒸气O及O2、H2O混合气R通入煤气化炉本体1a中发生煤气化反应生成合成气B，煤气化炉本体1a的工作压力取决于合成气的用途及合成气后续处理工艺所需的压力，煤气化炉本体1a出口温度控制在850～950℃；反应产物进入煤气化炉对应旋风分离器1b分离，合成气B通过煤气化炉对应旋风分离器1b顶部出口逸出，固体产物灰颗粒经过煤气化炉对应立管1c返回到煤气化炉本体1a中再循环，灰渣Q通过煤气化炉本体1a底部排出；从煤气化炉对应旋风分离器1b顶部逸出的合成气B分为两部分，其中一部分通过第一开关控制阀8a进入燃料反应器本体2a进行燃烧，另一部分进入第二换热器6b进行冷却后储存或者作为其他流程的化工原料；
(2)燃料反应器本体2a处于鼓泡流态化状态，温度控制在900～1050℃，进入燃料反应器本体2a的合成气P与其中的氧化态载氧体发生反应生成还原态载氧体及CO2、H2O混合气E，反应产物进入燃料反应器对应旋风分离器2b分离，CO2、H2O混合气E通过燃料反应器对应旋风分离器2b顶部出口逸出并进入第一换热器6a中冷却生成冷凝水C和高纯度二氧化碳D，高纯度二氧化碳D利于后续的封存，还原态载氧体经过燃料反应器对应立管2c返回到燃料反应器本体2a中再循环，还原态载氧体通过燃料反应器本体2a底部的燃料反应器与空气反应器间返料管2-3排出并进入空气反应器本体3a；空气反应器本体3a处于快速流态化状态，温度控制在1050～1200℃，还原态载氧体在空气反应器本体3a中与空气H反应生成欠氧空气G与氧化态载氧体，反应产物进入空气反应器对应旋风分离器3b分离，欠氧空气G通过空气反应器对应旋风分离器3b顶部出口逸出并进入第五换热器7中进行冷却排空，氧化态载氧体经过空气反应器对应立管3c返回到燃料反应器本体2a中再循环；空气反应器本体3a中发生的化学反应为强放热反应，其热量被传递给嵌入在空气反应器本体3a中的制氧反应器本体4a；
(3)制氧反应器本体4a处于快速流态化状态，温度控制在1000～1150℃，在热量作用下，制氧反应器本体4a中的氧化态氧交换材料释放出O2并生成还原态氧交换材料，反应产物进入制氧反应器对应旋风分离器4b分离，O2、H2O混合气I通过制氧反应器对应旋风分离器4b顶部出口逸出，还原态氧交换材料经过制氧反应器对应立管4c进入制氢反应器本体5a中再循环；从制氧反应器对应旋风分离器4b顶部逸出的O2、H2O混合气I分为两部分，其中一部分进入煤气化炉本体2a参加煤气化反应，另一部分通过第二开关控制阀8b进入第三换热器6c进行冷却后生成冷凝水C和高纯度氧气K，对高纯度氧气K进行储存或者作为其他流程的化工原料；制氢反应器本体5a处于鼓泡流态化状态，温度控制在750～900℃，进入制氢反应器本体5a中的还原态氧交换材料与其中的水蒸气O反应生成H2与氧化态氧交换材料，反应产物进入制氢反应器对应旋风分离器5b分离，H2、H2O混合气L通过制氢反应器对应旋风分离器5b顶部出口逸出并进入第四换热器6d中进行冷却生成冷凝水C和高纯度氢气M，可对高纯度氢气M进行储存或者作为其他流程的化工原料，还原态氧交换材料经过制氢反应器对应立管5c返回到制氢反应器本体5a中再循环，氧化态载氧体通过制氢反应器本体5a底部的制氧反应器与制氢反应器间返料管4-5排出并进入制氧反应器本体4a；
(4)对于需要从装置外部输入的气体原料空气H和水蒸气O，将环境空气H通入第五换热器7中与从空气反应器对应旋风分离器3b中逸出的欠氧空气G换热达到500～600℃后进入空气反应器本体3a中参加反应；将水N依次经过第四换热器6d、第三换热器6c、第二换热器6b和第一换热器6a进行加热，最终成为温度约700～850℃的水蒸气O，并分流进入煤气化炉本体1a、制氧反应器本体4a以及制氢反应器本体5a参加反应。
工作在加压状态下，压力大小与煤气化炉本体1a的工作压力相等。
在煤气化炉1负荷变化条件下，先通过调节第二开关控制阀8b对进入煤气化炉1中的氧气量进行调节；当第二开关控制阀8b调节范围不能满足需要时，再通过第一开关控制阀8a调节进入燃料反应器本体2a的合成气P量，从而控制化学链燃烧单元的放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中氧气生成量的调节，以维持进入煤气化炉1中的氧煤比。
在煤气化炉1负荷恒定条件下，通过第一开关控制阀8a调节进入燃料反应器本体2a的合成气P量，从而控制化学链燃烧单元放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中氢气M生成量的调节，最终达到调节合成气F与氢气M生成比例的目的。在煤气化炉1负荷恒定条件下调节合成气F与氢气M生成比例时，需同时调节开关控制阀8b以保证进入煤气化炉本体1a中的氧气量维持稳定。
第一换热器6a出口得到的二氧化碳D作为煤气化炉1输送煤A的载气。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，其特征在于，包括：
