实现化石燃料和生物质能交互的CO2零排放方法和系统与流程

本发明涉及CO₂减排技术和生物质气化技术，特别是一种实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放方法，以及实现上述排放方法的系统。

背景技术：

气候变化已成为人类面临的最严峻、最深远的挑战之一，温室效应的增速大大超过了地球生态警戒线。在各种温室气体中，CO₂以其较长的寿命及超高的生成量对温室效应的贡献最大。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，根据2015年中国统计年鉴，2014年我国能源消耗总量为42.6亿吨标准煤，其中煤炭消耗占总能源消耗的66％，大量的煤炭使用过程中排放了大量的CO₂，因此解决煤炭利用过程中CO₂的捕集和封存问题是CO₂减排的重中之重。

富氧燃烧技术是一种燃烧中的CO₂捕集及封存利用(CCUS)技术，富氧燃烧锅炉能得到CO₂浓度为80％-90％(干烟气浓度)、水含量为30％左右的湿烟气，常规方式是通过CO₂压缩纯化装置进行除水、除尘、纯化和压缩，得到CO₂为95％以上的CO₂液体，再进行填埋封存或利用。这种方式存在的问题是：

1)CO₂液体填满封存过程有一定泄漏的风险，造成再次污染，而且对生态环境的危害目前无法进行评估。在填满运输过程中需要消耗大量的人力物力，增加了CO₂减排的成本。

2)CO₂压缩纯化装置的耗能大，占整个富氧燃烧锅炉发电量的10％左右，大大降低了富氧燃烧锅炉的经济性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放方法和系统，以解决以上所述的至少一项技术问题。

本发明的一方面，提供一种实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统，其特征在于包括富氧燃烧锅炉、烟气再循环单元和生物质热解气化炉，其中：

所述生物质热解气化炉从所述烟气再循环单元输入反应物，生物质热解气化炉反应后输出生物质气；

所述富氧燃烧锅炉输入所述生物质气，以及由所述烟气再循环单元输入再循环烟气，反应后输出烟气至所述烟气再循环单元。

进一步的，所述烟气再循环单元包括第一除尘器，富氧燃烧锅炉输出的部分烟气经过所述除尘器后作为部分反应物输入所述生物质热解气化炉。

进一步的，所述烟气再循环单元包括换热器，富氧燃烧锅炉输出的部分烟气经过所述换热器进行降温。

进一步的，所述烟气再循环单元还包括第二除尘器、冷凝器、再循环风机和烟气过滤器，

由换热器换热后的烟气输入第二除尘器，除尘后输入冷凝器，冷凝后输入烟气过滤器过滤，过滤后经再循环风机增压，增压后经过所述换热器进行升温，升温后作为循环烟气输入所述富氧燃烧锅炉。

进一步的，由换热器换热后的部分烟气作为部分反应物输入所述生物质热解气化炉。

进一步的，所述烟气再循环单元包括空气分离装置，用于产生氧气，作为部分反应物输入所述生物质热解气化炉。

进一步的，系统还包括换热器，所述空气分离装置产生的氧气部分还作为部分反应物经所述换热器换热后输入所述富氧燃烧锅炉。

本发明的另一方面，还提供一种实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放方法，包括：

向生物质热解气化炉内通入产生进行反应，反应后输出生物质气；

通入所述生物质气至富氧燃烧锅炉，富氧燃烧后输出烟气；

所述烟气经一烟气再循环单元循环后，部分输入所述生物质热解气化炉，另一部分输入所述富氧燃烧锅炉。

进一步的，富氧燃烧锅炉输出的部分烟气经过所述烟气再循环单元的除尘部件除尘后作为部分反应物输入所述生物质热解气化炉。

进一步的，富氧燃烧锅炉输出的部分烟气经过所述烟气再循环单元的换热以及除尘部件换热和除尘后作为部分反应物输入所述生物质热解气化炉。

通过上述技术方案，可知本发明的有益效果在于：

(1)无任何烟气或者生物质气排入大气，实现了二氧化碳的零排放，解决了富氧燃烧锅炉中产生的高浓度CO₂烟气的再利用问题；

(2)现了化石燃料和生物质的交互高效利用，生物质气通入富氧燃烧锅炉，降低了富氧燃烧锅炉的化石燃料消耗量，富氧燃烧锅炉的部分高CO₂浓度和高含水量的烟气通入热解气化炉，提高了生物质气化的碳转化率；

