CN116119610A - 一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法，该系统至少包括炼焦、二氧化碳气化、热化学还原步、热化学氧化步四个过程；气化煤在炼焦过程热解产生焦炭和焦炉煤气，焦炉煤气直接作为产品气或者进行分离利用；二氧化碳气化过程中焦炭与二氧化碳反应产生一氧化碳，部分一氧化碳参与热化学还原步；在热化学还原步中，焦炭、一氧化碳等还原剂还原氧载体，生成还原态热化学氧载体和二氧化碳，二氧化碳参与二氧化碳气化过程循环利用；在热化学氧化步中，还原态热化学氧载体夺取水的氧原子，生成氢气和氧化态热化学氧载体；通过将煤气化过程中的还原性产物通入热化学还原步，克服了还原反应温度高和煤气化技术分离能耗大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域以及太阳能利用技术领域，具体而言，涉及一种太阳能热化学技术以及一种煤气化技术。
背景技术
随着全球能源需求急剧增长，新能源的开发迫在眉睫。氢能是一种清洁、高效、可持续的新能源，是人类的战略能源发展方向。目前的制氢技术有煤制氢技术、太阳能制氢技术等。
我国具有以煤为主的能源结构，对煤炭能源的利用占总能源的68％，然而，随着煤炭发电的逐年利用，优质煤炭资源逐年减少，对低质煤炭利用途径的探索成为研究的重点。煤制氢技术是一种可行的低质煤炭利用路径，低质煤炭的反应活性高，开采成本低，使得煤制氢技术具有较好的技术经济性。传统的煤制氢技术将煤炭进行气化处理，即在高温常压或加压下，与气化剂反应，转化成为气体产物，气化剂为气态水或氧气。气化产品中一氧化碳和氢气为主要成分，然后经过净化、一氧化碳的变换与分离、提纯等一系列过程得到一定程度的氢气，再将分离出的一氧化碳进行水煤气变换，产生氢气和水，分理出水后制得氢气。然而传统的煤气化技术使用纯氧或气态水作为气化剂，产品气同时包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，产品分离难度较大，目前产品气的分离一般采用变压吸附技术(PSA)，由于产品气中一氧化碳和氢气的占比均比较大，同时还有较多的二氧化碳，分离出一氧化碳和氢气所需的能耗较大，较大程度上降低了煤制氢效率。
为了降低产品气分离难度，一些学者提出了三步煤气化过程，先进行炼焦过程，将煤焦化产生焦炭和焦炉煤气，再进行气化过程，在700～900℃下焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，留下未参加反应的灰分。生成的一氧化碳部分作为产品气，部分作为制氢原料参与下一步的反应，一氧化碳与水蒸汽在高温催化剂的条件下反应产生二氧化碳与氢气，产生的二氧化碳又可以作为气化剂与焦炭反应生成一氧化碳，二氧化碳作为气化剂对纯度的要求较高，因此需要对二氧化碳进行分离提纯。该技术的化学方程式如下：
气化反应：C+CO2→2CO
制氢反应：H2O+CO→H2+CO2
该制氢技术产生的产品气成分相对较少，包括氢气、二氧化碳未反应完全的水蒸气，降低了分离能耗，但由于产品气中存在大量二氧化碳，使得产品气的分离仍然存在一定难度，不利于制氢效率的提高。为此，本发明提出了四步法制氢，引入太阳能热化学两步法制氢，使氢气和二氧化碳在分别在两个反应产生，大大降低分离能耗。
太阳能热化学两步法制氢是太阳能制氢的一个重要途径，通常采用金属氧化物作为中间氧载体，以氧化铈为例，氧化还原反应方程式如下：
还原反应：
氧化反应：
总反应：
在较高温度下发生还原反应，氧化铈失去氧原子，生成还原性较强的还原态氧化铈，还原态氧化铈再夺去水中的氧原子生成氢气。
基于氧化铈的太阳能热化学两步法制氢技术的理论效率不加热回收的情况下可达16～19％，考虑60％的热回收的理论效率为37％左右，具有较高的能效。除此之外，太阳能热化学制氢技术可以利用太阳光的全光谱，可以充分利用太阳能。目前太阳能热化学两步法制氢技术存在一些问题，还原反应温度较高，以氧化铈为例，还原反应的温度为1500℃，氧化反应的温度为800℃，还原反应温度过大会导致系统热损失增加，同时增加了聚光成本，并且由于氧化反应与还原反应的温度相差较大，因此显热损失也比较大。研究表明，降低还原反应的氧分压有助于降低还原反应所需温度，在获得相同产氢量时，还原反应的氧分压越低，该还原反应所需温度越低。
因此，为了提高热化学两步法制氢效率，并且降低还原反应的温度(温度降低时，氧载体、反应容器材料、包括聚光集热方式等均会受益，材料可选择性及寿命均会延长)，需要降低还原反应的氧分压，通常采用真空泵或惰性气体吹扫的方法，采用真空泵吹扫需要将太阳能热化学还原反应器中的氧分压降至10-6MPa，需要消耗大量的泵功，而采用惰性气体吹扫一方面将惰性气体加热至还原反应温度会消耗大量的热量，一方面对惰性气体回收时会有大量的分离能耗，基于上述因素，目前的太阳能热化学两步法循环实验效率较低，普遍在3～5％，尽管有一些文献在太阳能热化学两步法循环的还原步中加入了牺牲剂，用于降低氧分压以提高太阳能到化学能的转化效率，但仍然增加了较多的牺牲剂的成本。基于上述问题，本发明提出了一种四步法煤气化制氢与太阳能热化学两步法制氢耦合的思路。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种煤四步法气化技术以及太阳能热化学耦合的制氢系统及方法，该系统分为炼焦、二氧化碳气化、热化学还原步、热化学氧化步四个过程。本发明提出的制氢系统中，气化煤在炼焦单元中隔绝空气加热产生焦炭和焦炉煤气，焦炉煤气直接作为产品气或者进行分离利用，将焦炉煤气进行分离利用时焦炉煤气分离出部分氢气、甲烷后其它还原性气体参与热化学还原步反应；二氧化碳气化过程中焦炭与二氧化碳在高温条件下产生一氧化碳，一部分一氧化碳参与热化学还原步反应，另一部分一氧化碳作为该系统的产品气之一；在热化学还原步中，焦炭和/或一氧化碳和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体还原氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体和二氧化碳，二氧化碳参与二氧化碳气化过程循环利用；在热化学氧化步中，还原态的氧载体夺取水中的氧原子，生成氢气和氧化态的热化学氧载体。