CN112011377A - 一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统及方法，包括反应器、燃烧装置、气化装置、换向阀、进气管和输出管；反应器的外侧壁上下设有第一接口和第二接口，其内顶部布置有燃烧器，中部设有钙基吸附剂床层；燃烧装置的一端连接换向阀的第一接头，其另一端连接第一接口或第二接口中的一个；气化装置的一端连接换向阀的第二接头，其另一端连接第二接口或第一接口中的另一个；进气管连接换向阀的第三接头，在进气管上设有第一阀门和第一引风机，输出管连接换向阀的第四接头；换向阀的第一接头与第二接头相对设置，其第三接头与第四接头相对设置。本发明的有益效果是：有效降低钙基吸附剂的磨损失活、减小系统流化态极难控制的功能。

Description

一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系 统及方法

技术领域

本发明属于含碳燃料的高效转换利用技术领域，涉及一种用于含碳燃料 的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统及方法。

背景技术

以天然气为燃料的发电技术，如联合循环发电、热电联产、天然气分布 式发电设施等具有优于煤炭的能效优势。研究表明，以天然气为原料的大型 联合循环电厂的热效率可高达61％；在热电联产电厂中，天然气转换效率可 超过80％；以天然气为原料的小规模燃气内燃机或航改型燃气轮机直接转换 效率可达45％。这对于降低中国单位GDP一次能源消耗量具有重要意义。其 次，煤电厂可向大气排放大量二氧化硫及氮氧化物，最终形成酸雨，这极大 地影响了我国粮食产量。此外，煤炭燃烧排放的污染物的高度聚集是形成PM2.5的主要原因之一，由此带来了严重的雾霾问题。相比煤炭，天然气燃 烧只需产生23％的氮氧化物、50％的二氧化碳以及近乎为零的二氧化硫排放。 此外，鉴于中国能源需求的快速增长及中国对石油和优质煤炭的进口越来越 多，使得更大范围内选用天然气非常重要。由此可见，天然气在能效、环境 可持续性、能源安全与弹性方面具有多重优势。

然而，天然气为一次能源，大量使用天然气将促使我国天然气对外依存 度的连续攀升。提高天然气来源的多样化或大力发展天然气的可替代能源， 对于缓解我国能源安全问题具有重要意义。在众多技术中，将含碳燃料通过 钙基化学链气化技术制备成高热值合成气，这对于降低我国天然气对外的依 存度具有重要意义。此外，含碳燃料既可来自一次能源，如煤炭，又可来自 可再生能源与固体废弃物，如生物质与城市生活垃圾。这极大地提高了我国 经济的可持续发展及原料来源的多样性。

钙基化学链气化技术具有高效制取高热值合成气、原位碳捕集及成本高 度集约化的特点，被认为是未来清洁能源领域先驱技术。然而，钙基吸附剂 的快速失活一直是制约该项技术商业化进程的重大因素。在钙基化学链气化 技术中，钙基吸附剂的失活主要来源于磨损及高烧烧结。目前，对于如何提 高钙基吸附剂的抗高温烧结性能已有大量研究，并取得了许多显著的成果， 已具备量产及商业化的基本条件。与之相比，如何降低钙基吸附剂的抗磨损 性能成为了该项技术的研究重点。目前，钙基化学链气化系统主要由双反应床组成，导致钙基吸附剂需在双床间不断循环流化，这大大增加了钙基吸附 剂颗粒间及钙基吸附剂颗粒与器壁间的磨损，使得钙基吸附剂的磨损失活倾 向大幅提高。此外，由于双床流化有反应器结构的差别及循环双床循环流化 的要求，使得系统中流化介质的流化态极难控制，操作参数复杂、控制难度 大。上述因素极大的增加了钙基化学链气化技术的商业化进程。

由此可见，采用高热值合成气作为天然气的替代燃料，将随着天然气需 求量的激增迎来广阔的应用市场；而以钙基化学链气化制备高热值合成技术 为中心的制备方法，将面临钙基吸附剂磨损失活严重、双床流化态控制难度 高、系统投资成本高等技术制约因素，难以快速实现商业化。因此，开发一 种可有效降低钙基吸附剂颗粒磨损的单床化学链气质制备高热值钙基吸附 剂系统及方法，对于推动该技术的商业化应用具有重要意义。

发明内容

综上所述，为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供 一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于含碳燃料的钙基化 学链气化制备高热值合成气的系统，包括反应器、燃烧装置、气化装置、换 向阀、进气管和输出管；所述反应器的外侧壁上下设有第一接口和第二接口， 其内顶部布置有燃烧器，中部设有钙基吸附剂床层；所述燃烧装置的一端连 接所述换向阀的第一接头，其另一端连接所述第一接口或所述第二接口中的 一个，并向所述燃烧器提供热空气或热氧气，进而使所述燃烧器中的含碳燃 料高温煅烧放热并产生高温富二氧化碳烟气；所述气化装置的一端连接所述换向阀的第二接头，其另一端连接所述第二接口或所述第一接口中的另一 个，且通过所述燃烧装置高温煅烧的热量获得热水蒸气和热空气或热氧气的 混合气，并且所述气化装置向所述反应器内输入获得的热水蒸气和热空气或 热氧气的混合气，进而使所述钙基吸附剂床层中的钙基吸附剂通过热化学反 应产生高热值合成气；

