基于化学链制氧的新型零碳排放IGCC系统集成,优化设计及生命周期评价

The traditional cryogenic air separation technology is an important factor that restricts the economy of IGCC system. Its high power consumption characteristic not only reduces the efficiency of the system, but also restricts the application of the oxy-fuel combustion in the system, leading to high cost of CO2 capture. For solving these problems, the modeling and optimization of pressurized oxidation chemical looping air separation (CLAS) processes are developed. First, the kinetic equations of oxygen absorption and release process are established respectively for different oxygen carriers, then the continuous-types CLAS processes are developed to optimize the efficiency of oxygen production process. On this basis, a novel zero carbon emission IGCC system is built, which integrates pressurized oxidation CLAS, oxy-fuel combustion of gas turbine and CO2 capture. By introducing system structure variables, the superstructure model of the novel IGCC system is presented, where the heat integration, process coupling and optimization technologies are adopted to maximize the overall efficiency of the system. Finally, from the perspective of life cycle, the technical economy, environment and energy consumption of the new IGCC system are systematically analyzed and evaluated, providing strong theoretical support and guidance for the design, optimization and operation of IGCC demonstration plant in China.

传统深冷空气分离制氧技术的高能耗不仅直接降低了系统的发电效率，同时也限制了系统中富氧燃烧技术的使用，增加了二氧化碳捕集的成本，严重影响了IGCC系统的经济性。鉴于此，本项目首先开展加压吸氧化学链制氧技术研究，建立载氧体吸氧与释氧的动力学方程，搭建连续反应加压吸氧化学链制氧模型，优化制氧过程效率。在此基础上，研究建立整合加压吸氧化学链制氧、燃气轮机富氧燃烧与二氧化碳捕集的新型零碳排放IGCC系统。引入系统结构变量，建立系统集成的超结构模型，采用最优化计算、热集成、过程耦合等技术实现系统整体发电效率最大化。最后，从生命周期角度对新型IGCC系统的技术经济性、环境性和资源能源消耗进行系统地分析与评价，为我国IGCC示范电厂的设计、优化、运行提供有力的理论支撑和指导。

传统基于深冷空气分离制氧技术的IGCC系统存在经济性不高、CO2排放量大等问题，本项目研究建立整合加压化学链制氧、燃气轮机富氧燃烧、二氧化碳捕集技术的新型零碳排放IGCC系统，通过最优化计算、热集成、过程耦合、多联产等技术实现系统的整体集成与优化设计，并从生命周期角度对系统的技术经济性能、环境性能和资源能源消耗进行系统的分析与评价。取得研究进展如下：.1. 提出了一种加压化学链制氧新工艺，将载氧体的氧化反应和还原反应设计在同一个反应器内交替进行，通过双反应器设计实现空分制氧流程的连续化。针对所提出的流程，利用Aspen Plus软件建立操作优化模型，研究氧化温度、压力变化对系统制氧效果、外界补热量等的影响，提升系统制氧效率，实现系统优化设计，为新型IGCC系统设计奠定基础。.2. 设计了多个基于化学链技术的新型IGCC系统，使用Aspen Plus软件对系统进行建模，在此基础上利用灵敏度分析、热换网络集成等技术优化系统操作条件，考虑热力学性能及经济性，对系统进行全面分析与评价，找出影响系统经济性能指标的敏感因素，为改善新型IGCC系统经济性能提供依据。.3.探索了一类以城市固废、垃圾衍生燃料、废塑料为煤替代原料的新型IGCC系统设计。构建了IGCC系统生命周期评价模型，综合评价系统全生命周期的环境负荷，量化系统各阶段对环境的影响，验证了以煤为原料的系统在发电量，资源消耗，及相关生态环境的影响方面的优势，为改善IGCC系统的环境影响提供借鉴。.项目研究成果可为高效、低碳、环境友好IGCC系统设计、优化、运行提供理论支持和参考。