该系统是基于光煤互补的思路将新型煤气化系统中的变换产氢单元与太阳能热化学两步法技术结合，使新型煤气化系统中产生的碳和一氧化碳在还原反应中还原热化学氧载体；该系统还提供了一个焦炉煤气的利用思路，将焦炉煤气通入变压吸附单元分离出部分氢气和甲烷，余下具有较强还原性的含碳气体，将余下的气体作为辅助还原剂通入热化学还原步。该系统的优点是能够降低热化学还原步的氧分压，与传统的热化学两步法循环制氢相比，在保持制氢效率不变的前提下，可降低热化学还原步的反应温度，可以将原来的1500℃降至1000℃，与煤气化系统互补制氢时的热回收难度降低，更易进行热回收过程的温度匹配，进而实现该系统的热量互补。由于两步法热化学反应分为两步进行，二氧化碳和氢气分别在两个阶段产生，因此解决了新型煤气化过程中二氧化碳与氢气分离的问题。除此之外，焦炉煤气分离出氢气后余下的还原性气体杂质较多，产生的氢气分离出水后纯度较高，能够利用低纯度的还原性气体或者还原性废气生成高纯度氢气。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，包括燃烧单元、传热单元、炼焦单元、二氧化碳气化单元、太阳能热化学反应单元、物流分配单元、换热单元、余热回收单元、净化单元、变压吸附单元、分离单元，其特征在于，所述燃烧单元包括供热煤入口和高温空气入口，其通过高温烟气管路与传热单元连通；所述传热单元包括传热隔墙Ⅰ和传热隔墙Ⅱ，所述传热隔墙Ⅰ的一侧为燃烧单元另一侧为所述炼焦单元，所述至少一个传热隔墙Ⅱ的一侧为燃烧单元另一侧为所述二氧化碳气化单元；所述换热单元包括换热单元Ⅰ和换热单元Ⅱ；所述余热回收单元包括余热回收单元Ⅰ和余热回收单元Ⅱ；所述分离单元包括分离单元Ⅰ和分离单元Ⅱ；所述炼焦单元包括气化煤入口、焦炭出口和焦炉煤气出口，所述炼焦单元的焦炭出口与物流分配阀Ⅰ的入口相连，所述炼焦单元的焦炉煤气出口与变压吸附单元的焦炉煤气入口相连；所述物流分配单元包括物流分配阀Ⅰ、物流分配阀Ⅱ、物流分配阀Ⅲ，所述物流分配阀Ⅰ具有至少一个入口和至少两个出口，其中一个出口与所述二氧化碳气化单元入口连通，另一个出口通过物流分配阀Ⅲ与所述太阳能热化学反应单元中的还原单元相连；所述二氧化碳气化单元包括焦炭入口和一氧化碳出口；所述物流分配阀Ⅱ具有至少一个入口和至少两个出口，其中一个出口与换热单元冷流体入口连通，另一个出口经过分离后通入一氧化碳收集器中；所述物流分配阀Ⅲ具有至少三个入口和至少一个出口，一个入口与变压吸附单元的其它还原性气体出口连通，一个入口与物流分配阀Ⅰ的一个出口相连，一个入口与换热单元Ⅰ的一氧化碳出口相连，一个出口与还原单元的辅助还原剂入口相连；所述太阳能热化学反应单元包括还原单元、氧化单元和集热单元；所述还原单元包括辅助还原剂入口、还原单元气体出口；所述氧化单元包括原料水入口、氧化单元气体出口；所述太阳能集热单元能够聚集太阳能，产生高温并将热量传到还原单元；在所述还原单元中，通入一氧化碳和/或焦炭等还原性气体，产生二氧化碳并作为二氧化碳气化单元的原料之一，在所述氧化单元中，通入水产生氢气；所述氧化单元的氧化单元气体出口与换热单元Ⅱ的热流体入口连通；所述换热单元Ⅱ的热流体出口与分离单元Ⅱ的入口连通。
优选地，所述二氧化碳气化单元的顶部设置焦炭进口和一氧化碳出口，底部设置二氧化碳进口；
优选的，所述物流分配阀Ⅲ包括焦炭入口、一氧化碳入口、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体入口和辅助还原剂出口；
优选的，所述变压吸附单元包括一个焦炉煤气入口、一个氢气出口、一个甲烷气体出口和一个焦炉煤气分离后剩余的还原性气体出口；
优选的，所述炼焦单元为加热炉、均热炉或煅烧炉；
优选的，所述气化煤为烟煤或褐煤，所述供热煤为所有煤种；
优选的，所述太阳能热化学反应单元采用的热化学氧载体包括铁、锰、锌、铈、镍、钴、铌、铟、锡的一种或多种金属氧化物或金属掺杂氧化物或者钙钛矿、尖晶石。
本发明的煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统的工作过程如下：
气化煤在炼焦单元中隔绝空气加热产生焦炭和焦炉煤气，反应温度为900～1000℃，此过程为吸热反应，热量由燃烧单元通过传热隔墙Ⅰ来提供，焦炉煤气通过管道流入变压吸附单元中，将氢气、甲烷从焦炉煤气中分离，分离出的氢气占焦炉煤气中氢气的比例为0～90％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行氢气分离处理，分离出的氢气流入氢气收集器中；分离出的甲烷占焦炉煤气中甲烷的比例为0～70％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行甲烷分离处理，分离出的甲烷流入甲烷收集器中；焦炉煤气分离后剩余的还原性气体流入物流分配阀Ⅲ中；焦炭通过管道输送到物流分配阀Ⅰ中，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ的一个出口流入二氧化碳气化单元，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ的另一个出口流入物流分配阀Ⅲ，物流分配阀Ⅰ用于控制焦炭两种流向的比例；二氧化碳气化单元中发生反应焦炭与二氧化碳在高温条件下产生一氧化碳，余下未参与反应的灰分，产物一氧化碳通过管道进入物流分配阀Ⅱ，一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ的一个出口流入一氧化碳收集器中，另一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ的一个出口流入换热单元Ⅰ中进行预热，预热后的一氧化碳流入物流分配阀Ⅲ中，物流分配阀Ⅱ用于控制一氧化碳上述两种流向的比例；在太阳能热化学反应单元的还原单元中，太阳能经过聚集使太阳能热化学还原反应器内的温度达到900～1500℃，焦炭和/或一氧化碳和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体通过物流分配阀Ⅲ进入太阳能热化学反应单元的还原单元中，还原氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体、二氧化碳、一氧化碳和少量水，上述产物通过还原单元的还原单元气体出口流出，经过分离单元Ⅰ后通过管道流入二氧化碳气化单元进行循环利用；在太阳能热化学反应单元的氧化单元中，常温条件下的水通过换热单元Ⅱ预热后通过管道流入氧化单元的原料水入口，经过还原后的氧载体夺取水中的氧原子，生成氢气以及部分未反应的气态水，上述生成气通过太阳能热化学反应单元的氧化单元的氧化单元气体出口流出，进入换热单元Ⅱ中进行初步冷却，之后在分离单元中进一步冷却分离出氢气和液态水，氢气通过管道流入氢气收集器中。