(3)省去了富氧燃烧系统中的CO₂压缩纯化系统，增加了富氧燃烧系统的经济性。

附图说明

图1为根据本发明的第一个实施例下的实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统示意图。

图2为根据本发明的第二个实施例下的实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统示意图。

附图标号说明：

富氧燃烧锅炉1，换热器2，第一除尘器3，冷凝器4，烟气过滤器5，再循环风机6，空气分离装置7，第二除尘器8，生物质热解气化炉9，烟气再循环单元10

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在下文中，将提供实施例以详细说明本发明的实施方案。本发明的优点以及功效将通过本发明所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。

本发明实施例的原理在于：通过将富氧燃烧锅炉和生物质热解气化炉的耦合，将富氧燃烧锅炉的部分高CO₂浓度、高含水量和高温的烟气通入热解气化炉，并将热气气化炉产生的生物质气通入富氧燃烧锅炉，整个系统无任何烟气或者生物质气排入大气，实现了二氧化碳的零排放。同时省去了CO₂压缩纯化装置，增加了富氧燃烧的经济性。而且将生物质气通入富氧燃烧锅炉，降低了富氧燃烧锅炉的化石燃料消耗量，富氧燃烧锅炉的部分高CO₂浓度、高含水量和高温的烟气通入热解气化炉，提高了生物质气化的碳转化率，实现了化石燃料和生物质的交互高效利用。

本发明实施例的实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统包括富氧燃烧锅炉1、烟气再循环单元10和生物质热解气化炉9，其中：生物质热解气化炉9从所述烟气再循环单元10输入反应物(例如包括再循环烟气和氧气)，生物质热解气化炉9反应后输出生物质气；富氧燃烧锅炉1输入所述生物质气，以及由所述烟气再循环单元10输入再循环烟气，反应后输出烟气至所述烟气再循环单元10。

图1为根据本发明的第一个实施例下的实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统示意图。富氧燃烧锅炉1内进行如氧气浓度为25％-35％的富氧燃烧，富氧燃烧锅炉可以为煤粉炉富氧燃烧锅炉或者循环流化床富氧燃烧锅炉，富氧燃烧锅炉产生高CO₂浓度(典型的干烟气中CO₂浓度为80％-90％之间)，高含水量(例如水含量在30％左右)和高温(例如循环流化床富氧燃烧锅炉的烟气温度为850-950℃，煤粉炉富氧燃烧锅炉的烟气温度为1100-1300℃)的烟气。

烟气进入烟气再循环单元10中的烟气管道后分为两路：一部分依次经过烟气换热器2和第一除尘器3(例如是可以采用低温布袋除尘器)，然后进入再循环烟气管路，之后经过冷凝器8进行脱水处理，例如得到含水量小于5％的干再循环烟气；接着经过烟气过滤器5进行进一步的除尘，例如再循环烟气中粉尘的含量小于5％；脱水除尘后的再循环烟气进入再循环风机6进行增压，增压后的再循环烟气和氧气在管道内进行混合，氧气由空气分离装置7产生，再循环烟气和氧气的混合气经过烟气换热器后进行预热，例如预热后的混合气温度可达到100-200℃，之后分成若干路注入富氧燃烧锅炉，作为燃烧所需的氧气剂。富氧燃烧锅炉系统产生的蒸汽将进入蒸汽轮机进行发电；另一部分经过一个第二除尘器8(例如可以是高温除尘器)，后直接注入生物质热解气化炉9，热解气化炉9可以为上吸式、下吸式、敞口式或流化床等形式，也可以为空气气化或者富氧气化，氧气由空气分离装置7产生。在现有的传统空气燃烧电站锅炉系统上，利用氧气和部分再循环烟气混合取代空气作为氧化剂，提高尾部烟气中CO₂浓度，以实现CO₂捕集的目的。利用空气分离装置制取高纯度的氧气(一般达到95％以上)，同时利用再循环风机从尾部烟道引回一部分烟气(称为再循环烟气)；将氧气和再循环烟气以一定的比例混合后通入炉膛，锅炉可以是煤粉炉或者循环流化床锅炉；锅炉燃烧后尾部排出的烟气中含有高浓度的CO₂和H₂O，以及少量的O₂和SO₂、NOx等污染物；除了返回炉膛的部分烟气，其余部分烟气通过干燥和纯化处理，便能得到高浓度的CO₂，再经过压缩后就可以进行运输、利用或填埋，最终达到CO₂捕集和封存的目的。本发明实施例中烟气中的CO₂和H₂O都在热解气化炉中参与热解气化反应。