煤气化炉(1)，化学链燃烧单元，化学链制氧-制氢单元，换热器和管线；
煤气化炉(1)由煤气化炉本体(1a)、煤气化炉对应旋风分离器(1b)和煤气化炉对应立管(1c)组成，煤气化炉对应旋风分离器(1b)串接于煤气化炉本体(1a)出口并通过煤气化炉对应立管(1c)与煤气化炉本体(1a)相连，煤气化炉对应旋风分离器(1b)上部出口管路一分为二，一路与第二换热器(6b)相连，另一路通过第一开关控制阀(8a)与燃料反应器本体(2a)相连；
化学链燃烧单元由燃料反应器(2)和空气反应器(3)组成，燃料反应器(2)由燃料反应器本体(2a)、燃料反应器对应旋风分离器(2b)和燃料反应器对应立管(2c)组成，燃料反应器对应旋风分离器(2b)串接于燃料反应器本体(2a)出口并通过燃料反应器对应立管(2c)与燃料反应器本体(2a)相连，燃料反应器对应旋风分离器(2b)上部出口与第一换热器(6a)相连；空气反应器(3)由空气反应器本体(3a)、空气反应器对应旋风分离器(3b)和空气反应器对应立管(3c)组成，空气反应器对应旋风分离器(3b)串接于空气反应器本体(3a)出口并通过空气反应器对应立管(3c)与燃料反应器本体(2a)相连，空气反应器对应旋风分离器(3b)上部出口与第五换热器(7)相连；空气反应器本体(3a)通过燃料反应器与空气反应器间返料管与燃料反应器本体(2a)相连；
化学链制氧-制氢单元由制氧反应器(4)与制氢反应器(5)组成，制氧反应器(4)由制氧反应器本体(4a)、制氧反应器对应旋风分离器(4b)和制氧反应器对应立管(4c)组成，制氧反应器本体(4a)嵌入在空气反应器本体(3a)中以利于两者之间的传热，制氧反应器对应旋风分离器(4b)串接于制氧反应器本体(4a)出口并通过制氧反应器对应立管(4c)与制氢反应器本体(5a)相连，制氧反应器对应旋风分离器(4b)上部出口管路一分为二，一路通过第二开关控制阀(8b)与第三换热器(6c)相连，另一路与煤气化炉本体(1a)相连；制氢反应器(5)由制氢反应器本体(5a)、制氢反应器对应旋风分离器(5b)和制氢反应器对应立管(5c)组成，制氢反应器对应旋风分离器(5b)串接于制氢反应器本体(5a)出口并通过制氢反应器对应立管(5c)与制氢反应器本体(5a)相连，制氢反应器对应旋风分离器(5b)上部出口与第四换热器(6d)相连，制氢反应器本体(5a)通过制氧反应器与制氢反应器间返料管(4-5)与制氧反应器本体(4a)相连；
环境空气(H)通过第五换热器(7)加热后进入空气反应器本体(3a)；水(N)依次经过第四换热器(6d)、第三换热器(6c)、第二换热器(6b)和第一换热器(6a)加热成为水蒸气(O)，并分流进入煤气化炉本体(1a)、制氧反应器本体(4a)以及制氢反应器本体(5a)参加反应。
2.如权利要求1所述的煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，其特征在于，煤气化炉本体(1a)使用多种床层形式，包括移动床、流化床和气流床。
3.如权利要求1所述的煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，其特征在于，制氧反应器(4)使用水蒸气(O)作为流化风。
4.如权利要求1所述的煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，其特征在于，化学链燃烧单元中循环的固体物质为载氧体，该载氧体为具有抗高温烧结能力的活性金属氧化物MexOy/MexOy-δ与惰性载体的混合物。
5.如权利要求1所述的煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环装置，其特征在于，化学链制氧-制氢单元中循环的固体物质为氧交换材料，该氧交换材料为具有释氧功能的金属氧化物与惰性载体的混合物。
6.一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，包括如下步骤：
(1)将煤(A)、水蒸气(O)及O2、H2O混合气(R)通入煤气化炉本体(1a)中发生煤气化反应生成合成气(B)，煤气化炉本体(1a)的工作压力取决于合成气的用途及合成气后续处理工艺所需的压力，煤气化炉本体(1a)出口温度控制在850～950℃；反应产物进入煤气化炉对应旋风分离器(1b)分离，合成气(B)通过煤气化炉对应旋风分离器(1b)顶部出口逸出，固体产物灰颗粒经过煤气化炉对应立管(1c)返回到煤气化炉本体(1a)中再循环，灰渣(Q)通过煤气化炉本体(1a)底部排出；从煤气化炉对应旋风分离器(1b)顶部逸出的合成气(B)分为两部分，其中一部分通过第一开关控制阀(8a)进入燃料反应器本体(2a)进行燃烧，另一部分进入第二换热器(6b)进行冷却后储存或者作为其他流程的化工原料；