一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统及方法，该系统具体流程包括：气化煤在炼焦单元中隔绝空气加热产生焦炭和焦炉煤气，反应温度为900～1000℃，此过程为吸热反应，热量由燃烧单元通过传热隔墙Ⅰ来提供，焦炉煤气通过管道流入变压吸附单元中，将氢气、甲烷从焦炉煤气中分离，分离出的氢气占焦炉煤气中氢气的比例为0～90％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行氢气分离处理，分离出的氢气流入氢气收集器中；分离出的甲烷占焦炉煤气中甲烷的比例为0～70％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行甲烷分离处理，分离出的甲烷流入甲烷收集器中；焦炉煤气分离后剩余的还原性气体流入物流分配阀Ⅲ中；焦炭通过管道输送到物流分配阀Ⅰ中，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ的一个出口流入二氧化碳气化单元，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ的另一个出口流入物流分配阀Ⅲ，物流分配阀Ⅰ用于控制焦炭两种流向的比例；
二氧化碳气化单元中发生反应焦炭与二氧化碳在高温条件下产生一氧化碳，余下未参与反应的灰分，产物一氧化碳通过管道进入物流分配阀Ⅱ，一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ的一个出口流入一氧化碳收集器中，另一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ的一个出口流入换热单元Ⅰ中进行预热，预热后的一氧化碳流入物流分配阀Ⅲ中，物流分配阀Ⅱ用于控制一氧化碳两种流向的比例；
在太阳能热化学反应单元的还原单元中，太阳能经过聚集使太阳能热化学还原反应器内的温度达到900～1500℃，由物流分配阀Ⅲ将辅助还原剂输送到还原单元参与还原热化学氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体、二氧化碳、一氧化碳和少量水，二氧化碳、水和未反应完全的一氧化碳通过还原单元的还原单元气体出口流出，先经过换热单元Ⅰ与二氧化碳气化单元产生的一氧化碳进行热交换，再经过分离单元Ⅰ分离出少量水后剩余的二氧化碳和一氧化碳混合气通过管道流入二氧化碳气化单元进行循环利用；
在太阳能热化学反应单元的氧化单元中，还原态的热化学氧载体夺取水中的氧原子，生成氧化态的热化学氧载体以及氢气和一部分未反应的气态水，高温氢气和气态水通过氧化单元的氧化单元气体出口流出，先通过换热单元Ⅱ降低一部分温度，再通过分离单元Ⅱ进行氢气和水的分离，氢气通过管道流入氢气收集器中。
本发明的有益之处在于通过对煤四步法气化技术和太阳能热化学技术的耦合，实现了对煤四步法气化过程产生的焦炉煤气、焦炭、一氧化碳的综合利用，使得两者优势互补，消除短板。在三步法煤气化过程的水煤气变换单元中引入太阳能热化学两步法制氢技术，使一氧化碳及氢气分别在两个阶段产生，解决了该煤气化制氢技术的一氧化碳与氢气的分离问题，同时由于还原阶段的气体输出为二氧化碳、气态水以及未反应完全的一氧化碳，因此在循环利用时净化提纯难度较小，大大降低了系统的复杂程度；通过在太阳能热化学两步法中的还原阶段引入焦炭、一氧化碳以及焦炉煤气分离后剩余的还原性气体进行辅助还原，降低了还原反应的温度，减少了太阳能热化学两步法制氢的显热损失，提高了制氢效率，同时由于还原反应的温度降低(以氧化铈为例可以将原来的1500℃降至1000℃)，与煤气化系统互补制氢时的热回收难度降低，更易进行热回收过程的温度匹配，进而实现该系统的热量互补；本发明的耦合思路将煤气化过程中产生的焦炉煤气、焦炭、一氧化碳进行了充分利用，特别是将成分复杂的焦炉煤气作为辅助还原剂通入还原单元中，提供了一种新型的还原性废气的利用思路；除此之外，该系统的余热回收体现了“温度对口，梯级利用”的思想，同时考虑了热效率和㶲损失，将该耦合系统的㶲损失降到最小。
附图说明
图1为本发明的煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图2为本发明另外一种煤热解和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图3为本发明另外一种钢铁冶炼和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图4为图1另外一种煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图5为图1另外一种煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图6为图1另外一种引入生物质能的煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图7为图1另外一种完全采用太阳能供热的煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图8为图1另外一种煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图；
