本發明涉及CO₂減排技術和生物質氣化技術，特別是一種實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放方法，以及實現上述排放方法的系統。

背景技術：

氣候變化已成為人類面臨的最嚴峻、最深遠的挑戰之一，溫室效應的增速大大超過了地球生態警戒線。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的貢獻最大。我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，根據2015年中國統計年鑒，2014年我國能源消耗總量為42.6億噸標準煤，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。

富氧燃燒技術是一種燃燒中的CO₂捕集及封存利用(CCUS)技術，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，常規方式是通過CO₂壓縮純化裝置進行除水、除塵、純化和壓縮，得到CO₂為95％以上的CO₂液體，再進行填埋封存或利用。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險，造成再次污染，而且對生態環境的危害目前無法進行評估。在填滿運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電量的10％左右，大大降低了富氧燃燒鍋爐的經濟性。

技術實現要素：

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

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

所述生物質熱解氣化爐從所述煙氣再循環單元輸入反應物，生物質熱解氣化爐反應后輸出生物質氣；

所述富氧燃燒鍋爐輸入所述生物質氣，以及由所述煙氣再循環單元輸入再循環煙氣，反應后輸出煙氣至所述煙氣再循環單元。

進一步的，所述煙氣再循環單元包括第一除塵器，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經過所述除塵器后作為部分反應物輸入所述生物質熱解氣化爐。

進一步的，所述煙氣再循環單元包括換熱器，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經過所述換熱器進行降溫。

進一步的，所述煙氣再循環單元還包括第二除塵器、冷凝器、再循環風機和煙氣過濾器，

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，過濾后經再循環風機增壓，增壓后經過所述換熱器進行升溫，升溫后作為循環煙氣輸入所述富氧燃燒鍋爐。

進一步的，由換熱器換熱后的部分煙氣作為部分反應物輸入所述生物質熱解氣化爐。

進一步的，所述煙氣再循環單元包括空氣分離裝置，用于產生氧氣，作為部分反應物輸入所述生物質熱解氣化爐。

進一步的，系統還包括換熱器，所述空氣分離裝置產生的氧氣部分還作為部分反應物經所述換熱器換熱后輸入所述富氧燃燒鍋爐。

本發明的另一方面，還提供一種實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放方法，包括：

向生物質熱解氣化爐內通入產生進行反應，反應后輸出生物質氣；

通入所述生物質氣至富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒后輸出煙氣；

所述煙氣經一煙氣再循環單元循環后，部分輸入所述生物質熱解氣化爐，另一部分輸入所述富氧燃燒鍋爐。

進一步的，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經過所述煙氣再循環單元的除塵部件除塵后作為部分反應物輸入所述生物質熱解氣化爐。

進一步的，富氧燃燒鍋爐輸出的部分煙氣經過所述煙氣再循環單元的換熱以及除塵部件換熱和除塵后作為部分反應物輸入所述生物質熱解氣化爐。

通過上述技術方案，可知本發明的有益效果在于：

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

(2)現了化石燃料和生物質的交互高效利用，生物質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，提高了生物質氣化的碳轉化率；

(3)省去了富氧燃燒系統中的CO₂壓縮純化系統，增加了富氧燃燒系統的經濟性。

附圖說明

圖1為根據本發明的第一個實施例下的實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放系統示意圖。

圖2為根據本發明的第二個實施例下的實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放系統示意圖。

附圖標號說明：

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，再循環風機6，空氣分離裝置7，第二除塵器8，生物質熱解氣化爐9，煙氣再循環單元10

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。在下文中，將提供實施例以詳細說明本發明的實施方案。本發明的優點以及功效將通過本發明所公開的內容而更為顯著。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量、形狀及尺寸可依據實際情況而進行修改，且組件的配置可能更為復雜。本發明中也可進行其他方面的實踐或應用，且不偏離本發明所定義的精神及范疇的條件下，可進行各種變化以及調整。

本發明實施例的原理在于：通過將富氧燃燒鍋爐和生物質熱解氣化爐的耦合，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，并將熱氣氣化爐產生的生物質氣通入富氧燃燒鍋爐，整個系統無任何煙氣或者生物質氣排入大氣，實現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濟性。而且將生物質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，提高了生物質氣化的碳轉化率，實現了化石燃料和生物質的交互高效利用。

