化学链燃烧-清洁高效发电技术协作网2016年会主旨报告-蔡宁生(1)

化学链燃烧发电新技术蔡宁生2016.11.15南京清华大学热能工程系中国电机工程学会2016清洁高效发电技术协作网年会报告内容全球变暖与CO2减排清华大学的相关研究及国家重点研发计划项目应用展望化学链燃烧技术介绍及历史国内外发展现状2关键技术问题分析•过去100多年，地表平均温度上升了近0.85℃•自1880年以来，共出现14个最暖年份，其中13个年份出现在21世纪，而2015年又刷新了纪录。注：美国国家海洋和大气管理局数据近一百多年地表平均温度近三十年地表平均温度21世纪的高温以近三十年平均地表温度为基准点全球变暖全球变暖与CO2减排全球变暖3温室气体大量排放仍被认为是主要原因(a)(b)(c)(a)三种温室气体CO2、CH4、N2O大量增多(b)CO2的排放仍是温室气体主要来源(c)CO2排放量主要增加于化石燃料的利用注：IPCC2014年度报告数据减少温室气体，控制化石燃料利用的CO2排放为当务之急！全球变暖与CO2减排温室气体排放42015年12月12日•《巴黎协定》签订2016年4月22日•中美签署《巴黎协定》2016年11月4日•《巴黎协定》正式生效2℃“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内；在本世纪下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡”全球目标“中国明确了二氧化碳排放2030年左右达到峰值并努力尽早达峰等一系列行动目标；未来五年单位国内生产总值二氧化碳排放量下降18%”中国承诺2030年全球变暖与CO2减排巴黎协定5总量煤石油天然气MtMt%Mt%Mt%19902262188683.434515.3311.3720002861218376.361921.6592.0620013050234276.864221.0662.1620104309312372.5104624.31403.2520155328380971.5131824.72013.78全球变暖与CO2减排中国的CO2排放现状中国目前CO2排放总量位居世界第一，煤电排放约占45%。67现有的CO2分离均将使系统效率降低~10%迫切需要研发高效、低成本的CO2分离方法锅炉燃料空气汽轮机电CO2分离烟气200°C,1bar气化/重整燃料O2空分空气N2合成气40%CO2400°C,65bar3~15%CO2CO2分离H2燃气轮机空气电蒸汽循环燃料O2空分空气N2锅炉汽轮机电CO2压缩、埋存、利用燃烧后燃烧前富氧燃烧热全球变暖与CO2减排目前CO2减排技术的高能耗高成本美国能源部2010年碳减排技术路线化学链燃烧是最具降低能耗潜力的CO2捕集技术全球变暖与CO2减排美国能源部CO2减排技术路线8CO2捕集技术成本€/t-CO2IGCC燃烧前捕集18-37富氧燃烧13-30化学链燃烧6-13空气反应器：CO2内分离，具有降低CO2分离能耗的优势燃料反应器中污染物富集，具有良好的环保和经济效益燃料反应器:222nmMeOCHMeHOCOMeMeO2MeOMeO化学链燃烧技术介绍等价于:2222nmCHOCOHO与传统燃烧不同，燃烧技术的变革9化学链燃烧技术研发历史1946Gilliland申请专利“生成工业用合成气”利用氧载体与烃反应（US2671721）1950Lewis和Gilliland利用氧载体与含碳燃料反应生产纯的CO2（US2665972）1983年，德国学者Richter和Knoche提出用于提高电厂热效率1994年，日本学者石田和中国学者金红光首先提出将其用于CO2捕集（US5447024）2001年，Lyngfelt等设计出串行流化床反应器应用于化学链燃烧2013年，1MWth的化学链煤燃烧装置在德国运行，验证了化学链技术的可行性10瑞典查尔姆斯理工大学国内外发展现状11氧载体的开发与测试合成和测试一系列应用于气体燃料的氧载体（Fe,Mn,Cu,Ni,Co）铜基等释氧