图9为图1另外一种煤四步法气化技术和太阳能热化学耦合的制氢系统示意图。
其中，1-炼焦单元、2-二氧化碳气化单元、3-还原单元、4-氧化单元、5-集热单元Ⅲ、6-燃烧单元、7-净化单元、8-余热回收单元Ⅰ、9-余热回收单元Ⅱ、10-换热单元Ⅰ、11-换热单元Ⅱ、12-变压吸附单元、13-分离单元Ⅰ、14-分离单元Ⅱ、15-物流分配阀Ⅰ、16-物流分配阀Ⅱ、17-物流分配阀Ⅲ、18-传热隔墙Ⅰ、19-传热隔墙Ⅱ、20-太阳能热化学反应单元、21-气化煤、22-焦炭、23-预热前的一氧化碳、24-预热后的一氧化碳、25-还原态热化学氧载体、26-氧化态热化学氧载体、27-热回收前的氢气和水的混合气、28-热回收后的氢气和水的混合气、29-氢气、30-水、31-预热前的水、32-一次预热后的水、33-二次预热后的水、34-三次预热后的水、35-焦炉煤气、36-从焦炉煤气中分离出的氢气、37-甲烷、38-焦炉煤气中的其它还原性气体、39-辅助还原剂、40-热回收前的二氧化碳、一氧化碳和水的混合气、41-热回收后的二氧化碳、一氧化碳和水的混合气、42-二氧化碳和一氧化碳的混合气、43-灰分、44-煤炭、45-高温烟气、46-热回收前的二氧化碳、水和氮气的混合气、47-一次热回收后的二氧化碳、水和氮气的混合气、48-二次热回收后的二氧化碳、水和氮气的混合气、49-炼铁单元、50-炼钢单元、51-钢铁冶炼单元、52-铁矿石、53-生铁、54-钢、55-高炉煤气、56-转炉煤气、57-热解单元、58-传热隔墙Ⅲ、59-生物质、60-生物质碳、61-集热单元Ⅰ、62-集热单元Ⅱ、63-变换分离单元、64-甲烷以及含碳燃料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
图1示出了本发明的煤四步法气化技术以及太阳能热化学两步法技术耦合的制氢系统的示意图。包括炼焦单元1、二氧化碳气化单元2、还原单元3、氧化单元4、集热单元5、燃烧单元6、净化单元7、余热回收单元Ⅰ8、余热回收单元Ⅱ9、换热单元Ⅰ10、换热单元Ⅱ11、变压吸附单元12、分离单元Ⅰ13、分离单元Ⅱ14、物流分配阀Ⅰ15、物流分配阀Ⅱ16、物流分配阀Ⅲ17、传热隔墙Ⅰ18、传热隔墙Ⅱ19、太阳能热化学反应单元20。炼焦单元1具有气化煤入口、焦炉煤气出口和焦炭出口，炼焦单元1的焦炭出口通过物流分配阀Ⅰ15分别与物流分配阀Ⅲ17和二氧化碳气化单元2相连，其中物流分配阀Ⅰ15用来控制焦炭22流入上述两个单元的比例。二氧化碳气化单元2具有焦炭入口、二氧化碳入口、灰分出口、一氧化碳入口，二氧化碳气化单元2的一氧化碳出口通过物流分配阀Ⅱ16分别与一氧化碳收集单元和换热单元Ⅰ10的冷端入口相连，其中物流分配阀Ⅱ16用来控制一氧化碳23流入上述两个单元的比例。换热单元Ⅰ10的一氧化碳出口与物流分配阀Ⅲ17的入口相连。物流分配阀Ⅲ17的辅助还原剂出口与还原单元3的入口相连，还原单元3具有氧载体入口、辅助还原剂入口、还原单元气体出口、氧载体出口，还原单元3的还原单元气体出口与换热单元Ⅰ10的热端入口相连，还原单元3的氧载体出口与氧化单元4的氧载体入口相连。氧化单元4具有水入口、氧载体入口、氧载体出口、氧化单元气体出口，氧化单元4的氧化单元气体出口与换热单元Ⅱ11的热流入口相连。换热单元Ⅱ11的氢气出口与分离单元Ⅱ14相连，分离单元Ⅱ14具有混合气入口、氢气出口、水出口。余热回收单元Ⅰ8和余热回收单元Ⅱ9用于回收燃烧单元6产生的高温气体的热量，并将热量用于预热水。燃烧单元6的气体出口与净化单元7相连，净化单元7先后与余热回收单元Ⅰ8和余热回收单元Ⅱ9相连。
具体实施例，如图1所示，本发明提出了一种新型煤气化与太阳能热化学两步法技术耦合的制氢系统和方法，气化煤21通过气化煤入口进入炼焦单元1，在隔绝氧气的环境中吸收热量热解，反应温度为900～1000℃。反应生成的气体为焦炉煤气35，流入变压吸附单元12进行气体分离，分离出的气体为氢气36和甲烷37，分离出的氢气占焦炉煤气中氢气的比例为0～90％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行氢气分离处理，分离出的氢气流入氢气收集器中；分离出的甲烷占焦炉煤气中甲烷的比例为0～70％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行甲烷分离处理，分离出的甲烷流入甲烷收集器中；焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38流入物流分配阀Ⅲ17中；反应生成的固体为焦炭22，焦炭22通过物流分配阀Ⅰ15一部分输送到二氧化碳气化单元2另一部分先输送到物流分配阀Ⅲ17，再通过物流分配阀Ⅲ17输送到还原单元3，物流分配阀Ⅰ15用于控制焦炭22输送到上述两个单元的比例；二氧化碳气化单元2中发生反应焦炭与二氧化碳在700～900℃条件下产生一氧化碳23，焦炭中未参与反应的部分为灰分43，排出系统，产物一氧化碳23通过物流分配阀Ⅱ16一部分作为该系统的产品气体流入一氧化碳收集单元中，另一部分先输送到物流分配阀Ⅲ17，再通过物流分配阀Ⅲ17输送到还原单元3，物流分配阀Ⅱ16用于控制一氧化碳23上述两种去向的比例；物流分配阀Ⅲ17用于调节通入还原单元3的辅助还原剂的成分，包括焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38、焦炭22和一氧化碳23；在太阳能热化学反应单元20的还原单元3中，太阳能经过聚集使太阳能热化学还原反应器内的温度达到900～1500℃，由物流分配阀Ⅲ17将辅助还原剂39输送到还原单元3参与还原热化学氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体25、二氧化碳、一氧化碳和少量水40，二氧化碳、水和未反应完全的一氧化碳40通过还原单元3的还原单元气体出口流出，经过分离单元Ⅰ13分离出少量水30后剩余气体42通过管道流入二氧化碳气化单元2进行循环利用；在太阳能热化学反应单元的氧化单元4中，液态水31先后通过余热回收单元Ⅱ9、余热回收单元Ⅰ8进行预热，再通过换热单元Ⅱ11进一步预热，再通过管道流入氧化单元4的原料水入口，还原态的热化学氧载体25夺取水中的氧原子，生成氧化态的热化学氧载体26以及氢气和一部分未反应的气态水27，高温氢气和气态水27通过氧化单元4的氧化单元气体出口流出，先通过换热单元Ⅱ11降低一部分温度，再通过分离单元Ⅱ14进行氢气和水的分离，氢气29通过管道流入氢气收集器中。