(2)燃料反应器本体(2a)处于鼓泡流态化状态，温度控制在900～1050℃，进入燃料反应器本体(2a)的合成气(P)与其中的氧化态载氧体发生反应生成还原态载氧体及CO2、H2O混合气(E)，反应产物进入燃料反应器对应旋风分离器(2b)分离，CO2、H2O混合气(E)通过燃料反应器对应旋风分离器(2b)顶部出口逸出并进入第一换热器(6a)中冷却生成冷凝水(C)和高纯度CO2(D)，高纯度CO2(D)利于后续的封存，还原态载氧体经过燃料反应器对应立管(2c)返回到燃料反应器本体(2a)中再循环，还原态载氧体通过燃料反应器本体(2a)底部的燃料反应器与空气反应器间返料管(2-3)排出并进入空气反应器本体(3a)；空气反应器本体(3a)处于快速流态化状态，温度控制在1050～1200℃，还原态载氧体在空气反应器本体(3a)中与空气(H)反应生成欠氧空气(G)与氧化态载氧体，反应产物进入空气反应器对应旋风分离器(3b)分离，欠氧空气(G)通过空气反应器对应旋风分离器(3b)顶部出口逸出并进入第五换热器(7)中进行冷却排空，氧化态载氧体经过空气反应器对应立管(3c)返回到燃料反应器本体(2a)中再循环；空气反应器本体(3a)中发生的化学反应为强放热反应，其热量被传递给嵌入在空气反应器本体(3a)中的制氧反应器本体(4a)；
(3)制氧反应器本体(4a)处于快速流态化状态，温度控制在1000～1150℃，在热量作用下，制氧反应器本体(4a)中的氧化态氧交换材料释放出O2并生成还原态氧交换材料，反应产物进入制氧反应器对应旋风分离器(4b)分离，O2、H2O混合气(I)通过制氧反应器对应旋风分离器(4b)顶部出口逸出，还原态氧交换材料经过制氧反应器对应立管(4c)进入制氢反应器本体(5a)中再循环；从制氧反应器对应旋风分离器(4b)顶部逸出的O2、H2O混合气(I)分为两部分，其中一部分进入煤气化炉本体(2a)参加煤气化反应，另一部分通过第二开关控制阀(8b)进入第三换热器(6c)进行冷却后生成冷凝水(C)和高纯度O2(K)，对高纯度O2(K)进行储存或者作为其他流程的化工原料；制氢反应器本体(5a)处于鼓泡流态化状态，温度控制在750～900℃，进入制氢反应器本体(5a)中的还原态氧交换材料与其中的水蒸气(O)反应生成H2与氧化态氧交换材料，反应产物进入制氢反应器对应旋风分离器(5b)分离，H2、H2O混合气(L)通过制氢反应器对应旋风分离器(5b)顶部出口逸出并进入第四换热器(6d)中进行冷却生成冷凝水(C)和高纯度H2(M)，可对高纯度H2(M)进行储存或者作为其他流程的化工原料，还原态氧交换材料经过制氢反应器对应立管(5c)返回到制氢反应器本体(5a)中再循环，氧化态载氧体通过制氢反应器本体(5a)底部的制氧反应器与制氢反应器间返料管(4-5)排出并进入制氧反应器本体(4a)；
(4)对于需要从装置外部输入的气体原料空气(H)和水蒸气(O)，将环境空气(H)通入第五换热器(7)中与从空气反应器对应旋风分离器(3b)中逸出的欠氧空气(G)换热达到500～600℃后进入空气反应器本体(3a)中参加反应；将水(N)依次经过第四换热器(6d)、第三换热器(6c)、第二换热器(6b)和第一换热器(6a)进行加热，最终成为温度约700～850℃的水蒸气(O)，并分流进入煤气化炉本体(1a)、制氧反应器本体(4a)以及制氢反应器本体(5a)参加反应。
7.如权利要求6所述的一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，其特征在于，工作在加压状态下，压力大小与煤气化炉本体(1a)的工作压力相等。
8.如权利要求6所述的一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，其特征在于，在煤气化炉(1)负荷变化条件下，先通过调节第二开关控制阀(8b)对进入煤气化炉(1)中的氧气量进行调节；当第二开关控制阀(8b)调节范围不能满足需要时，再通过第一开关控制阀(8a)调节进入燃料反应器本体(2a)的合成气(P)量，从而控制化学链燃烧单元的放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中氧气生成量的调节，以维持进入煤气化炉(1)中的氧煤比。
9.如权利要求6所述的一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，其特征在于，在煤气化炉(1)负荷恒定条件下，通过第一开关控制阀(8a)调节进入燃料反应器本体(2a)的合成气(P)量，从而控制化学链燃烧单元放热量，实现对化学链制氧-制氢单元中H2(M)生成量的调节，最终达到调节合成气(F)与H2(M)生成比例的目的。
10.如权利要求6所述的一种煤气化制合成气与化学链制氧-制氢联合循环方法，其特征在于，第一换热器(6a)出口得到的CO2(D)作为煤气化炉(1)输送煤(A)的载气。
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