所述进气管连接所述换向阀的第三接头，在所述进气管上设有第一阀门 和第一引风机以通过所述进气管向所述燃烧装置或所述气化装置提供冷空 气或氧气，所述输出管连接所述换向阀的第四接头用于向外部输出高温富二 氧化碳烟气或者高热值合成气；切换所述换向阀的状态将第一接头与第二接 头连通，或者将第三接头与第四接头连通。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述燃烧装置包括燃烧管路、第一储热单元和第一颗粒物分离 器；所述燃烧管路的一端连接所述换向阀的第一接头，其另一端连接所述第 一接口或所述第二接口；在所述燃烧管路上沿着其一端到另一端的方向上依 次设有所述第一储热单元和所述第一颗粒物分离器，所述第一颗粒物分离器 的底部设有用于排渣的第二阀门。

进一步，所述气化装置包括气化管路、第二储热单元、换热器、第二颗 粒物分离器、水管和导流管；所述气化管路的一端连接所述换向阀的第二接 头，其另一端连接所述第二接口或所述第一接口；在所述气化管路上沿着其 一端到另一端的方向上依次设有所述第二储热单元、所述换热器和所述第二 颗粒物分离器，并且所述换热器的热介质进口和热介质出口分别连接所述气 化管路相应的位置；所述第二颗粒物分离器的底部设有用于排渣的第三阀 门，所述气化管路上对应所述第二储热单元和所述换热器之间的位置设有第 四阀门；所述水管有两段，并且所述水管一段的一端处于所述换热器的外侧 并设有第五阀门和第二引风机或水泵，其另一端连接所述换热器的冷介质进 口；所述水管另一段的一端连接所述换热器的冷介质出口，其另一端连接所 述气化管路且对应所述第二颗粒物分离器与所述第二接口之间的位置处，在 所述水管一端设有第五阀门和第二引风机或水泵；所述导流管的一端连接所 述气化管路对应所述第二储热单元和所述第四阀门之间的位置，其另一端连 接所述气化管路对应所述第二颗粒物分离器和所述换热器之间的位置；在所 述导流管上设有第六阀门。

进一步，所述输出管一端连接连所述换向阀的第四接头，其另一端分流 成第一支路管和第二支路管，并且所述第一支路管和所述第二支路管分别连 接富二氧化碳烟气利用模块和高热值合成气利用模块，在所述第一支路管上 设有第七阀门和第一鼓风机，在所述第二支路管上设有第八阀门和第二鼓风 机。

进一步，所述钙基吸附剂床层相对水平面倾斜设置，在所述反应器外侧 壁上对应所述钙基吸附剂床层上端的位置处设有钙基吸附剂进料口，所述钙 基吸附剂进料口处设有第九阀门；所述反应器外侧壁上对应所述钙基吸附剂 床层下端的位置处设有钙基吸附剂出料口，所述钙基吸附剂出料口处设有第 十阀门；所述反应器外侧壁上对应所述燃烧器的位置设有用于向所述燃烧器 内通入辅助燃料的第十一阀门；

所述反应器的顶部上下依次设有含碳燃料料斗和储料室，并且所述含碳 燃料料斗通过第十二阀门连通所述储料室，所述储料室通过第十三阀门连通 所述燃烧器提供燃料；所述反应器的底部设有灰渣出口，所述灰渣出口设有 用于排渣的第十四阀门。

上述系统用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，包 括如下的步骤：

步骤一，高温煅烧阶段：开启所述第一引风机通过所述进气管向所述燃 烧装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀使所述进气管连通所述燃烧装 置，所述燃烧装置将冷空气或氧气加热成热空气或热氧气并输送给所述燃烧 器，所述燃烧器中的燃料通过热空气或热氧气高温煅烧产生高温富二氧化碳 烟气和热量，并将产生的高温富二氧化碳烟气通过所述输出管排出，同时将 燃烧产生的热量储存在所述气化装置中；

步骤二，热化学转化阶段：开启所述第一引风机通过所述进气管向所述 气化装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀使所述进气管连通所述气化装 置，所述气化装置利用高温煅烧阶段产生的热量将冷空气或氧气加热成热空 气或热氧气，并将热空气或热氧气混合液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带 气体的混合气得到热水蒸气和热空气或热氧气的混合气再输送给所述燃烧 器，所述燃烧器中的所述钙基吸附剂床层中的钙基吸附剂与混合气通过热化 学反应产生高热值合成气，并将产生的高热值合成气通过所述输出管排出；

步骤三，重复步骤一和步骤二。

进一步，步骤一的操作方法为：

(1)开启所述第一阀门及所述第一引风机，通过所述进气管通入流量 I₃的冷空气或冷氧气，I₃根据燃烧器的辅助燃料喷入量I₂及含碳燃料流量I₁进行调整，其为辅助燃料和含碳燃料过量空气系数的1.0-1.5倍；

(2)切换所述换向阀使所述进气管连通燃烧管路，冷空气或冷氧气通 过所述燃烧管路经第一储热单元被加热成热空气或热氧气；

(3)热空气或热氧气通过所述燃烧管路进入所述第一颗粒物分离器， 并被分离出颗粒物成为洁净的热空气或热氧气，颗粒物由所述第二阀门排 出；

(4)洁净的热空气或热氧气通过所述燃烧管路进入所述反应器，此时 通过第十一阀门调整所述燃烧器辅助燃料的喷入量I₂，同时通过第十三阀门 调整含碳燃料流量I₁来调整所述反应器的上部显示温度T₃和下部显示温度 T₄，使T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围内，实现对碳 酸化钙基吸附剂的高温煅烧再生，并生成高温富二氧化碳烟气；