下面说明本发明的热量传递过程和余热回收过程：煤炭44在燃烧单元6燃烧，放出热量，燃烧单元6中的一部分热量通过传热隔墙Ⅰ18流入炼焦单元1，一部分热量通过传热隔墙Ⅱ19流入二氧化碳气化单元2；高温烟气45通过净化单元7除去其中的有害气体如硫化物、氮氧化物等，净化后的产物为二氧化碳、氮气和气态水46，通过余热回收单元Ⅰ8降低一部分温度，再通过余热回收单元Ⅱ9进一步降低温度。余热回收单元Ⅱ9中回收的热量用于第一次预热水，余热回收单元Ⅰ8中回收的热量用于第二次预热水，换热单元Ⅱ11利用氧化单元4产生的氢气、气态水27的热量进行第三次预热水。由还原单元3的还原单元气体出口流出的二氧化碳、一氧化碳、少量气态水40先通过换热单元Ⅰ10回收部分热量，再经过分离单元Ⅰ13分离出水30，再流入二氧化碳气化单元2中参与气化反应。换热单元Ⅰ10回收的热量用于预热从二氧化碳气化单元2中产生并分别通过物流分配阀Ⅱ16、物流分配阀Ⅲ17流入还原单元3的一氧化碳。
本发明余热回收系统应用了“温度对口，梯级利用”的原则：由还原单元3的还原单元气体出口流出的二氧化碳、一氧化碳、少量气态水40温度为900～1500℃，二氧化碳气化单元2产生的一氧化碳23温度为700～900℃，上述两种流体通过换热单元Ⅰ10进行热量交换，由于上述两种流体温差较小，换热过程的㶲损失也较小；对经过净化单元7后的二氧化碳、水和氮气的混合气46进行余热回收，由于经过净化单元后的气体的温度较高，为高品质热源，因此该气体先进入余热回收单元Ⅰ8，与一次预热后的水32进行热交换，然后进入余热回收单元Ⅱ9与预热前的水31进行热量交换，通过余热回收单元Ⅱ9出口流出的产物为温度较低的二氧化碳、水和氮气48；对通入氧化单元4的水进行预热，先通过余热回收单元Ⅱ9进行第一次预热，再通过余热回收单元Ⅰ8进行第二次预热，然后通过换热单元Ⅱ11利用氧化单元4产生的氢气、气态水27的热量进行第三次预热，热量的品质由低到高依次利用，以达到㶲损失最小的效果。
如附图2所示的一个实施例中，气化煤21进入炼焦单元1，产生焦炉煤气35和焦炭22，焦炉煤气35通过变压吸附单元12分离出氢气36，焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38与炼焦单元1产生的焦炭22一同通入还原单元3中，参与还原热化学氧载体。
如附图3所示的一个实施例中，煤炭44进入炼焦单元1高温热解，产生焦炉煤气35和焦炭22，焦炉煤气35通过变压吸附单元12分离出氢气36和甲烷37，焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38通过物流分配阀Ⅲ17进入还原单元3，参与还原热化学氧载体；焦炭22与铁矿石52进入炼铁单元49冶炼，产生生铁53和高炉煤气55，高炉煤气55通过物流分配阀Ⅲ17进入还原单元3，参与还原氧载体；生铁53进入炼钢单元50进行脱碳处理，生成钢54和转炉煤气56，转炉煤气56通过物流分配阀Ⅲ17进入还原单元3，参与还原氧载体；该实施例将本发明的耦合思路应用于钢铁冶炼工业，在基本不改变钢铁冶炼原有设备的前提下，将钢铁冶炼中产生的焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等工业废气进行了合理利用。
如附图4所示的一个实施例中，炼焦单元1产生的部分焦炭22以及二氧化碳气化单元2产生的部分一氧化碳23通过物流分配阀Ⅲ17通入还原单元3作为辅助还原剂，炼焦单元1产生的焦炉煤气35流入焦炉煤气收集单元中，与附图1中的实施例对比省去了变压吸附单元，将焦炉煤气直接作为该系统的产品气之一。
如附图5所示的一个实施例中，炼焦单元1产生的焦炭22全部通入二氧化碳气化单元2产生一氧化碳23，二氧化碳气化单元2产生的一氧化碳23一部分流入一氧化碳收集单元中，一部分经过换热单元Ⅰ10流入还原单元3中作为辅助还原剂参与还原热化学氧载体。
如附图6所示的一个实施例中，采用生物质59代替一部分气化煤，燃烧单元6通过传热隔墙Ⅲ58向热解单元57传递热量，生物质59在热解单元57内催化热解产生生物质碳60，生物质碳60通入二氧化碳气化单元2中作为焦炭的替代原料，引入了生物质能，减少了碳排放，降低了该制氢系统的煤炭能源需求。
如附图7所示的一个实施例中，引入集热单元Ⅰ61和集热单元Ⅱ62，为炼焦单元1和二氧化碳气化单元2提供热量，太阳光通过集热单元Ⅰ61由辐射能转化为热能为炼焦单元1提供反应所需热量，太阳光通过集热单元Ⅱ62由辐射能转化为热能为二氧化碳气化单元2提供反应所需热量，与附图1所示的实例相比，用集热单元Ⅰ61和集热单元Ⅱ62代替了燃烧单元6以及配套的净化单元7、余热回收单元Ⅰ8和余热回收单元Ⅱ9，进一步减少了煤炭能源需求，增加了该制氢系统的太阳能利用总量，减少了碳排放；该实施例是在附图1所示的实施例的基础上进行能源替代的一种方案，类似的，依据同种能量替代思路的其它方案如下：燃烧单元6为炼焦单元1、二氧化碳气化单元2、还原单元3提供热量；集热单元5为炼焦单元1、二氧化碳气化单元2、还原单元3提供热量；燃烧单元6为炼焦单元1、二氧化碳气化单元2提供热量，集热单元5为还原单元3提供热量；燃烧单元6为炼焦单元1、还原单元3提供热量，集热单元5为二氧化碳气化单元2提供热量；燃烧单元6为二氧化碳气化单元2、还原单元3提供热量，集热单元5为炼焦单元1提供热量；燃烧单元6为炼焦单元1提供热量，集热单元5为还原单元3、二氧化碳气化单元2提供热量；燃烧单元6为二氧化碳气化单元2提供热量，集热单元5为还原单元3、炼焦单元1提供热量；燃烧单元6为还原单元3提供热量，集热单元5为炼焦单元1、二氧化碳气化单元2提供热量。
