CO₂捕集利用與封存（CCUS）技術被認為是當前唯一能夠實現(xiàn)化石能源低碳利用的可行技術路線。CCUS存在碳捕集能耗高（≥2.4GJ/t CO₂）、CO₂轉化利用效率低、封存安全期短等技術問題，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、引領性的CCUS技術自主創(chuàng)新方面形成突破。

在此背景下，化學鏈燃燒（CLC）技術逐漸成為研究熱點?；瘜W鏈燃燒技術是循環(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，從而實現(xiàn)化學能的梯級利用，提高能量利用效率。與現(xiàn)有的CO₂捕集技術相比，化學鏈燃燒技術具有系統(tǒng)效率高的優(yōu)點，國內外公認化學鏈燃燒技術是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之一。

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

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

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

圖1 自熱化學鏈燃燒源頭碳捕集技術研發(fā)示范

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

表1 串行流化床自熱化學鏈燃燒裝置的主要技術指標

作為國際上領先的源頭捕碳裝置，基于燃料能量梯級利用的兆瓦級化學鏈燃燒裝置采用串行流化床的技術路線，可實現(xiàn)無需外部供熱的自熱連續(xù)運行，且可實現(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。進一步，10MW以上自熱化學鏈燃燒源頭捕碳裝置將為化學鏈燃燒工業(yè)應用起到至關重要的技術支撐作用，也將是掌握化學鏈燃燒全套自主知識產權、形成可實際應用的工業(yè)產能、站在新一代低能耗碳捕集技術國際前沿的關鍵步驟，對我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進有著重要的引領示范效應。

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（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點）。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）。若進入碳交易市場，50MW化學鏈燃燒鍋爐供熱成本比常規(guī)鍋爐低約3元/噸，600MW煤化學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煤化學鏈燃燒電站用于CO₂出售可收益9.3億元/年。

已有樣品/樣機。

研究團隊作為推進國內化學鏈燃燒技術發(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。針對化學鏈燃燒技術存在出口未燃盡氣體、焦炭進入空氣反應器、出口氧濃度高、系統(tǒng)過于復雜等實際運行問題，團隊攻關解決化學鏈燃燒技術實際運行中的關鍵技術瓶頸，采用仿真模擬與實驗相結合的方式，以前期工程技術經驗為基礎，重點解決化學鏈反應系統(tǒng)的優(yōu)化設計建設，實現(xiàn)工業(yè)化放大。

發(fā)展規(guī)劃：

應用前景：

經濟效益：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（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點）。兆瓦級化學鏈燃燒裝置CO₂捕獲能力0.1~1萬噸/年，經壓縮純化的CO₂濃度高達99.99%，經濟效益預計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中，任何一項技術實現(xiàn)變革性突破都將帶來能源結構的巨大變化。化學鏈燃燒技術作為最具潛力的低成本碳捕集技術，已發(fā)展到中試規(guī)模及工程示范放大階段。在國內與國際社會率先實現(xiàn)兆瓦級化學鏈燃燒技術工程示范裝置研發(fā)與運行必將引領世界各化學鏈燃燒技術研發(fā)單位，構建現(xiàn)代能源體系的決心與能力，為技術進一步放大提供指導，為碳減排事業(yè)指明方向。

社會效益：兆瓦級自熱化學鏈燃燒鍋爐將是國際上首臺套和最大規(guī)模的化學鏈燃燒工業(yè)裝置，也將是國際上首臺套商業(yè)運行的碳捕集工業(yè)裝置，且具備進一步放大的工業(yè)化應用前景。在雙碳戰(zhàn)略背景下，掌握該技術自主知識產權將對我國碳達峰和碳中和起到巨大的支撐作用，必將成為雙碳標志性、引領性工程。

知識產權：

該成果包括多項已授權中國發(fā)明專利。

合作方式：