(5)高温富二氧化碳烟气进入所述第二颗粒物分离器，关闭所述第四 阀门，高温富二氧化碳烟气进入所述第二蓄热单元并对所述第二蓄热单元进 行蓄热；监察所述第二蓄热单元的显示温度T₂，防止T₂超过所述第二蓄热单 元的温度上限；若T₂达到所述第二蓄热单元的温度上限，则进入热化学转化 阶段，或进入备用蓄热单元进行蓄热，或调整I₁，或调整I₂，或调整I₃；

(6)关闭第八阀门，开启第七阀门，蓄热后的高温富二氧化碳烟气经 所述换向阀后再依次通过所述输出管和所述第一支路管进入富二氧化碳烟 气利用模块；

(7)开启第九阀门和第十阀门，更换部分失活钙基吸附剂；待T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围内5-15分钟之后，进入热化 学转化阶段。

进一步，高温煅烧阶段中含碳燃料进料量V_{含碳燃料-I}的计算公式为：V_{含碳燃料-I}＝(1645×V_{钙基吸附剂}-W₁)/LHV-V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量, kg/h；W₁为第一蓄热单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{燃烧器燃料消耗量}为高温煅烧阶段中燃烧器辅助燃料进料量，kg/h；

高温煅烧阶段中所述燃烧器辅助燃料流量V_{燃烧器燃料消耗量}计算公式为：V_{燃烧器燃料消耗量}＝(1645×V_{钙基吸附剂}-W₁)/LHV-V_{含碳燃料-I}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量，kg/h；W₁为第一蓄热单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段中含碳燃料进料量，kg/h；

高温煅烧阶段中所述第一引风机空气流量V_空气-I的计算公式为：V_空气-I＝1.2×V_0-1×V_{含碳燃料-I}+1.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空气 量；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段含碳燃料进料量，kg/h；V_0-2为燃烧器燃料理论 空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为高温煅烧阶段所述燃烧器辅助燃料燃料进料量，kg/h。

进一步，步骤二的操作方法为：

(1)开启第一阀门和第一引风机，通过所述进气管通入流量I₃的冷空 气或冷氧气，I₃根据含碳燃料流量I₁进行调整，其为含碳燃料过量空气系数 的0.2-0.3倍；

(2)切换所述换向阀使所述进气管连通所述气化管路，冷空气或冷氧 气经过所述第二储热单元被加热成热空气或热氧气；

(3)开启所述第四阀门，全部或部分关闭所述第六阀门，热空气或热 氧气并全部进入所述换热器或者一部分进入所述换热器一部分经所述第六 阀门沿着所述导流管流动；所述第六阀门关闭状态由所述换热器出口蒸汽压 力P₂进行调控：若P₂低于下限值，则需将所述第六阀门的开度调小；若换热 器出口蒸汽压力P₂高于下限值，则需将所述第六阀门的开度调大；

(4)开启第五阀门，由所述二引风机或水泵通过所述水管向所述换热 器输入液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体，在所述换热器中使液态水 或低温水蒸气或水蒸气与携带气体通过热空气或热氧气进行换热得到混合 气；

(5)混合气或者混合气与所述导流管的热空气或热氧气经所述气化管 路通过所述第二颗粒物分离器分离出颗粒物净化后进入所述反应器，并与含 碳燃料、钙基吸附剂在所述反应器内发生热化学反应，从而产生高热值合成 气，颗粒物由所述第三阀门排出；为使得所述反应器温度维持在含碳燃料所 需的最适反应温度，实时监察所述反应器的上部显示温度T₃和下部显示温度 T₄，若T₃和下T₄低于下限值时增加I₃，或增加I₁，或增加辅助燃料喷入量I₂， 或降低液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体的流量；实时监察所述反应器内部压力P₁，当P₁高于上限值时及时采取泄压措施；

(6)高热值合成气经所述第一颗粒物分离器净化后，进入所述第一蓄 热单元完成蓄热并降温；

(7)开启第八阀门，关闭第七阀门，降温后的高热值合成气经所述换 向阀后再依次通过所述输出管和所述第二支路管进入高热值合成气利用模 块；

(8)所述反应器内热化学反应反应时间达到5-20分钟之后，进入高温 煅烧阶段。

进一步，热化学转化阶段中含碳燃料流量V_{含碳燃料-II}的计算公式为：V_{含碳燃料-II}＝V_{钙基吸附剂}/2，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂床层储量与进料量之和，kg/h；

热化学转化阶段中，所述第一引风机空气流量V_空气-II的计算公式为：V_空气-II＝0.2×V_0-1×V_{含碳燃料-II}+0.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空 气量；V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量，kg/h；V_0-2为所述燃烧器 燃料理论空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为热化学转化阶段所述燃烧器辅助燃料进料量， kg/h；

热化学转化阶段中，所述第二引风机或水泵水蒸气流量V_水蒸气的计算公 式为：V_水蒸气＝2×V_{含碳燃料-II}，V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量，kg/h。

