CO₂捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源低碳利用的可行技術(shù)路線。CCUS存在碳捕集能耗高（≥2.4GJ/t CO₂）、CO₂轉(zhuǎn)化利用效率低、封存安全期短等技術(shù)問題，碳捕集成本占全鏈條CCUS成本的70%~80%，同時也是降低整個CCUS成本的最大潛力部分，因此迫切需要在變革性、引領(lǐng)性的CCUS技術(shù)自主創(chuàng)新方面形成突破。

在此背景下，化學(xué)鏈燃燒（CLC）技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是循環(huán)利用氧載體來傳遞燃料燃燒所需的活性氧和熱量，將劇烈的一步燃燒過程分為相對溫和的兩步反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能的梯級利用，提高能量利用效率。與現(xiàn)有的CO₂捕集技術(shù)相比，化學(xué)鏈燃燒技術(shù)具有系統(tǒng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外公認(rèn)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是CO₂減排成本最低（小于15美元/噸CO₂）、CO₂減排能耗最低（小于1.0GJ/噸CO₂）的化石能源源頭碳捕集技術(shù)之一。

已有研究表明，裝置燃料輸入熱功率在3MW左右才能實(shí)現(xiàn)自熱運(yùn)行，化學(xué)鏈燃燒串行流化床裝置運(yùn)行時的熱量自持需要調(diào)控氧載體、床料量、固體循環(huán)速率等，是其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的瓶頸問題，這受限于反應(yīng)器熱質(zhì)傳遞調(diào)控策略、系統(tǒng)高效能量集成技術(shù)的缺乏和不完善。因此，成功運(yùn)行兆瓦級自熱化學(xué)鏈燃燒工程示范裝置將是解決化學(xué)鏈燃燒裝置放大及其產(chǎn)業(yè)化過程的關(guān)鍵。

自熱化學(xué)鏈燃燒裝置是化學(xué)鏈燃燒技術(shù)研發(fā)平臺、也是循環(huán)流化床研發(fā)平臺，不僅可實(shí)現(xiàn)天然氣等氣體燃料化學(xué)鏈燃燒，還可進(jìn)行煤化學(xué)鏈燃燒和生物質(zhì)等碳中性燃料的化學(xué)鏈燃燒，亦可實(shí)現(xiàn)固體廢棄物清潔低碳的化學(xué)鏈燃燒，同樣可進(jìn)行常規(guī)的循環(huán)流化床空氣燃燒或者部分化學(xué)鏈燃燒。

化學(xué)鏈燃燒的基本原理是利用兩個相互串聯(lián)且氣氛隔絕的反應(yīng)器將一步式燃燒反應(yīng)分解成兩步的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，通過循環(huán)利用一種固體金屬氧化物（氧載體）進(jìn)行傳熱和傳氧提供燃料燃燒所需熱量和氧量，實(shí)現(xiàn)燃料與空氣不直接接觸無焰無O₂燃燒、化學(xué)能梯級利用、低NO_x和二噁英生成、燃燒產(chǎn)物CO₂原位高濃度富集和低能耗捕集?；瘜W(xué)鏈燃燒的第一步是在燃料反應(yīng)器中氧載體與燃料之間的反應(yīng)產(chǎn)生CO₂和H₂O；還原后的氧載體被送回空氣反應(yīng)器通過空氣氧化恢復(fù)其載氧能力，反應(yīng)熱則用來驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電或產(chǎn)生水蒸氣供熱。燃料反應(yīng)器出口氣體不被N₂稀釋，簡單冷凝后就可得到高純度的CO₂（可達(dá)95%），無需耗能的CO₂分離過程。

圖1 自熱化學(xué)鏈燃燒源頭碳捕集技術(shù)研發(fā)示范

自熱化學(xué)鏈燃燒裝置具有國際領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。其中，反映化學(xué)鏈燃燒性能的指標(biāo)（燃料反應(yīng)器干煙氣CO₂濃度、CO₂捕集率、燃燒效率）均在90%以上，而煙塵、SO₂、NO_x排放濃度均達(dá)到現(xiàn)行超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，CO₂經(jīng)壓縮純化后，符合食品級要求。