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

圖1為根據本發明的第一個實施例下的實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放系統示意圖。富氧燃燒鍋爐1內進行如氧氣濃度為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流化床富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒鍋爐產生高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。

煙氣進入煙氣再循環單元10中的煙氣管道后分為兩路：一部分依次經過煙氣換熱器2和第一除塵器3(例如是可以采用低溫布袋除塵器)，然后進入再循環煙氣管路，之后經過冷凝器8進行脫水處理，例如得到含水量小于5％的干再循環煙氣；接著經過煙氣過濾器5進行進一步的除塵，例如再循環煙氣中粉塵的含量小于5％；脫水除塵后的再循環煙氣進入再循環風機6進行增壓，增壓后的再循環煙氣和氧氣在管道內進行混合，氧氣由空氣分離裝置7產生，再循環煙氣和氧氣的混合氣經過煙氣換熱器后進行預熱，例如預熱后的混合氣溫度可達到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。富氧燃燒鍋爐系統產生的蒸汽將進入蒸汽輪機進行發電；另一部分經過一個第二除塵器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產生。在現有的傳統空氣燃燒電站鍋爐系統上，利用氧氣和部分再循環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(一般達到95％以上)，同時利用再循環風機從尾部煙道引回一部分煙氣(稱為再循環煙氣)；將氧氣和再循環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，再經過壓縮后就可以進行運輸、利用或填埋，最終達到CO₂捕集和封存的目的。本發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。

生物質熱解氣化爐9產生的生物質氣(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，生物質熱解氣化爐產生的生物質炭等副產品可以作為吸附劑等進行再利用。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。生物質能是可再生能源的重要組成部分，正確合理的生物質能利用對環境保護的作用不容忽視。生物質具有種類繁多、能量密度低、分散、體積大等特點，所以其利用技術受種類、分布、收集、運輸等環節的嚴重制約，不同地域適合不同的生物質能轉化利用技術。在生物質轉化利用技術中大致分為三類：直接燃燒發電，制生物工業天燃氣，制液體燃料。生物質熱解氣化是生物質轉化利用技術之一。通過氣化反應將生物質中的碳氫氧轉化為可燃燒的氣體，生成的高品位的燃氣既可以供生產、生活直接燃用，也可以通過內燃機或燃氣輪機發電，進行熱電聯產聯供，從而實現生物質的高效清潔利用。

上述系統中，通過將富氧燃燒鍋爐1和生物質熱解氣化爐9耦合，無任何煙氣或者生物質氣排入大氣，實現了二氧化碳的零排放，解決了富氧燃燒鍋爐中產生的高濃度CO₂煙氣的再利用問題；實現了化石燃料和生物質的交互高效利用，生物質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，提高了生物質氣化的碳轉化率；省去了富氧燃燒系統中的CO₂壓縮純化系統，增加了富氧燃燒系統的經濟性。

圖2為根據本發明的第二個實施例下的實現化石燃料和生物質能交互的CO₂零排放系統示意圖。

富氧燃燒鍋爐1內例如進行氧氣濃度為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流化床富氧燃燒鍋爐，富氧燃燒鍋爐產生高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。

煙氣進入循環單元10，依次經過煙氣換熱器2和第一除塵器3進行降溫除塵，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：一部分進入再循環煙氣管路，再經過冷凝器8進行脫水處理，例如得到含水量小于5％的干再循環煙氣；接著經過煙氣過濾器5進行進一步的除塵，例如再循環煙氣中粉塵的含量小于5％；脫水除塵后的再循環煙氣進入再循環風機6進行增壓，增壓后的再循環煙氣和氧氣進行混合，氧氣由空氣分離裝置7產生，再循環煙氣和氧氣的混合氣經過煙氣換熱器后進行預熱，例如預熱后的混合氣溫度可達到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。富氧燃燒鍋爐系統產生的蒸汽將進入蒸汽輪機進行發電；另一部分經過管道直接注入生物質熱解氣化爐9。

本發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產生，煙氣中的CO₂和H₂O都在熱解氣化爐中參與熱解氣化反應，生物質熱解氣化爐產生的生物燃氣(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，生物質熱解氣化爐產生的生物質炭等副產品可以作為吸附劑等進行再利用。

通過上述實施例，解決富氧燃燒鍋爐中產生的高濃度CO₂煙氣的再利用以及經濟性差的問題，實現煤和生物質燃料的交互利用，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，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。