本发明的有益效果是：有效降低钙基吸附剂的磨损失活、减小系统流化 态极难控制的功能，适用于用含碳燃料制备高热值合成气领域。

附图说明

图1为制备高热值合成气的系统结构示意图(除去所有阀门)；

图2为制备高热值合成气的系统的PID图。

1、反应器，2、换向阀，3、进气管，4、输出管，5、燃烧器，6、钙基 吸附剂床层，7、第一阀门，8、第一引风机，9、燃烧管路，10、第一储热 单元，11、第一颗粒物分离器，12、第二阀门，13、气化管路，14、第二储 热单元，15、换热器，16、第二颗粒物分离器，17、水管，18、导流管，19、 第三阀门，20、第四阀门，21、第五阀门，22、第二引风机或水泵，23、第 六阀门，24、第一支路管，25、第二支路管，26、高热值合成气利用模块， 27、富二氧化碳烟气利用模块，28、第七阀门，29、第一鼓风机，30、第八 阀门，31、第二鼓风机，32、钙基吸附剂进料口，33、第九阀门，34、钙基 吸附剂出料口，35、第十阀门，36、第十一阀门，37、含碳燃料料斗，38、储料室，39、第十二阀门，40、第十三阀门，41、灰渣出口，42、第十四阀 门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和2所示，一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成 气的系统，包括反应器1、燃烧装置、气化装置、换向阀2、进气管3和输 出管4。所述反应器1的外侧壁上下设有第一接口和第二接口，其内顶部布 置有燃烧器5，中部设有钙基吸附剂床层6。所述燃烧装置的一端连接所述 换向阀2的第一接头，其另一端连接所述第一接口或所述第二接口中的一个， 并向所述燃烧器5提供热空气或热氧气，进而使所述燃烧器5中的含碳燃料高温煅烧放热并产生高温富二氧化碳烟气。所述气化装置的一端连接所述换 向阀2的第二接头，其另一端连接所述第二接口或所述第一接口中的另一个， 且通过所述燃烧装置高温煅烧的热量获得热水蒸气和热空气或热氧气的混 合气，并且所述气化装置向所述反应器1内输入获得的热水蒸气和热空气或 热氧气的混合气，进而使所述钙基吸附剂床层6中的钙基吸附剂通过热化学 反应产生高热值合成气。反应器1包括任何可利于含碳燃料气化转化的形状， 反应器1各接口位置除了上述相关位置的表述之外，还可进行适当调整，其 数量及布置形式包括任何可以使得燃烧效果达到最佳的布置形式。

所述进气管3连接所述换向阀2的第三接头，在所述进气管3上设有第 一阀门7和第一引风机8以通过所述进气管3向所述燃烧装置或所述气化装 置提供冷空气或氧气，所述输出管4连接所述换向阀2的第四接头用于向外 部输出高温富二氧化碳烟气或者高热值合成气。切换所述换向阀2的状态将 第一接头与第二接头连通，或者将第三接头与第四接头连通。

所述燃烧装置包括燃烧管路9、第一储热单元10和第一颗粒物分离器 11。第一储热单元10包括任何可以进行蓄热功能的技术或材料，第一颗粒 物分离器11包括任何可以实现从气体中分离颗粒物的技术。所述燃烧管路9 的一端连接所述换向阀2的第一接头，其另一端连接所述第一接口或所述第 二接口。在所述燃烧管路9上沿着其一端到另一端的方向上依次设有所述第 一储热单元10和所述第一颗粒物分离器11，所述第一颗粒物分离器11的底 部设有用于排渣的第二阀门12。

所述气化装置包括气化管路13、第二储热单元14、换热器15、第二颗 粒物分离器16、水管17和导流管18。第二储热单元14包括任何可以进行 蓄热功能的技术或材料，第二颗粒物分离器16包括任何可以实现从气体中 分离颗粒物的技术。所述气化管路13的一端连接所述换向阀2的第二接头， 其另一端连接所述第二接口或所述第一接口。在所述气化管路13上沿着其 一端到另一端的方向上依次设有所述第二储热单元14、所述换热器15和所 述第二颗粒物分离器16，并且所述换热器15的热介质进口和热介质出口分 别连接所述气化管路13相应的位置。所述第二颗粒物分离器16的底部设有 用于排渣的第三阀门19，所述气化管路13上对应所述第二储热单元14和所 述换热器15之间的位置设有第四阀门20。所述水管17有两段，并且所述水 管17一段的一端处于所述换热器15的外侧并设有第五阀门21和第二引风 机或水泵22，其另一端连接所述换热器15的冷介质进口；所述水管17另一段的一端连接所述换热器15的冷介质出口，其另一端连接所述气化管路13 且对应所述第二颗粒物分离器16与所述第二接口之间的位置处所述导流管 18的一端连接所述气化管路13对应所述第二储热单元14和所述第四阀门 20之间的位置，其另一端连接所述气化管路13对应所述第二颗粒物分离器 16和所述换热器15之间的位置。在所述导流管18上设有第六阀门23。

所述输出管4一端连接连所述换向阀2的第四接头，其另一端分流成第 一支路管24和第二支路管25，并且所述第一支路管24和所述第二支路管 25分别连接富二氧化碳烟气利用模块27和高热值合成气利用模块26，在所 述第一支路管24上设有第七阀门28和第一鼓风机29，在所述第二支路管 25上设有第八阀门30和第二鼓风机31。高热值合成气利用模块26包括任 何与之匹配的相关利用技术，如连接燃气轮机发电机进行燃烧发电、连接合成气净化工艺之后进行液化市售等。富二氧化碳烟气利用模块27包括任何 与之匹配的相关利用技术，如地质存储、二氧化碳泡沫驱油等。

所述钙基吸附剂床层6相对水平面倾斜设置，在所述反应器1外侧壁上 对应所述钙基吸附剂床层6上端的位置处设有钙基吸附剂进料口32，所述钙 基吸附剂进料口32处设有第九阀门33。所述反应器1外侧壁上对应所述钙 基吸附剂床层6下端的位置处设有钙基吸附剂出料口34，所述钙基吸附剂出 料口34处设有第十阀门35。所述反应器1外侧壁上对应所述燃烧器5的位 置设有用于向所述燃烧器5内通入辅助燃料的第十一阀门36。所述反应器1 的顶部上下依次设有含碳燃料料斗37和储料室38，并且所述含碳燃料料斗37通过第十二阀门39连通所述储料室38，所述储料室38通过第十三阀门 40连通所述燃烧器5提供燃料。所述反应器1的底部设有灰渣出口41，所 述灰渣出口41设有用于排渣的第十四阀门42。