如附图8所示的一个实施例中，引入变换分离单元63，二氧化碳气化单元2产生的一氧化碳一部分通入变换分离单元63，在变换分离单元63中发生水煤气变换反应：一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气，产生的二氧化碳和氢气经过分离后二氧化碳42流入二氧化碳气化单元2中参与反应；炼焦单元1产生的焦炉煤气35通过变压吸附单元12分离出部分氢气36和甲烷37，焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38通入还原单元3，参与还原热化学氧载体。
如附图9所示的一个实施例中，物流分配阀Ⅲ17增加了甲烷以及含碳燃料入口，当煤气化系统产生的还原性产物满足不了制氢量以及制氢效率的需求时，加入来自系统外部的甲烷以及其它含碳燃料64通过物流分配阀Ⅲ17进入还原单元3参与反应；在该实施例中，还原单元3的辅助还原剂的成分包括焦炭22和/或一氧化碳24和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38和/或甲烷以及含碳燃料64；与之对应的，物流分配阀Ⅲ17用于控制通入还原单元3的辅助还原剂的成分，具有多种工作模式：只通一种成分，包括只通焦炭22、只通一氧化碳24、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38、只通甲烷以及含碳燃料64；只通两种成分，包括只通焦炭22和一氧化碳24、只通焦炭22和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38、只通焦炭22和甲烷以及含碳燃料64、只通一氧化碳24和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38、只通一氧化碳24和甲烷以及含碳燃料64、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38和甲烷以及含碳燃料64；只通三种成分，包括只通焦炭22、一氧化碳24和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38、只通焦炭22、一氧化碳24和甲烷以及含碳燃料64、只通焦炭22、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38和甲烷以及含碳燃料64、只通一氧化碳24、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38和甲烷以及含碳燃料64；通入四种成分，具体为通入焦炭22、一氧化碳24、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体38和甲烷以及含碳燃料64。
由此，本发明中具体实施方式的描述，并非是对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明技术方案的而前提下，本领域普通技术人员对技术方案做出的任何变形和改进将仍属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，包括炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)、氧化单元(4)、集热单元Ⅲ(5)、燃烧单元(6)、净化单元(7)、余热回收单元Ⅰ(8)、余热回收单元Ⅱ(9)、换热单元Ⅰ(10)、换热单元Ⅱ(11)、变压吸附单元(12)、分离单元Ⅰ(13)、分离单元Ⅱ(14)、物流分配阀Ⅰ(15)、物流分配阀Ⅱ(16)、物流分配阀Ⅲ(17)、传热隔墙Ⅰ(18)、传热隔墙Ⅱ(19)、太阳能热化学反应单元(20)，其中：
炼焦单元(1)，用于将气化煤转化为焦炭，并生成副产品焦炉煤气；
二氧化碳气化单元(2)，用于将炼焦单元(1)产生的焦炭和还原单元(3)产生的二氧化碳转化为纯度较高的一氧化碳；
太阳能热化学反应单元(20)，用于在聚光太阳能驱动下分解水或者二氧化碳产生氢气、一氧化碳，包括还原单元(3)、氧化单元(4)、集热单元Ⅲ(5)，所述还原单元(3)包括辅助还原剂入口、还原单元气体出口；所述氧化单元(4)包括原料水入口、氧化单元气体出口；所述集热单元Ⅲ(5)能够聚集太阳能，产生高温并将热量传到还原单元(3)和氧化单元(4)中；在所述还原单元(3)中，通入一氧化碳和/或焦炭和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体的一种或多种，产生的气体中的二氧化碳作为二氧化碳气化单元(2)的原料之一，在所述氧化单元(4)中，通入水产生氢气；所述太阳能热化学反应单元(20)的还原单元(3)和氧化单元(4)可以在同一个反应装置中也可以在两个反应装置中，由所选取的太阳能热化学反应器的类型决定；
集热单元(5)，为塔式或碟式太阳能聚光器，用于为系统的吸热单元提供热量；
燃烧单元(6)，用于将供热煤的化学能通过燃烧反应转化为热能，为系统的吸热单元提供热量；
净化单元(7)，用于对通过燃烧单元(6)出口流出的气体中的硫化物、氮氧化物进行净化处理；
余热回收单元，用于回收燃烧烟气的热量，包括余热回收单元Ⅰ(8)、余热回收单元Ⅱ(9)。余热回收单元Ⅰ(8)用于回收燃烧单元(6)产生的高温烟气的热量；余热回收单元Ⅱ(9)用于在余热回收单元Ⅰ(8)先回收一部分高温热量的基础上，进一步回收燃烧单元(6)产生的高温烟气的热量，以达到热量充分利用的效果；
换热单元，包括换热单元Ⅰ(10)和换热单元Ⅱ(11)，换热单元Ⅰ(10)是将还原单元(3)的还原单元气体出口流出的二氧化碳、一氧化碳、少量气态水以及二氧化碳气化单元(20)产生的一氧化碳两股流体进行热交换；换热单元Ⅱ(11)是将氧化单元(4)产生的氢气、气态水混合气与经过二次预热后的水进行热交换，既对氧化单元(4)需要的原料水进行第三次预热，又能降低氧化单元(4)产生的氢气、气态水混合气的温度，促进了混合气体的分离；
