【所属领域】
能源环保
【痛点问题】
CO2捕集利用与封存（CCUS）技术被认为是当前唯一能够实现化石能源低碳利用的可行技术路线。CCUS存在碳捕集能耗高（≥2.4GJ/t CO2）、CO2转化利用效率低、封存安全期短等技术问题，碳捕集成本占全链条CCUS成本的70%~80%，同时也是降低整个CCUS成本的最大潜力部分，因此迫切需要在变革性、引领性的CCUS技术自主创新方面形成突破。
在此背景下，化学链燃烧（CLC）技术逐渐成为研究热点。化学链燃烧技术是循环利用氧载体来传递燃料燃烧所需的活性氧和热量，将剧烈的一步燃烧过程分为相对温和的两步反应，从而实现化学能的梯级利用，提高能量利用效率。与现有的CO2捕集技术相比，化学链燃烧技术具有系统效率高的优点，国内外公认化学链燃烧技术是CO2减排成本最低（小于15美元/吨CO2）、CO2减排能耗最低（小于1.0GJ/吨CO2）的化石能源源头碳捕集技术之一。
已有研究表明，装置燃料输入热功率在3MW左右才能实现自热运行，化学链燃烧串行流化床装置运行时的热量自持需要调控氧载体、床料量、固体循环速率等，是其实现商业化的瓶颈问题，这受限于反应器热质传递调控策略、系统高效能量集成技术的缺乏和不完善。因此，成功运行兆瓦级自热化学链燃烧工程示范装置将是解决化学链燃烧装置放大及其产业化过程的关键。
【成果介绍】
自热化学链燃烧装置是化学链燃烧技术研发平台、也是循环流化床研发平台，不仅可实现天然气等气体燃料化学链燃烧，还可进行煤化学链燃烧和生物质等碳中性燃料的化学链燃烧，亦可实现固体废弃物清洁低碳的化学链燃烧，同样可进行常规的循环流化床空气燃烧或者部分化学链燃烧。
化学链燃烧的基本原理是利用两个相互串联且气氛隔绝的反应器将一步式燃烧反应分解成两步的氧化反应和还原反应，通过循环利用一种固体金属氧化物（氧载体）进行传热和传氧提供燃料燃烧所需热量和氧量，实现燃料与空气不直接接触无焰无O2燃烧、化学能梯级利用、低NOx和二噁英生成、燃烧产物CO2原位高浓度富集和低能耗捕集。化学链燃烧的第一步是在燃料反应器中氧载体与燃料之间的反应产生CO2和H2O；还原后的氧载体被送回空气反应器通过空气氧化恢复其载氧能力，反应热则用来驱动汽轮机发电或产生水蒸气供热。燃料反应器出口气体不被N2稀释，简单冷凝后就可得到高纯度的CO2（可达95%），无需耗能的CO2分离过程。
图1 自热化学链燃烧源头碳捕集技术研发示范
【性能指标】
自热化学链燃烧装置具有国际领先的技术指标，如表1所示。其中，反映化学链燃烧性能的指标（燃料反应器干烟气CO2浓度、CO2捕集率、燃烧效率）均在90%以上，而烟尘、SO2、NOx排放浓度均达到现行超净排放标准，CO2经压缩纯化后，符合食品级要求。
表1 串行流化床自热化学链燃烧装置的主要技术指标
序号 |
技术项目 |
性能指标 |
1 |
燃料反应器干烟气CO2浓度 |
≥90% |
2 |
CO2捕集率 |
≥90% |
3 |
燃烧效率 |
≥90% |
4 |
烟尘排放浓度 |
≤5 mg/m³ |
5 |
SO2排放浓度 |
≤5 mg/m³ |
6 |
NOx排放浓度 |
≤10 mg/m³ |
7 |
CO2压缩纯化品级 |
食品级 |
8 |
产生蒸汽参数 |
310 ℃/1MPa |
9 |
串行流化床热效率 |
90% |
10 |
CO2捕集成本(折算) |
≤1.0GJ/tCO2 |
【技术优势】