氧载体，大大提高煤焦转化速率，并提出氧解耦化学链燃烧CLOU的概念复合氧载体（Fe-Mn等），改善氧载体的吸氧与释氧特性成本较低的天然矿石：钛铁矿，锰矿石连续测试惰性组分活性氧良好的反应活性，不低的供氧量抗磨损，颗粒寿命长良好的流态化特性，不易团聚成本低环境友好瑞典查尔姆斯理工大学国内外发展现状12100kWth反应器系统设计与运行空气反应器和燃料反应器均为快速床，两个反应器之间加有炭分离器通过空气反应器的提升管控制循环量反应器系统复杂煤焦易进入空气反应器，系统碳捕集效率不高（60-80%），炭分离器性能需提升一部分未燃尽的气体（CO，H2等）未能充分转化，从燃料反应器出口排出。在出口补充纯氧，转化这部分气体，但成本高瑞典查尔姆斯理工大学国内外发展现状13中试的初步尝试以现有12MWthCFB锅炉作为空气反应器，耦合2-4MWth气化反应器作为燃料反应器。生物质投入到燃料反应器中，锰矿石作为氧载体，空气反应器作为锅炉，产生热蒸汽区域进行供暖。接近一半的生物质颗粒进入到空气反应器中，直接与空气发生燃烧反应。系统碳捕集效率低。大量的CO和H2（浓度约20%）从燃料反应器中排出。提出1000MWth化学链煤燃烧反应器系统的设计（AndersLyngfelt）西班牙煤炭研究院国内外发展现状14氧载体的开发与测试专注于铜基氧载体的开发，研究如何大规模低成本制备使用铜基氧载体，大大降低未燃尽气体，并加速煤焦转化，提高碳捕集效率25kWth反应器设计与运行空气反应器和燃料反应器均为鼓泡床，两个反应器之间加有炭分离器通过返料阀控制循环量遇到的问题同查尔姆斯类似：碳捕集效率低，未燃尽气体，系统复杂使用钛铁矿，未见使用铜基氧载体提出100MWth化学链煤燃烧反应器系统的设计（JuanAdanez）德国达姆施塔特工业大学/阿尔斯通国内外发展现状15德国达姆1MWth化学链煤燃烧系统空气反应器和燃料反应器均为快速床，两个反应器之间加有炭分离器通过L-阀控制循环量使用粉煤，大量的煤焦易从旋风出口损失。使用较粗的煤（1mm），炭分离器效率低，大量的煤焦则进入空气反应器目前未能实现长时间的自热运行。循环量不够是主因。并且系统复杂阿尔斯通3MWth化学链系统未见公开运行数据报道其它机构国内外发展现状16美国Ohio州立大学,Utah大学相关工作日本、韩国、中国相关工作Ohio采用移动床作为燃料反应器，颗粒停留时间长，煤焦转化充分移动床反应器体积大，投资成本高；另外对氧载体要求高，需考虑制备成本Utah采用铜基氧载体，已建200kWth化学链装置，设计为自热运行。铜基氧载体成本高，Utah建立回转炉来批量制备铜基氧载体，但性能不佳日本煤炭研究中心（J-Coal）设计建立100kWth化学链装置，燃料反应器采用双鼓泡床。日本企业界后续将建立MW级化学链示范装置韩国能源研究院专注于化学链气体燃烧，采用镍基氧载体，计划建立0.5MW装置东南大学设计建造5kWth化学链煤燃烧装置，燃料反应器采用多鼓泡床串联结构华中科技大学已建50kWth双鼓泡床化学链装置，采用钛铁矿作为氧载体各机构实验装置运行的普遍问题17研究机构实验序号氧载体平均粒径燃料平均粒径FR温度（oC）系统碳转化率(%)CO2捕集率ηCC(%)需氧分数ΩOD(%)AR出气含氧量（%）参考文献CSICTest1钛铁矿200μm南非烟煤200μm90583.960.77.7约15CSIC2015CSICTest296382.079.47.5CSICTest297080.181.37.4CSICTest399187.087.68.6ChalmersM-I钛铁矿171μm石油焦79μm92677.714.815.4Pontus2014ChalmersCe-IICerrejon煤43μm93174.919.410.5ChalmersCe-III92288.425.712.4Chalmers960-97065.098-9917.0Carl2014即使在较高的FR温度下（900-1000oC）碳捕集效率较低（60-90%）。与炭分离器性能有关化学链系统碳转化率低（~80%）。