本發(fā)明涉及CO₂減排技術(shù)和生物質(zhì)氣化技術(shù)，特別是一種實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放方法，以及實現(xiàn)上述排放方法的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

氣候變化已成為人類面臨的最嚴(yán)峻、最深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)之一，溫室效應(yīng)的增速大大超過了地球生態(tài)警戒線。在各種溫室氣體中，CO₂以其較長的壽命及超高的生成量對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，根據(jù)2015年中國統(tǒng)計年鑒，2014年我國能源消耗總量為42.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消耗占總能源消耗的66％，大量的煤炭使用過程中排放了大量的CO₂，因此解決煤炭利用過程中CO₂的捕集和封存問題是CO₂減排的重中之重。

富氧燃燒技術(shù)是一種燃燒中的CO₂捕集及封存利用(CCUS)技術(shù)，富氧燃燒鍋爐能得到CO₂濃度為80％-90％(干煙氣濃度)、水含量為30％左右的濕煙氣，常規(guī)方式是通過CO₂壓縮純化裝置進(jìn)行除水、除塵、純化和壓縮，得到CO₂為95％以上的CO₂液體，再進(jìn)行填埋封存或利用。這種方式存在的問題是：

1)CO₂液體填滿封存過程有一定泄漏的風(fēng)險，造成再次污染，而且對生態(tài)環(huán)境的危害目前無法進(jìn)行評估。在填滿運(yùn)輸過程中需要消耗大量的人力物力，增加了CO₂減排的成本。

2)CO₂壓縮純化裝置的耗能大，占整個富氧燃燒鍋爐發(fā)電量的10％左右，大大降低了富氧燃燒鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放方法和系統(tǒng)，以解決以上所述的至少一項技術(shù)問題。

本發(fā)明的一方面，提供一種實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)，其特征在于包括富氧燃燒鍋爐、煙氣再循環(huán)單元和生物質(zhì)熱解氣化爐，其中：

所述生物質(zhì)熱解氣化爐從所述煙氣再循環(huán)單元輸入反應(yīng)物，生物質(zhì)熱解氣化爐反應(yīng)后輸出生物質(zhì)氣；

所述富氧燃燒鍋爐輸入所述生物質(zhì)氣，以及由所述煙氣再循環(huán)單元輸入再循環(huán)煙氣，反應(yīng)后輸出煙氣至所述煙氣再循環(huán)單元。

進(jìn)一步的，所述煙氣再循環(huán)單元包括第一除塵器，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經(jīng)過所述除塵器后作為部分反應(yīng)物輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐。

進(jìn)一步的，所述煙氣再循環(huán)單元包括換熱器，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經(jīng)過所述換熱器進(jìn)行降溫。

進(jìn)一步的，所述煙氣再循環(huán)單元還包括第二除塵器、冷凝器、再循環(huán)風(fēng)機(jī)和煙氣過濾器，

由換熱器換熱后的煙氣輸入第二除塵器，除塵后輸入冷凝器，冷凝后輸入煙氣過濾器過濾，過濾后經(jīng)再循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓，增壓后經(jīng)過所述換熱器進(jìn)行升溫，升溫后作為循環(huán)煙氣輸入所述富氧燃燒鍋爐。

進(jìn)一步的，由換熱器換熱后的部分煙氣作為部分反應(yīng)物輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐。

進(jìn)一步的，所述煙氣再循環(huán)單元包括空氣分離裝置，用于產(chǎn)生氧氣，作為部分反應(yīng)物輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐。

進(jìn)一步的，系統(tǒng)還包括換熱器，所述空氣分離裝置產(chǎn)生的氧氣部分還作為部分反應(yīng)物經(jīng)所述換熱器換熱后輸入所述富氧燃燒鍋爐。

本發(fā)明的另一方面，還提供一種實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放方法，包括：

向生物質(zhì)熱解氣化爐內(nèi)通入產(chǎn)生進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后輸出生物質(zhì)氣；

通入所述生物質(zhì)氣至富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒后輸出煙氣；

所述煙氣經(jīng)一煙氣再循環(huán)單元循環(huán)后，部分輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐，另一部分輸入所述富氧燃燒鍋爐。