上述系统制备高热值合成气的方法，包括如下的步骤：

步骤一，高温煅烧阶段：开启所述第一引风机8通过所述进气管3向所 述燃烧装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀2使所述进气管3连通所述 燃烧装置，所述燃烧装置将冷空气或氧气加热成热空气或热氧气并输送给所 述燃烧器5，所述燃烧器5中的燃料通过热空气或热氧气高温煅烧产生高温 富二氧化碳烟气和热量，并将产生的高温富二氧化碳烟气通过所述输出管4 排出，同时将燃烧产生的热量储存在所述气化装置中；具体操作方法如下：

(1)开启所述第一阀门7及所述第一引风机8，通过所述进气管3通入 流量I₃的冷空气或冷氧气，I₃根据燃烧器5的辅助燃料喷入量I₂及含碳燃料 流量I₁进行调整，其为辅助燃料和含碳燃料过量空气系数的1.0-1.5倍；

(2)切换所述换向阀2使所述进气管3连通燃烧管路9，冷空气或冷氧 气通过所述燃烧管路9经第一储热单元10被加热成热空气或热氧气；

(3)热空气或热氧气通过所述燃烧管路9进入所述第一颗粒物分离器 11，并被分离出颗粒物成为洁净的热空气或热氧气，颗粒物由所述第二阀门 排出；

(4)洁净的热空气或热氧气通过所述燃烧管路9进入所述反应器1，此 时通过第十一阀门36调整所述燃烧器5辅助燃料的喷入量I₂，同时通过第 十三阀门40调整含碳燃料流量I₁来调整所述反应器1的上部显示温度T₃和 下部显示温度T₄，使T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围 内，实现对碳酸化钙基吸附剂的高温煅烧再生，并生成高温富二氧化碳烟气；

(5)高温富二氧化碳烟气进入所述第二颗粒物分离器16，关闭所述第 四阀门20，高温富二氧化碳烟气进入所述第二蓄热单元并对所述第二蓄热单 元进行蓄热；监察所述第二蓄热单元的显示温度T₂，防止T₂超过所述第二蓄 热单元的温度上限；若T₂达到所述第二蓄热单元的温度上限，则进入热化学 转化阶段，或进入备用蓄热单元进行蓄热，或调整I₁，或调整I₂，或调整I₃；

(6)关闭第八阀门30，开启第七阀门28，蓄热后的高温富二氧化碳烟 气经所述换向阀2后再依次通过所述输出管4和所述第一支路管24进入富 二氧化碳烟气利用模块27；

(7)开启第九阀门33和第十阀门35，更换部分失活钙基吸附剂；待 T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围内5-15分钟之后，进 入热化学转化阶段。

高温煅烧阶段中含碳燃料进料量V_{含碳燃料-I}的计算公式为：V_{含碳燃料-I}＝(1645 ×V_{钙基吸附剂}-W₁)/LHV-V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量,kg/h； W₁为第一蓄热单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{燃烧器燃料消耗量} 为高温煅烧阶段中燃烧器5辅助燃料进料量，kg/h。高温煅烧阶段中所述燃 烧器5辅助燃料流量V_{燃烧器燃料消耗量}计算公式为：V_{燃烧器燃料消耗量}＝(1645×V_{钙基吸附剂} -W₁)/LHV-V_{含碳燃料-I}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量，kg/h；W₁为第一蓄热 单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段 中含碳燃料进料量，kg/h。高温煅烧阶段中所述第一引风机8空气流量V_空气-I的计算公式为：V_空气-I＝1.2×V_0-1×V_{含碳燃料-I}+1.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空气量；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段含碳燃料进料量，kg/h； V_0-2为燃烧器5燃料理论空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为高温煅烧阶段所述燃烧器5辅 助燃料燃料进料量，kg/h。

步骤二，热化学转化阶段：开启所述第一引风机8通过所述进气管3向 所述气化装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀2使所述进气管3连通所 述气化装置，所述气化装置利用高温煅烧阶段产生的热量将冷空气或氧气加 热成热空气或热氧气，并将热空气或热氧气混合液态水或低温水蒸气或水蒸 气与携带气体的混合气得到热水蒸气和热空气或热氧气的混合气再输送给 所述燃烧器5，所述燃烧器5中的所述钙基吸附剂床层6中的钙基吸附剂与 混合气通过热化学反应产生高热值合成气，并将产生的高热值合成气通过所 述输出管4排出，具体操作方法如下：

(1)开启第一阀门7和第一引风机8，通过所述进气管3通入流量I₃的冷空气或冷氧气，I₃根据含碳燃料流量I₁进行调整，其为含碳燃料过量空 气系数的0.2-0.3倍；

(2)切换所述换向阀2使所述进气管3连通所述气化管路13，冷空气 或冷氧气经过所述第二储热单元14被加热成热空气或热氧气；

(3)开启所述第四阀门20，全部或部分关闭所述第六阀门23，热空气 或热氧气并全部进入所述换热器15或者一部分进入所述换热器15一部分经 所述第六阀门23沿着所述导流管18流动；所述第六阀门23关闭状态由所 述换热器15出口蒸汽压力P₂进行调控：若P₂低于下限值，则需将所述第六 阀门23的开度调小；若换热器15出口蒸汽压力P₂高于下限值，则需将所述 第六阀门23的开度调大；