变压吸附单元(12)，用于分离焦炉煤气中的氢气和甲烷；
分离单元Ⅰ(13)，用于分离出太阳能热化学反应单元(20)中的还原单元(3)产生的二氧化碳、一氧化碳和水的混合物中的水；
分离单元Ⅱ(14)，用于分离太阳能热化学反应单元(20)中的氧化单元(4)的生成物氢气和气态水；
物流分配单元，包括物流分配阀Ⅰ(15)、物流分配阀Ⅱ(16)、物流分配阀Ⅲ(17)，所述物流分配阀Ⅰ(15)具有至少一个入口和至少两个出口，其中一个出口与所述二氧化碳气化单元(2)连通，另一个出口通过物流分配阀Ⅲ(17)与所述太阳能热化学反应单元(20)中的还原单元(3)相连；所述物流分配阀Ⅱ(16)具有至少一个入口和至少两个出口，其中一个出口与换热单元Ⅰ(10)冷流体入口连通，另一个出口经过分离后通入一氧化碳收集器中；所述物流分配阀Ⅲ(17)具有至少三个入口和至少一个出口，一个入口与变压吸附单元(12)的剩余还原性气体出口连通，一个入口与物流分配阀Ⅰ(15)的一个出口相连，一个入口与换热单元Ⅰ(10)的一氧化碳出口相连，一个出口与还原单元(3)的辅助还原剂入口相连；
传热隔墙Ⅰ(18)用于将燃烧单元(6)的热量传递到炼焦单元(1)；
传热隔墙Ⅱ(19)用于将燃烧单元(6)的热量传递到二氧化碳气化单元(2)。
2.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，还原单元(3)的辅助还原剂的成分包括焦炭和/或一氧化碳和/或焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和/或甲烷以及含碳燃料；与之对应的，物流分配阀Ⅲ(17)用于控制通入还原单元(3)的辅助还原剂的成分，具有多种工作模式：只通一种成分，包括只通焦炭、只通一氧化碳、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通甲烷以及含碳燃料；只通两种成分，包括只通焦炭和一氧化碳、只通焦炭和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通焦炭和甲烷以及含碳燃料、只通一氧化碳和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通一氧化碳和甲烷以及含碳燃料、只通焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料；只通三种成分，包括只通焦炭、一氧化碳和焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、只通焦炭、一氧化碳和甲烷以及含碳燃料、只通焦炭、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料、只通一氧化碳、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料；通入四种成分，具体为通入焦炭、一氧化碳、焦炉煤气分离后剩余的还原性气体和甲烷以及含碳燃料。
3.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，该系统中的吸热单元包括炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)，由集热单元(5)、燃烧单元(6)共同为吸热单元提供热量，具体包括的供热方式有：燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量；集热单元(5)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量；燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)提供热量，集热单元(5)为还原单元(3)提供热量；燃烧单元(6)为炼焦单元(1)、还原单元(3)提供热量，集热单元(5)为二氧化碳气化单元(2)提供热量；燃烧单元(6)为二氧化碳气化单元(2)、还原单元(3)提供热量，集热单元(5)为炼焦单元(1)提供热量；燃烧单元(6)为炼焦单元(1)提供热量，集热单元(5)为还原单元(3)、二氧化碳气化单元(2)提供热量；燃烧单元(6)为二氧化碳气化单元(2)提供热量，集热单元(5)为还原单元(3)、炼焦单元(1)提供热量；燃烧单元(6)为还原单元(3)提供热量，集热单元(5)为炼焦单元(1)、二氧化碳气化单元(2)提供热量。
4.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，炼焦单元(1)产生的焦炉煤气流入变压吸附单元(12)进行气体分离，分离出的气体为氢气和甲烷，分离出的氢气占焦炉煤气中氢气的比例为0～90％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行氢气分离处理，分离出的氢气流入氢气收集器中；分离出的甲烷占焦炉煤气中甲烷的比例为0～70％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行甲烷分离处理，分离出的甲烷流入甲烷收集器中；焦炉煤气分离后剩余的还原性气体流入物流分配阀Ⅲ(17)中。
5.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，炼焦单元(1)产生的焦炭通过物流分配阀Ⅰ(15)一部分输送到二氧化碳气化单元(2)另一部分先输送到物流分配阀Ⅲ(17)，再通过物流分配阀Ⅲ(17)输送到太阳能热化学反应单元(20)中的还原单元(3)，物流分配阀Ⅰ(15)用于控制焦炭输送到上述两个单元的比例；二氧化碳气化单元(2)产生的一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ(16)一部分作为该系统的产品气体流入一氧化碳收集单元中，另一部分先输送到物流分配阀Ⅲ(17)，再通过物流分配阀Ⅲ(17)输送到太阳能热化学反应单元(20)的还原单元(3)，物流分配阀Ⅱ(16)用于控制一氧化碳上述两种去向的比例；物流分配阀Ⅲ(17)用于调节通入还原单元(3)的辅助还原剂的成分，包括焦炉煤气分离后剩余的还原性气体、焦炭、一氧化碳和甲烷以及含碳燃料。
