化学链燃烧中试系统的研究进展与展望

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22081

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (4): 544-561.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22081

• 碳捕集、利用与封存技术 • 上一篇下一篇

化学链燃烧中试系统的研究进展与展望

李振山¹, 陈虎¹, 李维成¹^,², 刘磊¹, 蔡宁生¹

^1.热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学能源与动力工程系)，北京市海淀区 100084
^2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川省成都市 610097

收稿日期:2022-04-21 出版日期:2022-08-31 发布日期:2022-09-06
作者简介:李振山(1976)，男，博士，副教授，研究方向为热化学气固反应理论、CO2捕集及制氢储能，lizs@mail.tsinghua.edu.cn；
陈虎(1992)，男，博士，工程师，研究方向为化学链燃烧，hchen1992@totmail.com；
李维成(1986)，男，博士研究生，研究方向为化学链燃烧，liweicheng2004@163.com；
刘磊(1992)，男，博士研究生，研究方向为化学链燃烧，l-liu17@mails.tsinghua.edu.cn；
蔡宁生(1956)，男，博士，教授，研究方向为二氧化碳捕集与利用、氢能与燃料电池、联合循环及多联产，cains@mail.tsinghua.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2017YFE0112500)

Research Status and Prospect of Chemical Looping Combustion Pilot Systems

Zhenshan LI¹, Hu CHEN¹, Weicheng LI¹^,², Lei LIU¹, Ningsheng CAI¹

^1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education (Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China
^2.Dongfang Boiler Company Limited, Dongfang Electric Corporation, Chengdu 610097, Sichuan Province, China

Received:2022-04-21 Published:2022-08-31 Online:2022-09-06
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2017YFE0112500)

摘要/Abstract

摘要：

化学链燃烧技术具有CO₂内分离和显著降低NO _x 生产的优势。反应器是载氧体氧化还原与燃料转化的重要场所。从反应器型式、物料循环方式和设计理论3方面，分析了当前化学链燃烧中试系统的研究现状。目前，国际上已建立了热输入功率为10~3 000 kW的化学链装置，技术成熟度为6级，其中空气反应器和燃料反应器均采用流化床的串行双流化床工艺是化学链燃烧反应器的主流技术路线。此外，化学链中试装置的系统循环流率普遍低于25.5 kg/(m²·s)，导致难以实现自热运行。最后，介绍了高效炭颗粒分离、高通量循环流率化学链燃烧装置及反应器系统设计理论等相关工作的最新进展。

关键词: 碳捕集、利用与封存(CCUS), 化学链燃烧, 反应器, 流化床, 设计理论

Abstract:

Chemical looping combustion has the advantages of inherent CO₂ separation and significantly reducing the NO _x production. The circulation reactors are the core site for oxygen carrier redox and fuel conversion. The current research status of chemical looping combustion pilot systems was analyzed from three aspects of reactor type, solid material circulation mode and design theory. At present, chemical looping combustion pilot plants with heat input of 10~3 000 kW have been established in the world, and the technical readiness level is sixth. The mainstream technical route of chemical looping combustion is that the air reactor and fuel reactor both adopt the fluidized bed. The system circulation flow rate of the chemical looping pilot plants is generally lower than 25.5 kg/(m²·s), which makes it difficult to achieve self-heating operation. Finally, we introduced the latest progresses including the theoretical research, the development of a high-efficiency carbon stripper, the design of a high-flux circulating flow rate chemical looping combustion unit, and the reactor system design, etc.

Key words: carbon capture, utilization and storage (CCUS), chemical looping combustion, reactor, fluidized bed, design theory

中图分类号:

TK 16

李振山, 陈虎, 李维成, 刘磊, 蔡宁生. 化学链燃烧中试系统的研究进展与展望[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 544-561.

Zhenshan LI, Hu CHEN, Weicheng LI, Lei LIU, Ningsheng CAI. Research Status and Prospect of Chemical Looping Combustion Pilot Systems[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(4): 544-561.