(4)开启第五阀门21，由所述二引风机或水泵通过所述水管17向所述 换热器15输入液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体，在所述换热器(15) 中使液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体通过热空气或热氧气进行换 热得到混合气；

(5)混合气或者混合气与所述导流管18的热空气或热氧气经所述气化 管路13通过所述第二颗粒物分离器16分离出颗粒物净化后进入所述反应器 1，并与含碳燃料、钙基吸附剂在所述反应器1内发生热化学反应，从而产 生高热值合成气，颗粒物由所述第三阀门19排出；为使得所述反应器1温 度维持在含碳燃料所需的最适反应温度，实时监察所述反应器1的上部显示 温度T₃和下部显示温度T₄，若T₃和下T₄低于下限值时增加I₃，或增加I₁，或增加辅助燃料喷入量I₂，或降低液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体 的流量；实时监察所述反应器1内部压力P₁，当P₁高于上限值时及时采取泄 压措施；

(6)高热值合成气经所述第一颗粒物分离器11净化后，进入所述第一 蓄热单元完成蓄热并降温；

(7)开启第八阀门30，关闭第七阀门28，降温后的高热值合成气经所 述换向阀2后再依次通过所述输出管4和所述第二支路管25进入高热值合 成气利用模块26；

(8)所述反应器1内热化学反应反应时间达到5-20分钟之后，进入高 温煅烧阶段。

热化学转化阶段中含碳燃料流量V_{含碳燃料-II}的计算公式为：V_{含碳燃料-II}＝V_{钙基吸附剂}/2，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂床层储量与进料量之和，kg/h。热化学转 化阶段中，所述第一引风机8空气流量V_空气-II的计算公式为：V_空气-II＝0.2× V_0-1×V_{含碳燃料-II}+0.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空气量；V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量，kg/h；V_0-2为所述燃烧器5燃料理 论空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为热化学转化阶段所述燃烧器5辅助燃料进料量，kg/h。热化学转化阶段中，所述第二引风机或水泵22水蒸气流量V_水蒸气的计 算公式为：V_水蒸气＝2×V_{含碳燃料-II}，V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量， kg/h。

步骤三，重复步骤一和步骤二。

阀门联动的方法：

高温煅烧阶段，关键阀门的联动程序：换向阀13切换至进气管3连通 燃烧管路9的位置、第四阀门20开启、第六阀门23全开、第七阀门28开 启、第八阀门30关闭、第九阀门33开启、第十阀门35开启；

热化学转化阶段，关键阀门的联动程序：换向阀13切换至进气管3连 通气化管路13的位置、第四阀门20开启、第五阀门21开启、第六阀门23 开度调整、第七阀门28关、第八阀门30开、第九阀门33关闭、第十阀门 35关闭、第十三阀门40开度调整。

表1-4为系统高温煅烧阶段和热化学转化阶段阀门及仪表状态：

表1系统处于高温煅烧阶段时阀门状态

表2系统处于高温煅烧阶段时仪表状态

表3系统处于热化学转化阶段时阀门状态

表4系统处于热化学转化阶段时仪表状态

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统，其特征在于，包括反应器(1)、燃烧装置、气化装置、换向阀(2)、进气管(3)和输出管(4)；所述反应器(1)的外侧壁上下设有第一接口和第二接口，其内顶部布置有燃烧器(5)，中部设有钙基吸附剂床层(6)；所述燃烧装置的一端连接所述换向阀(2)的第一接头，其另一端连接所述第一接口或所述第二接口中的一个，并向所述燃烧器(5)提供热空气或热氧气，进而使所述燃烧器(5)中的含碳燃料高温煅烧放热并产生高温富二氧化碳烟气；所述气化装置的一端连接所述换向阀(2)的第二接头，其另一端连接所述第二接口或所述第一接口中的另一个，且通过所述燃烧装置高温煅烧的热量获得热水蒸气和热空气或热氧气的混合气，并且所述气化装置向所述反应器(1)内输入获得的热水蒸气和热空气或热氧气的混合气，进而使所述钙基吸附剂床层(6)中的钙基吸附剂通过热化学反应产生高热值合成气；

所述进气管(3)连接所述换向阀(2)的第三接头，在所述进气管(3)上设有第一阀门(7)和第一引风机(8)以通过所述进气管(3)向所述燃烧装置或所述气化装置提供冷空气或氧气，所述输出管(4)连接所述换向阀(2)的第四接头用于向外部输出高温富二氧化碳烟气或者高热值合成气；切换所述换向阀(2)的状态将第一接头与第二接头连通，或者将第三接头与第四接头连通。

2.根据权利要求1所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统，其特征在于，所述燃烧装置包括燃烧管路(9)、第一储热单元(10)和第一颗粒物分离器(11)；所述燃烧管路(9)的一端连接所述换向阀(2)的第一接头，其另一端连接所述第一接口或所述第二接口；在所述燃烧管路(9)上沿着其一端到另一端的方向上依次设有所述第一储热单元(10)和所述第一颗粒物分离器(11)，所述第一颗粒物分离器(11)的底部设有用于排渣的第二阀门(12)。