進(jìn)一步的，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經(jīng)過所述煙氣再循環(huán)單元的除塵部件除塵后作為部分反應(yīng)物輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐。

進(jìn)一步的，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經(jīng)過所述煙氣再循環(huán)單元的換熱以及除塵部件換熱和除塵后作為部分反應(yīng)物輸入所述生物質(zhì)熱解氣化爐。

通過上述技術(shù)方案，可知本發(fā)明的有益效果在于：

(1)無任何煙氣或者生物質(zhì)氣排入大氣，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，解決了富氧燃燒鍋爐中產(chǎn)生的高濃度CO₂煙氣的再利用問題；

(2)現(xiàn)了化石燃料和生物質(zhì)的交互高效利用，生物質(zhì)氣通入富氧燃燒鍋爐，降低了富氧燃燒鍋爐的化石燃料消耗量，富氧燃燒鍋爐的部分高CO₂濃度和高含水量的煙氣通入熱解氣化爐，提高了生物質(zhì)氣化的碳轉(zhuǎn)化率；

(3)省去了富氧燃燒系統(tǒng)中的CO₂壓縮純化系統(tǒng)，增加了富氧燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例下的實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例下的實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)示意圖。

附圖標(biāo)號說明：

富氧燃燒鍋爐1，換熱器2，第一除塵器3，冷凝器4，煙氣過濾器5，再循環(huán)風(fēng)機(jī)6，空氣分離裝置7，第二除塵器8，生物質(zhì)熱解氣化爐9，煙氣再循環(huán)單元10

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。在下文中，將提供實施例以詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方案。本發(fā)明的優(yōu)點以及功效將通過本發(fā)明所公開的內(nèi)容而更為顯著。在此說明所附的附圖簡化過且做為例示用。附圖中所示的組件數(shù)量、形狀及尺寸可依據(jù)實際情況而進(jìn)行修改，且組件的配置可能更為復(fù)雜。本發(fā)明中也可進(jìn)行其他方面的實踐或應(yīng)用，且不偏離本發(fā)明所定義的精神及范疇的條件下，可進(jìn)行各種變化以及調(diào)整。

本發(fā)明實施例的原理在于：通過將富氧燃燒鍋爐和生物質(zhì)熱解氣化爐的耦合，將富氧燃燒鍋爐的部分高CO₂濃度、高含水量和高溫的煙氣通入熱解氣化爐，并將熱氣氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)氣通入富氧燃燒鍋爐，整個系統(tǒng)無任何煙氣或者生物質(zhì)氣排入大氣，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。同時省去了CO₂壓縮純化裝置，增加了富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性。而且將生物質(zhì)氣通入富氧燃燒鍋爐，降低了富氧燃燒鍋爐的化石燃料消耗量，富氧燃燒鍋爐的部分高CO₂濃度、高含水量和高溫的煙氣通入熱解氣化爐，提高了生物質(zhì)氣化的碳轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)了化石燃料和生物質(zhì)的交互高效利用。

本發(fā)明實施例的實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)包括富氧燃燒鍋爐1、煙氣再循環(huán)單元10和生物質(zhì)熱解氣化爐9，其中：生物質(zhì)熱解氣化爐9從所述煙氣再循環(huán)單元10輸入反應(yīng)物(例如包括再循環(huán)煙氣和氧氣)，生物質(zhì)熱解氣化爐9反應(yīng)后輸出生物質(zhì)氣；富氧燃燒鍋爐1輸入所述生物質(zhì)氣，以及由所述煙氣再循環(huán)單元10輸入再循環(huán)煙氣，反應(yīng)后輸出煙氣至所述煙氣再循環(huán)單元10。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例下的實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)示意圖。富氧燃燒鍋爐1內(nèi)進(jìn)行如氧氣濃度為25％-35％的富氧燃燒，富氧燃燒鍋爐可以為煤粉爐富氧燃燒鍋爐或者循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒鍋爐產(chǎn)生高CO₂濃度(典型的干煙氣中CO₂濃度為80％-90％之間)，高含水量(例如水含量在30％左右)和高溫(例如循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐的煙氣溫度為850-950℃，煤粉爐富氧燃燒鍋爐的煙氣溫度為1100-1300℃)的煙氣。