旋风的出口，较细的碳颗粒容易损失燃料反应器需氧分数较高空气反应器出口气含氧量偏高（10-15%），锅炉出口烟气含氧量一般低于5%国内外发展现状关键技术问题分析18目前的流化床化学链燃烧系统，多达3个循环回路，系统过于复杂煤焦易进入空气反应器，系统碳捕集效率低空气反应器出口氧气浓度过高（10-15%）。需合理设计关键部件：炭分离器需优化设计，使得反应器系统复杂度降低需合理设计空气反应器的结构，并优化空气反应器的运行反应器系统的热量平衡实验室装置难以实现自热运行，需放大装置和优化运行参数未燃尽气体（CO和H2等）转化不充分。需提高氧载体活性，同时控制制备成本。国内外发展现状19清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发铁基氧载体气固反应机理研究19700℃900℃0102030405060012345900°C800°C700°C实验值速率方程Fe转化率(%)时间(min)基于速率方程理论，建立模型，指导氧载体开发反应物表面被覆盖速率降低T↑部分表面重新暴露出来速率增加0102030405060024681012Fe转化率(%)时间(min)实验值速率方程20清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发铜基氧载体团聚机理研究时间（s）还原产物厚度（m）500℃时，铜烧结明显还原过程中铜离子发生移动晶粒的烧结导致氧载体颗粒的团聚烧结前烧结后晶粒/颗粒突破时间（s）21清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发基于反应机理的研究，利用离子修饰天然矿石，反应活性显著提升通过将铜担载水泥上，可显著抑制铜的团聚6.5倍钾修饰钛铁矿，活性大大提升铜修饰锰矿，活性大大提升22清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发搭建热态化学链反应器系统，长时间连续运行，测试开发的氧载体热态ARFR•尺寸：Ф50mm，总高6m•物料量：~7kg(125~300μm)•反应温度：900℃•总气流量：2.7Nm3/h23清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发钾修饰钛铁矿（含10%钾）连续测试700~900℃600g改进加料稳定运行降温降温升温加料28h后CO转化率仅从100%降低至89%，长时间维持较高的活性无烧结团聚稳定运行期间CO转化率79%4.3kPa6.9~5.8kPa24清华大学的相关研究高活性、低成本氧载体研发铜修饰锰矿（含2%铜）连续测试CO完全转化，运行稳定，无团聚。铜浸渍对锰矿石破碎磨损特性无显著影响。破碎磨损规律：连续运行初期磨损大，运行稳定后磨损大大降低，寿命为770h。25清华大学的相关研究炭分离器设计GasflowBinaryparticlemixtureflotsamjetsam2030405060708090101000.00.20.40.60.81.0BubblingbasedCS-withbafflesBubblingbasedCS-withoutbafflesAnnularCSu1=4m/su2=1m/sAnnularCSu1=3m/su2=1-2m/sAnnularCSu1=3-7m/su2=1.6m/sAnnularCSu1=3m/su2=1.4-1.8m/sAnnularCS100g/sTotalgasflowintoCS(m3/h)Lightparticleseparationefficiency50-300g/sBubblingbasedCSAnnularCS40~70g/s环形炭分离器的设计---增强炭分离效率，提高系统碳捕集效率目前国际上采用的鼓泡床炭分离器，对于煤焦颗粒分离效率较低基于气固两相流态结构控制和优化，环形炭分离器可以大大提高煤焦的分离效率26清华大学的相关研究30kWth化学链系