3.根据权利要求2所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统，其特征在于，所述气化装置包括气化管路(13)、第二储热单元(14)、换热器(15)、第二颗粒物分离器(16)、水管(17)和导流管(18)；所述气化管路(13)的一端连接所述换向阀(2)的第二接头，其另一端连接所述第二接口或所述第一接口；在所述气化管路(13)上沿着其一端到另一端的方向上依次设有所述第二储热单元(14)、所述换热器(15)和所述第二颗粒物分离器(16)，并且所述换热器(15)的热介质进口和热介质出口分别连接所述气化管路(13)相应的位置；所述第二颗粒物分离器(16)的底部设有用于排渣的第三阀门(19)，所述气化管路(13)上对应所述第二储热单元(14)和所述换热器(15)之间的位置设有第四阀门(20)；所述水管(17)有两段，并且所述水管(17)一段的一端处于所述换热器(15)的外侧并设有第五阀门(21)和第二引风机或水泵(22)，其另一端连接所述换热器(15)的冷介质进口；所述水管(17)另一段的一端连接所述换热器(15)的冷介质出口，其另一端连接所述气化管路(13)且对应所述第二颗粒物分离器(16)与所述第二接口之间的位置处；所述导流管(18)的一端连接所述气化管路(13)对应所述第二储热单元(14)和所述第四阀门(20)之间的位置，其另一端连接所述气化管路(13)对应所述第二颗粒物分离器(16)和所述换热器(15)之间的位置；在所述导流管(18)上设有第六阀门(23)。

4.根据权利要求3所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统，其特征在于，所述输出管(4)一端连接连所述换向阀(2)的第四接头，其另一端分流成第一支路管(24)和第二支路管(25)，并且所述第一支路管(24)和所述第二支路管(25)分别连接富二氧化碳烟气利用模块(27)和高热值合成气利用模块(26)，在所述第一支路管(24)上设有第七阀门(28)和第一鼓风机(29)，在所述第二支路管(25)上设有第八阀门(30)和第二鼓风机(31)。

5.根据权利要求4所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的系统，其特征在于，所述钙基吸附剂床层(6)相对水平面倾斜设置，在所述反应器(1)外侧壁上对应所述钙基吸附剂床层(6)上端的位置处设有钙基吸附剂进料口(32)，所述钙基吸附剂进料口(32)处设有第九阀门(33)；所述反应器(1)外侧壁上对应所述钙基吸附剂床层(6)下端的位置处设有钙基吸附剂出料口(34)，所述钙基吸附剂出料口(34)处设有第十阀门(35)；所述反应器(1)外侧壁上对应所述燃烧器(5)的位置设有用于向所述燃烧器(5)内通入辅助燃料的第十一阀门(36)；

所述反应器(1)的顶部上下依次设有含碳燃料料斗(37)和储料室(38)，并且所述含碳燃料料斗(37)通过第十二阀门(39)连通所述储料室(38)，所述储料室(38)通过第十三阀门(40)连通所述燃烧器(5)提供燃料；所述反应器(1)的底部设有灰渣出口(41)，所述灰渣出口(41)设有用于排渣的第十四阀门(42)。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

步骤一，高温煅烧阶段：开启所述第一引风机(8)通过所述进气管(3)向所述燃烧装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀(2)使所述进气管(3)连通所述燃烧装置，所述燃烧装置将冷空气或氧气加热成热空气或热氧气并输送给所述燃烧器(5)，所述燃烧器(5)中的燃料通过热空气或热氧气高温煅烧产生高温富二氧化碳烟气和热量，并将产生的高温富二氧化碳烟气通过所述输出管(4)排出，同时将燃烧产生的热量储存在所述气化装置中；

步骤二，热化学转化阶段：开启所述第一引风机(8)通过所述进气管(3)向所述气化装置提供冷空气或氧气，切换所述换向阀(2)使所述进气管(3)连通所述气化装置，所述气化装置利用高温煅烧阶段产生的热量将冷空气或氧气加热成热空气或热氧气，并将热空气或热氧气混合液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体的混合气得到热水蒸气和热空气或热氧气的混合气再输送给所述燃烧器(5)，所述燃烧器(5)中的所述钙基吸附剂床层(6)中的钙基吸附剂与混合气通过热化学反应产生高热值合成气，并将产生的高热值合成气通过所述输出管(4)排出；

步骤三，重复步骤一和步骤二。

7.根据权利要求6所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，其特征在于，步骤一的操作方法为：

(1)开启所述第一阀门(7)及所述第一引风机(8)，通过所述进气管(3)通入流量I₃的冷空气或冷氧气，I₃根据燃烧器(5)的辅助燃料喷入量I₂及含碳燃料流量I₁进行调整，其为辅助燃料和含碳燃料过量空气系数的1.0-1.5倍；

(2)切换所述换向阀(2)使所述进气管(3)连通燃烧管路(9)，冷空气或冷氧气通过所述燃烧管路(9)经第一储热单元(10)被加热成热空气或热氧气；

(3)热空气或热氧气通过所述燃烧管路(9)进入所述第一颗粒物分离器(11)，并被分离出颗粒物成为洁净的热空气或热氧气，颗粒物由所述第二阀门排出；

(4)洁净的热空气或热氧气通过所述燃烧管路(9)进入所述反应器(1)，此时通过第十一阀门(36)调整所述燃烧器(5)辅助燃料的喷入量I₂，同时通过第十三阀门(40)调整含碳燃料流量I₁来调整所述反应器(1)的上部显示温度T₃和下部显示温度T₄，使T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围内，实现对碳酸化钙基吸附剂的高温煅烧再生，并生成高温富二氧化碳烟气；

(5)高温富二氧化碳烟气进入所述第二颗粒物分离器(16)，关闭所述第四阀门(20)，高温富二氧化碳烟气进入所述第二蓄热单元并对所述第二蓄热单元进行蓄热；监察所述第二蓄热单元的显示温度T₂，防止T₂超过所述第二蓄热单元的温度上限；若T₂达到所述第二蓄热单元的温度上限，则进入热化学转化阶段，或进入备用蓄热单元进行蓄热，或调整I₁，或调整I₂，或调整I₃；