煙氣進(jìn)入煙氣再循環(huán)單元10中的煙氣管道后分為兩路：一部分依次經(jīng)過煙氣換熱器2和第一除塵器3(例如是可以采用低溫布袋除塵器)，然后進(jìn)入再循環(huán)煙氣管路，之后經(jīng)過冷凝器8進(jìn)行脫水處理，例如得到含水量小于5％的干再循環(huán)煙氣；接著經(jīng)過煙氣過濾器5進(jìn)行進(jìn)一步的除塵，例如再循環(huán)煙氣中粉塵的含量小于5％；脫水除塵后的再循環(huán)煙氣進(jìn)入再循環(huán)風(fēng)機(jī)6進(jìn)行增壓，增壓后的再循環(huán)煙氣和氧氣在管道內(nèi)進(jìn)行混合，氧氣由空氣分離裝置7產(chǎn)生，再循環(huán)煙氣和氧氣的混合氣經(jīng)過煙氣換熱器后進(jìn)行預(yù)熱，例如預(yù)熱后的混合氣溫度可達(dá)到100-200℃，之后分成若干路注入富氧燃燒鍋爐，作為燃燒所需的氧氣劑。富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽將進(jìn)入蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電；另一部分經(jīng)過一個第二除塵器8(例如可以是高溫除塵器)，后直接注入生物質(zhì)熱解氣化爐9，熱解氣化爐9可以為上吸式、下吸式、敞口式或流化床等形式，也可以為空氣氣化或者富氧氣化，氧氣由空氣分離裝置7產(chǎn)生。在現(xiàn)有的傳統(tǒng)空氣燃燒電站鍋爐系統(tǒng)上，利用氧氣和部分再循環(huán)煙氣混合取代空氣作為氧化劑，提高尾部煙氣中CO₂濃度，以實現(xiàn)CO₂捕集的目的。利用空氣分離裝置制取高純度的氧氣(一般達(dá)到95％以上)，同時利用再循環(huán)風(fēng)機(jī)從尾部煙道引回一部分煙氣(稱為再循環(huán)煙氣)；將氧氣和再循環(huán)煙氣以一定的比例混合后通入爐膛，鍋爐可以是煤粉爐或者循環(huán)流化床鍋爐；鍋爐燃燒后尾部排出的煙氣中含有高濃度的CO₂和H₂O，以及少量的O₂和SO₂、NOx等污染物；除了返回爐膛的部分煙氣，其余部分煙氣通過干燥和純化處理，便能得到高濃度的CO₂，再經(jīng)過壓縮后就可以進(jìn)行運(yùn)輸、利用或填埋，最終達(dá)到CO₂捕集和封存的目的。本發(fā)明實施例中煙氣中的CO₂和H₂O都在熱解氣化爐中參與熱解氣化反應(yīng)。

生物質(zhì)熱解氣化爐9產(chǎn)生的生物質(zhì)氣(主要含有CO，CH₄，H₂等)將通入富氧燃燒鍋爐1和化石燃料(煤、油頁巖和焦炭等)一起參與燃燒，生物質(zhì)熱解氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)炭等副產(chǎn)品可以作為吸附劑等進(jìn)行再利用。利用可再生能源代替煤炭等化石能源同樣可以有效的降低CO₂的排放。生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分，正確合理的生物質(zhì)能利用對環(huán)境保護(hù)的作用不容忽視。生物質(zhì)具有種類繁多、能量密度低、分散、體積大等特點，所以其利用技術(shù)受種類、分布、收集、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的嚴(yán)重制約，不同地域適合不同的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)中大致分為三類：直接燃燒發(fā)電，制生物工業(yè)天燃?xì)猓埔后w燃料。生物質(zhì)熱解氣化是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)之一。通過氣化反應(yīng)將生物質(zhì)中的碳?xì)溲蹀D(zhuǎn)化為可燃燒的氣體，生成的高品位的燃?xì)饧瓤梢怨┥a(chǎn)、生活直接燃用，也可以通過內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，從而實現(xiàn)生物質(zhì)的高效清潔利用。