表1 串行流化床自熱化學(xué)鏈燃燒裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

作為國際上領(lǐng)先的源頭捕碳裝置，基于燃料能量梯級利用的兆瓦級化學(xué)鏈燃燒裝置采用串行流化床的技術(shù)路線，可實(shí)現(xiàn)無需外部供熱的自熱連續(xù)運(yùn)行，且可實(shí)現(xiàn)對外供給“零碳”水蒸氣以及CO₂的富集、壓縮、純化和商業(yè)利用的一體化。進(jìn)一步，10MW以上自熱化學(xué)鏈燃燒源頭捕碳裝置將為化學(xué)鏈燃燒工業(yè)應(yīng)用起到至關(guān)重要的技術(shù)支撐作用，也將是掌握化學(xué)鏈燃燒全套自主知識產(chǎn)權(quán)、形成可實(shí)際應(yīng)用的工業(yè)產(chǎn)能、站在新一代低能耗碳捕集技術(shù)國際前沿的關(guān)鍵步驟，對我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)有著重要的引領(lǐng)示范效應(yīng)。

由于不需要常規(guī)碳捕集方式的高能耗高成本氣-氣分離，化學(xué)鏈燃燒的碳捕集成本低于100元/噸（常規(guī)碳捕集成本約300元/噸以上）、系統(tǒng)能效降低2-3個百分點(diǎn)（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點(diǎn)）。即使不考慮碳稅或碳交易市場、也不考慮高純CO₂出售收益，50MW鍋爐供熱成本增加約15元/噸，600MW電站供電成本僅增加約8分/度電（常規(guī)碳捕集增加約2角/度電）。若進(jìn)入碳交易市場，50MW化學(xué)鏈燃燒鍋爐供熱成本比常規(guī)鍋爐低約3元/噸，600MW煤化學(xué)鏈燃燒電站用于碳交易可收益1億元/年。如果考慮高純CO₂出售，50MW化學(xué)鏈燃燒鍋爐的供熱成本比常規(guī)鍋爐低約130元/噸，600MW煤化學(xué)鏈燃燒電站用于CO₂出售可收益9.3億元/年。

已有樣品/樣機(jī)。

研究團(tuán)隊作為推進(jìn)國內(nèi)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)發(fā)展的核心力量，已完成低成本高性能氧載體規(guī)?；Y選制備，通過簡單方法制備滿足化學(xué)鏈循環(huán)燃燒性能的氧載體，完成工業(yè)化大規(guī)模制備氧載體工藝流程。針對化學(xué)鏈燃燒技術(shù)存在出口未燃盡氣體、焦炭進(jìn)入空氣反應(yīng)器、出口氧濃度高、系統(tǒng)過于復(fù)雜等實(shí)際運(yùn)行問題，團(tuán)隊攻關(guān)解決化學(xué)鏈燃燒技術(shù)實(shí)際運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，采用仿真模擬與實(shí)驗相結(jié)合的方式，以前期工程技術(shù)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決化學(xué)鏈反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計建設(shè)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化放大。

發(fā)展規(guī)劃：

應(yīng)用前景：

經(jīng)濟(jì)效益：由于不需要常規(guī)碳捕集方式的高能耗高成本氣-氣分離，化學(xué)鏈燃燒的碳捕集成本低于100元/噸（常規(guī)碳捕集成本約300元/噸以上）、系統(tǒng)能效降低2-3個百分點(diǎn)（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點(diǎn)）。兆瓦級化學(xué)鏈燃燒裝置CO₂捕獲能力0.1~1萬噸/年，經(jīng)壓縮純化的CO₂濃度高達(dá)99.99%，經(jīng)濟(jì)效益預(yù)計150~250萬元，碳交易額幾十萬元。

政治效益：在碳捕集利用與封存技術(shù)中，任何一項技術(shù)實(shí)現(xiàn)變革性突破都將帶來能源結(jié)構(gòu)的巨大變化?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)作為最具潛力的低成本碳捕集技術(shù)，已發(fā)展到中試規(guī)模及工程示范放大階段。在國內(nèi)與國際社會率先實(shí)現(xiàn)兆瓦級化學(xué)鏈燃燒技術(shù)工程示范裝置研發(fā)與運(yùn)行必將引領(lǐng)世界各化學(xué)鏈燃燒技術(shù)研發(fā)單位，構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的決心與能力，為技術(shù)進(jìn)一步放大提供指導(dǎo)，為碳減排事業(yè)指明方向。

社會效益：兆瓦級自熱化學(xué)鏈燃燒鍋爐將是國際上首臺套和最大規(guī)模的化學(xué)鏈燃燒工業(yè)裝置，也將是國際上首臺套商業(yè)運(yùn)行的碳捕集工業(yè)裝置，且具備進(jìn)一步放大的工業(yè)化應(yīng)用前景。在雙碳戰(zhàn)略背景下，掌握該技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)將對我國碳達(dá)峰和碳中和起到巨大的支撐作用，必將成為雙碳標(biāo)志性、引領(lǐng)性工程。

知識產(chǎn)權(quán)：

該成果包括多項已授權(quán)中國發(fā)明專利。

合作方式：