(6)关闭第八阀门(30)，开启第七阀门(28)，蓄热后的高温富二氧化碳烟气经所述换向阀(2)后再依次通过所述输出管(4)和所述第一支路管(24)进入富二氧化碳烟气利用模块(27)；

(7)开启第九阀门(33)和第十阀门(35)，更换部分失活钙基吸附剂；待T₃和T₄达到钙基吸附剂所需再生温度800-1000℃范围内5-15分钟之后，进入热化学转化阶段。

8.根据权利要求7所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，其特征在于，高温煅烧阶段中含碳燃料进料量V_{含碳燃料-I}的计算公式为：V_{含碳燃料-I}＝(1645×V_{钙基吸附剂}-W₁)/LHV-V_{燃烧器(5)燃料消耗量}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量,kg/h；W₁为第一蓄热单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{燃烧器(5)燃料消耗量}为高温煅烧阶段中燃烧器(5)辅助燃料进料量，kg/h；

高温煅烧阶段中所述燃烧器(5)辅助燃料流量V_{燃烧器(5)燃料消耗量}计算公式为：V_{燃烧器燃料消耗量}＝(1645×V_{钙基吸附剂}-W₁)/LHV-V_{含碳燃料-I}，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂进入量，kg/h；W₁为第一蓄热单元的蓄热量，kJ；LHV为含碳燃料热值，kJ/kg；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段中含碳燃料进料量，kg/h；

高温煅烧阶段中所述第一引风机(8)空气流量V_空气-I的计算公式为：V_空气-I＝1.2×V_0-1×V_{含碳燃料-I}+1.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空气量；V_{含碳燃料-I}为高温煅烧阶段含碳燃料进料量，kg/h；V_0-2为燃烧器(5)燃料理论空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为高温煅烧阶段所述燃烧器(5)辅助燃料燃料进料量，kg/h。

9.根据权利要求6所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，其特征在于，步骤二的操作方法为：

(1)开启第一阀门(7)和第一引风机(8)，通过所述进气管(3)通入流量I₃的冷空气或冷氧气，I₃根据含碳燃料流量I₁进行调整，其为含碳燃料过量空气系数的0.2-0.3倍；

(2)切换所述换向阀(2)使所述进气管(3)连通所述气化管路(13)，冷空气或冷氧气经过所述第二储热单元(14)被加热成热空气或热氧气；

(3)开启所述第四阀门(20)，全部或部分关闭所述第六阀门(23)，热空气或热氧气并全部进入所述换热器(15)或者一部分进入所述换热器(15)一部分经所述第六阀门(23)沿着所述导流管(18)流动；所述第六阀门(23)关闭状态由所述换热器(15)出口蒸汽压力P₂进行调控：若P₂低于下限值，则需将所述第六阀门(23)的开度调小；若换热器(15)出口蒸汽压力P₂高于下限值，则需将所述第六阀门(23)的开度调大；

(4)开启第五阀门(21)，由所述二引风机或水泵通过所述水管(17)向所述换热器(15)输入液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体，在所述换热器(15)中使液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体通过热空气或热氧气进行换热得到混合气；

(5)混合气或者混合气与所述导流管(18)的热空气或热氧气经所述气化管路(13)通过所述第二颗粒物分离器(16)分离出颗粒物净化后进入所述反应器(1)，并与含碳燃料、钙基吸附剂在所述反应器(1)内发生热化学反应，从而产生高热值合成气，颗粒物由所述第三阀门(19)排出；为使得所述反应器(1)温度维持在含碳燃料所需的最适反应温度，实时监察所述反应器(1)的上部显示温度T₃和下部显示温度T₄，若T₃和下T₄低于下限值时增加I₃，或增加I₁，或增加辅助燃料喷入量I₂，或降低液态水或低温水蒸气或水蒸气与携带气体的流量；实时监察所述反应器(1)内部压力P₁，当P₁高于上限值时及时采取泄压措施；

(6)高热值合成气经所述第一颗粒物分离器(11)净化后，进入所述第一蓄热单元完成蓄热并降温；

(7)开启第八阀门(30)，关闭第七阀门(28)，降温后的高热值合成气经所述换向阀(2)后再依次通过所述输出管(4)和所述第二支路管(25)进入高热值合成气利用模块(26)；

(8)所述反应器(1)内热化学反应反应时间达到5-20分钟之后，进入高温煅烧阶段。

10.根据权利要求9所述的用于含碳燃料的钙基化学链气化制备高热值合成气的方法，其特征在于，热化学转化阶段中含碳燃料流量V_{含碳燃料-II}的计算公式为：V_{含碳燃料-II}＝V_{钙基吸附剂}/2，其中V_{钙基吸附剂}为钙基吸附剂床层储量与进料量之和，kg/h；

热化学转化阶段中，所述第一引风机(8)空气流量V_空气-II的计算公式为：V_空气-II＝0.2×V_0-1×V_{含碳燃料-II}+0.2×V_0-2×V_{燃烧器燃料消耗量}，其中V_0-1为含碳燃料理论空气量；V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量，kg/h；V_0-2为所述燃烧器(5)燃料理论空气量；V_{燃烧器燃料消耗量}为热化学转化阶段所述燃烧器(5)辅助燃料进料量，kg/h；

热化学转化阶段中，所述第二引风机或水泵(22)水蒸气流量V_水蒸气的计算公式为：V_水蒸气＝2×V_{含碳燃料-II}，V_{含碳燃料-II}为热化学转化阶段含碳燃料进料量，kg/h。

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