生物质热解气化炉9产生的生物质气(主要含有CO，CH₄，H₂等)将通入富氧燃烧锅炉1和化石燃料(煤、油页岩和焦炭等)一起参与燃烧，生物质热解气化炉产生的生物质炭等副产品可以作为吸附剂等进行再利用。利用可再生能源代替煤炭等化石能源同样可以有效的降低CO₂的排放。生物质能是可再生能源的重要组成部分，正确合理的生物质能利用对环境保护的作用不容忽视。生物质具有种类繁多、能量密度低、分散、体积大等特点，所以其利用技术受种类、分布、收集、运输等环节的严重制约，不同地域适合不同的生物质能转化利用技术。在生物质转化利用技术中大致分为三类：直接燃烧发电，制生物工业天燃气，制液体燃料。生物质热解气化是生物质转化利用技术之一。通过气化反应将生物质中的碳氢氧转化为可燃烧的气体，生成的高品位的燃气既可以供生产、生活直接燃用，也可以通过内燃机或燃气轮机发电，进行热电联产联供，从而实现生物质的高效清洁利用。

上述系统中，通过将富氧燃烧锅炉1和生物质热解气化炉9耦合，无任何烟气或者生物质气排入大气，实现了二氧化碳的零排放，解决了富氧燃烧锅炉中产生的高浓度CO₂烟气的再利用问题；实现了化石燃料和生物质的交互高效利用，生物质气通入富氧燃烧锅炉，降低了富氧燃烧锅炉的化石燃料消耗量，富氧燃烧锅炉的部分高CO₂浓度、高含水量和高温的烟气通入热解气化炉，提高了生物质气化的碳转化率；省去了富氧燃烧系统中的CO₂压缩纯化系统，增加了富氧燃烧系统的经济性。

图2为根据本发明的第二个实施例下的实现化石燃料和生物质能交互的CO₂零排放系统示意图。

富氧燃烧锅炉1内例如进行氧气浓度为25％-35％的富氧燃烧，富氧燃烧锅炉可以为煤粉炉富氧燃烧锅炉或者循环流化床富氧燃烧锅炉，富氧燃烧锅炉产生高CO₂浓度(干烟气中CO₂浓度例如为80％-90％之间)，高含水量(水含量例如在30％左右)和高温(循环流化床富氧燃烧锅炉的烟气温度例如为850-950℃，煤粉炉富氧燃烧锅炉的烟气温度为1100-1300℃)的烟气。

烟气进入循环单元10，依次经过烟气换热器2和第一除尘器3进行降温除尘，例如得到温度为135℃左右，含尘量小于30mg/m³烟气，接着分为两路：一部分进入再循环烟气管路，再经过冷凝器8进行脱水处理，例如得到含水量小于5％的干再循环烟气；接着经过烟气过滤器5进行进一步的除尘，例如再循环烟气中粉尘的含量小于5％；脱水除尘后的再循环烟气进入再循环风机6进行增压，增压后的再循环烟气和氧气进行混合，氧气由空气分离装置7产生，再循环烟气和氧气的混合气经过烟气换热器后进行预热，例如预热后的混合气温度可达到100-200℃，之后分成若干路注入富氧燃烧锅炉，作为燃烧所需的氧气剂。富氧燃烧锅炉系统产生的蒸汽将进入蒸汽轮机进行发电；另一部分经过管道直接注入生物质热解气化炉9。

本发明实施例的热解气化炉9可以为上吸式、下吸式、敞口式或流化床等形式，也可以为空气气化或者富氧气化，氧气由空气分离装置7产生，烟气中的CO₂和H₂O都在热解气化炉中参与热解气化反应，生物质热解气化炉产生的生物燃气(主要含有CO，CH₄，H₂等)将通入富氧燃烧锅炉1和化石燃料(煤、油页岩和焦炭等)一起参与燃烧，生物质热解气化炉产生的生物质炭等副产品可以作为吸附剂等进行再利用。

通过上述实施例，解决富氧燃烧锅炉中产生的高浓度CO₂烟气的再利用以及经济性差的问题，实现煤和生物质燃料的交互利用，以及二氧化碳的零排放，真正意义的煤炭的高效、低排放利用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。