上述系統(tǒng)中，通過將富氧燃燒鍋爐1和生物質(zhì)熱解氣化爐9耦合，無任何煙氣或者生物質(zhì)氣排入大氣，實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，解決了富氧燃燒鍋爐中產(chǎn)生的高濃度CO₂煙氣的再利用問題；實現(xiàn)了化石燃料和生物質(zhì)的交互高效利用，生物質(zhì)氣通入富氧燃燒鍋爐，降低了富氧燃燒鍋爐的化石燃料消耗量，富氧燃燒鍋爐的部分高CO₂濃度、高含水量和高溫的煙氣通入熱解氣化爐，提高了生物質(zhì)氣化的碳轉(zhuǎn)化率；省去了富氧燃燒系統(tǒng)中的CO₂壓縮純化系統(tǒng)，增加了富氧燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖2為根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例下的實現(xiàn)化石燃料和生物質(zhì)能交互的CO₂零排放系統(tǒng)示意圖。

富氧燃燒鍋爐1內(nèi)例如進(jìn)行氧氣濃度為25％-35％的富氧燃燒，富氧燃燒鍋爐可以為煤粉爐富氧燃燒鍋爐或者循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒鍋爐產(chǎn)生高CO₂濃度(干煙氣中CO₂濃度例如為80％-90％之間)，高含水量(水含量例如在30％左右)和高溫(循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐的煙氣溫度例如為850-950℃，煤粉爐富氧燃燒鍋爐的煙氣溫度為1100-1300℃)的煙氣。

煙氣進(jìn)入循環(huán)單元10，依次經(jīng)過煙氣換熱器2和第一除塵器3進(jìn)行降溫除塵，例如得到溫度為135℃左右，含塵量小于30mg/m³煙氣，接著分為兩路：一部分進(jìn)入再循環(huán)煙氣管路，再經(jīng)過冷凝器8進(jìn)行脫水處理，例如得到含水量小于5％的干再循環(huán)煙氣；接著經(jīng)過煙氣過濾器5進(jìn)行進(jìn)一步的除塵，例如再循環(huán)煙氣中粉塵的含量小于5％；脫水除塵后的再循環(huán)煙氣進(jìn)入再循環(huán)風(fēng)機(jī)6進(jìn)行增壓，增壓后的再循環(huán)煙氣和氧氣進(jìn)行混合，氧氣由空氣分離裝置7產(chǎn)生，再循環(huán)煙氣和氧氣的混合氣經(jīng)過煙氣換熱器后進(jìn)行預(yù)熱，例如預(yù)熱后的混合氣溫度可達(dá)到100-200℃，之后分成若干路注入富氧燃燒鍋爐，作為燃燒所需的氧氣劑。富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽將進(jìn)入蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電；另一部分經(jīng)過管道直接注入生物質(zhì)熱解氣化爐9。

本發(fā)明實施例的熱解氣化爐9可以為上吸式、下吸式、敞口式或流化床等形式，也可以為空氣氣化或者富氧氣化，氧氣由空氣分離裝置7產(chǎn)生，煙氣中的CO₂和H₂O都在熱解氣化爐中參與熱解氣化反應(yīng)，生物質(zhì)熱解氣化爐產(chǎn)生的生物燃?xì)?主要含有CO，CH₄，H₂等)將通入富氧燃燒鍋爐1和化石燃料(煤、油頁巖和焦炭等)一起參與燃燒，生物質(zhì)熱解氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)炭等副產(chǎn)品可以作為吸附劑等進(jìn)行再利用。

通過上述實施例，解決富氧燃燒鍋爐中產(chǎn)生的高濃度CO₂煙氣的再利用以及經(jīng)濟(jì)性差的問題，實現(xiàn)煤和生物質(zhì)燃料的交互利用，以及二氧化碳的零排放，真正意義的煤炭的高效、低排放利用。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。