作为国际上领先的源头捕碳装置，基于燃料能量梯级利用的兆瓦级化学链燃烧装置采用串行流化床的技术路线，可实现无需外部供热的自热连续运行，且可实现对外供给“零碳”水蒸气以及CO2的富集、压缩、纯化和商业利用的一体化。进一步，10MW以上自热化学链燃烧源头捕碳装置将为化学链燃烧工业应用起到至关重要的技术支撑作用，也将是掌握化学链燃烧全套自主知识产权、形成可实际应用的工业产能、站在新一代低能耗碳捕集技术国际前沿的关键步骤，对我国“双碳”战略的推进有着重要的引领示范效应。
由于不需要常规碳捕集方式的高能耗高成本气-气分离，化学链燃烧的碳捕集成本低于100元/吨（常规碳捕集成本约300元/吨以上）、系统能效降低2-3个百分点（常规碳捕集降低约10个百分点）。即使不考虑碳税或碳交易市场、也不考虑高纯CO2出售收益，50MW锅炉供热成本增加约15元/吨，600MW电站供电成本仅增加约8分/度电（常规碳捕集增加约2角/度电）。若进入碳交易市场，50MW化学链燃烧锅炉供热成本比常规锅炉低约3元/吨，600MW煤化学链燃烧电站用于碳交易可收益1亿元/年。如果考虑高纯CO2出售，50MW化学链燃烧锅炉的供热成本比常规锅炉低约130元/吨，600MW煤化学链燃烧电站用于CO2出售可收益9.3亿元/年。
【技术成熟度】
已有样品/样机。
【产业化应用】
研究团队作为推进国内化学链燃烧技术发展的核心力量，已完成低成本高性能氧载体规模化筛选制备，通过简单方法制备满足化学链循环燃烧性能的氧载体，完成工业化大规模制备氧载体工艺流程。针对化学链燃烧技术存在出口未燃尽气体、焦炭进入空气反应器、出口氧浓度高、系统过于复杂等实际运行问题，团队攻关解决化学链燃烧技术实际运行中的关键技术瓶颈，采用仿真模拟与实验相结合的方式，以前期工程技术经验为基础，重点解决化学链反应系统的优化设计建设，实现工业化放大。
发展规划
研究团队高度重视研究成果的工程示范和产业应用，与行业龙头企业形成了良好的产学研合力，联合广东省能源集团有限公司、中国石油集团石油化工研究院有限公司、中国建材集团天津水泥工业设计研究院有限公司、中国长江三峡集团长江生态环保集团有限公司、中钢集团天澄环保科技股份有限公司、浙江吉利控股集团有限公司等多个行业龙头企业组建源头碳捕集与利用创新联合体，共同开展源头碳捕集和规模碳利用的关键技术研发和产业促进工作。
应用前景
经济效益：由于不需要常规碳捕集方式的高能耗高成本气-气分离，化学链燃烧的碳捕集成本低于100元/吨（常规碳捕集成本约300元/吨以上）、系统能效降低2-3个百分点（常规碳捕集降低约10个百分点）。兆瓦级化学链燃烧装置CO2捕获能力0.1~1万吨/年，经压缩纯化的CO2浓度高达99.99%，经济效益预计150~250万元，碳交易额几十万元。
政治效益：在碳捕集利用与封存技术中，任何一项技术实现变革性突破都将带来能源结构的巨大变化。化学链燃烧技术作为最具潜力的低成本碳捕集技术，已发展到中试规模及工程示范放大阶段。在国内与国际社会率先实现兆瓦级化学链燃烧技术工程示范装置研发与运行必将引领世界各化学链燃烧技术研发单位，构建现代能源体系的决心与能力，为技术进一步放大提供指导，为碳减排事业指明方向。
社会效益：兆瓦级自热化学链燃烧锅炉将是国际上首台套和最大规模的化学链燃烧工业装置，也将是国际上首台套商业运行的碳捕集工业装置，且具备进一步放大的工业化应用前景。在双碳战略背景下，掌握该技术自主知识产权将对我国碳达峰和碳中和起到巨大的支撑作用，必将成为双碳标志性、引领性工程。
知识产权
该成果包括多项已授权中国发明专利。
合作方式
专利许可、专利转让、作价入股、技术开发、面谈等。
【联系方式】
CG24024