6.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，所述太阳能热化学反应单元(20)包含有集热单元Ⅲ(5)、还原单元(3)、氧化单元(4)，在还原单元(3)中，太阳能经过聚集使太阳能热化学还原反应器内的温度达到900～1500℃，由物流分配阀Ⅲ(17)将辅助还原剂输送到还原单元(3)参与还原热化学氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体、二氧化碳、一氧化碳和少量水，二氧化碳、水和未反应完全的一氧化碳通过还原单元(3)的还原单元气体出口流出，先经过换热单元Ⅰ(10)与二氧化碳气化单元(2)产生的一氧化碳进行热交换，再经过分离单元Ⅰ(13)分离出少量水后剩余的二氧化碳和一氧化碳混合气通过管道流入二氧化碳气化单元(2)进行循环利用；在氧化单元(4)中，还原态的热化学氧载体夺取水中的氧原子，生成氧化态的热化学氧载体以及氢气和一部分未反应的气态水，高温氢气和气态水通过氧化单元(4)的氧化单元气体出口流出，先通过换热单元Ⅱ(11)降低一部分温度，再通过分离单元Ⅱ(14)进行氢气和水的分离，氢气通过管道流入氢气收集器中。
7.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，所述太阳能热化学反应单元(20)采用的热化学氧载体包括铁、锰、锌、铈、镍、钴、铌、铟、锡的一种或多种金属氧化物或金属掺杂氧化物或者钙钛矿、尖晶石。
8.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，由还原单元(3)的还原单元气体出口流出的二氧化碳、一氧化碳、少量气态水温度为900～1500℃，二氧化碳气化单元(2)产生的一氧化碳温度为700～900℃，上述两种流体通过换热单元Ⅰ(10)进行热量交换，由于上述两种流体温差较小，换热过程的㶲损失较小。
9.根据权利要求1所述的一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合的制氢系统，其特征在于，对经过净化单元(7)后的气体进行余热回收，由于经过净化单元(7)后的气体的温度较高，为高品质热源，因此该气体先进入余热回收单元Ⅰ(8)，与经过余热回收单元Ⅱ(9)预热进行第一次预热后的原料水进行热交换，然后该经过一次热回收后的烟气进入余热回收单元Ⅱ(9)与预热前的室温原料水进行热量交换，通过余热回收单元Ⅱ(9)出口流出的产物为温度较低的二氧化碳和氮气；对通入氧化单元(4)的水进行预热，先通过余热回收单元Ⅱ(9)对水进行第一次预热，再通过余热回收单元Ⅰ(8)对水进行第二次预热，然后通过换热单元Ⅱ(11)利用氧化单元(4)产生的氢气、气态水的热量对水进行第三次预热，热量的品质由低到高依次利用，以达到㶲损失最小的效果。
10.一种煤四步法气化和太阳能热化学耦合制氢的方法，应用于权利要求1-9中任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括：
气化煤在炼焦单元(1)中隔绝空气加热产生焦炭和焦炉煤气，反应温度为900～1000℃，此过程为吸热反应，热量由燃烧单元(6)通过传热隔墙Ⅰ(18)来提供，焦炉煤气通过管道流入变压吸附单元(12)中，将氢气、甲烷从焦炉煤气中的分离，分离出的氢气占焦炉煤气中氢气的比例为0～90％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行氢气分离处理，分离出的氢气流入氢气收集器中；分离出的甲烷占焦炉煤气中甲烷的比例为0～70％，比例为0％时表示不对焦炉煤气进行甲烷分离处理，分离出的甲烷流入甲烷收集器中；焦炉煤气分离后剩余的还原性气体流入物流分配阀Ⅲ(17)中；焦炭通过管道输送到物流分配阀Ⅰ(15)中，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ(15)的一个出口流入二氧化碳气化单元(2)，一部分焦炭通过物流分配阀Ⅰ(15)的另一个出口流入物流分配阀Ⅲ(17)，物流分配阀Ⅰ(15)用于控制焦炭两种流向的比例；
二氧化碳气化单元(2)中发生反应焦炭与二氧化碳在高温条件下产生一氧化碳，余下未参与反应的灰分，产物一氧化碳通过管道进入物流分配阀Ⅱ(16)，一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ(16)的一个出口流入一氧化碳收集器中，另一部分一氧化碳通过物流分配阀Ⅱ(16)的一个出口流入换热单元Ⅰ(10)中进行预热，预热后的一氧化碳流入物流分配阀Ⅲ(17)中，物流分配阀Ⅱ(16)用于控制一氧化碳两种流向的比例；
在太阳能热化学反应单元(20)的还原单元(3)中，太阳能经过聚集使太阳能热化学还原反应器内的温度达到900～1500℃，由物流分配阀Ⅲ(17)将辅助还原剂输送到还原单元(3)参与还原热化学氧载体，生成具有较高还原性的还原态的热化学氧载体、二氧化碳、一氧化碳和少量水，二氧化碳、水和未反应完全的一氧化碳通过还原单元(3)的还原单元气体出口流出，先经过换热单元Ⅰ(10)与二氧化碳气化单元(2)产生的一氧化碳进行热交换，再经过分离单元Ⅰ(13)分离出少量水后剩余的二氧化碳和一氧化碳混合气通过管道流入二氧化碳气化单元(2)进行循环利用；
在太阳能热化学反应单元(20)的氧化单元(4)中，还原态的热化学氧载体夺取水中的氧原子，生成氧化态的热化学氧载体以及氢气和一部分未反应的气态水，高温氢气和气态水通过氧化单元(4)的氧化单元气体出口流出，先通过换热单元Ⅱ(11)降低一部分温度，再通过分离单元Ⅱ(14)进行氢气和水的分离，氢气通过管道流入氢气收集器中。
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