图/表 14

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74	LYNFELT A， LECKNER B ．A 1000 MW_th boiler for chemical-looping combustion of solid fuels：discussion of design and costs[J]．Applied Energy，2015，157：475-487． doi:10.1016/j.apenergy.2015.04.057
75	PEREZ-VEGA R， ABAD A， GARCIA-LABIANO F，et al ．Coal combustion in a 50 kW_th chemical looping combustion unit：seeking operating conditions to maximize CO₂ capture and combustion efficiency[J]．International Journal of Greenhouse Gas Control，2016，50：80-92． doi:10.1016/j.ijggc.2016.04.006
76	LINDERHOLM C， SCHMITZ M， KNUTSSON P，et al ．Chemical-looping combustion in a 100 kW unit using a mixture of ilmenite and manganese ore as oxygen carrier[J]．Fuel，2016，166：533-542． doi:10.1016/j.fuel.2015.11.015
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	CHEN H ．Experimental and modeling study on fluidization characteristics of dual fluidized bed for chemical looping combustion[D]．Beijing：Tsinghua University，2021．

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	俄亥俄州立大学^［43］	25	—
喷动床	东南大学^［44］	10	L=0.23；W=0.04；H_t=1.5
鼓泡床	查尔姆斯科技大学^［66］	10	L=0.08；W=0.225；H_t=3.32
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.13；H_t=1.0
鼓泡床	斯图加特大学^［40］	10	D_t=0.15；H_t=3.5
鼓泡床	清华大学^［27］	30	D_t=0.07；H_t=3.8
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.102， 0.081；H_t=4.73
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.3， 0.06；H_t=6.1
复合床	维也纳科技大学^［68］	100	L=0.56；W=0.49；D_t=0.128；H_t=4.36
快速床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.154；H_t=4.0
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=5.6
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.4；H_t=11.35
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
复合床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
复合床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=25.5

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	俄亥俄州立大学^［43］	25	—
喷动床	东南大学^［44］	10	L=0.23；W=0.04；H_t=1.5
鼓泡床	查尔姆斯科技大学^［66］	10	L=0.08；W=0.225；H_t=3.32
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.13；H_t=1.0
鼓泡床	斯图加特大学^［40］	10	D_t=0.15；H_t=3.5
鼓泡床	清华大学^［27］	30	D_t=0.07；H_t=3.8
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.102， 0.081；H_t=4.73
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.3， 0.06；H_t=6.1
复合床	维也纳科技大学^［68］	100	L=0.56；W=0.49；D_t=0.128；H_t=4.36
快速床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.154；H_t=4.0
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=5.6
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.4；H_t=11.35
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
复合床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
复合床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=25.5

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	东南大学^［64］	20	D_t=0.53；H_t=0.6
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.1；H_t=1.0
复合床	清华大学^［27］	30	D_t=0.12， 0.06；H_t=3.32
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.3， 0.102；H_t=4.8
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.4， 0.1；H_t=3.92
复合床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.4， 0.154；H_t=4.0
快速床	维也纳科技大学^［68］	100	D_t=0.125；H_t=4.73
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=6.1
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.59；H_t=8.66
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
快速床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
快速床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=32

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	东南大学^［64］	20	D_t=0.53；H_t=0.6
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.1；H_t=1.0
复合床	清华大学^［27］	30	D_t=0.12， 0.06；H_t=3.32
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.3， 0.102；H_t=4.8
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.4， 0.1；H_t=3.92
复合床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.4， 0.154；H_t=4.0
快速床	维也纳科技大学^［68］	100	D_t=0.125；H_t=4.73
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=6.1
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.59；H_t=8.66
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
快速床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
快速床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=32

物料循环方式	研究机构	热输入功率/kW	连接形式
物料循环方式	研究机构	热输入功率/kW	AR→FR	FR→AR
AR顶部返料+FR顶部返料	西班牙煤炭研究所^［15］	50	回料阀	回料阀
	华中科技大学^［45］	50	回料阀	回料阀
	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	螺旋输送	回料阀
	达姆斯塔特工业大学^［71］	1 000	L阀	回料阀
AR顶部返料+FR底部返料	维也纳科技大学^［68］	100	回料阀	回料阀
	挪威科技大学^［72］	150	回料阀	提升管
	俄亥俄州立大学^［43］	25	立管料封	L阀
	斯图加特大学^［40］	10	锥形阀	回料阀
	阿尔斯通公司^［23］	3 000	J阀	回料阀
AR顶部返料+FR溢流返料	查尔姆斯科技大学^［66］	10	回料阀	回料阀
	东南大学^［44］	10	立管料封	L阀
	查尔姆斯科技大学^［13］	100	回料阀	回料阀
	汉堡大学^［41］	25	回料阀	回料阀
	斯图加特大学^［40］	10	锥形阀	回料阀
	犹他州立大学^［42］	200	回料阀	回料阀
	清华大学^［27］	30	回料阀	回料阀
	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	回料阀	回料阀
	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	回料阀	回料阀

化学链燃烧中试系统的研究进展与展望

Research Status and Prospect of Chemical Looping Combustion Pilot Systems

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摘要/Abstract

引用本文

图/表 14

参考文献 85

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