系统设计研究探讨与优化

目前研究者对系统总能考量开展3个方面的系统研究，即不同能源系统的耦合，提高能源转换效率和整体系统效率途径以及系统能量分析（见表5-4）。

表5-4　化学链系统性能分析研究情况

（续表）

1）不同能源的耦合系统

国外GE-EER公司将化学燃烧技术与传统的矿石类、生物质水蒸气重整制氢结合起来，解决重整过程中热能来源的问题［6］。中科院研究者开拓“第三代”能源环境动力系统，高温段应用化学链燃烧技术，中低温段采用高效空气湿化法［空气湿化燃气轮机联合循环（CLSA）］，将工程热力学与环境学两个学科有机结合为一体；探索低温太阳能与清洁合成燃料甲醇-三氧化铁化学链燃烧相结合的控制CO2分离的新能源动力系统。

Fe2O3载氧体可使煤化学链制氢技术具有系统简单、能耗低、有效捕集CO2的优势。对燃料煤或煤合成气而言，该技术可分为直接或间接制氢技术两种。在综合评估下，煤直接制氢更为现实。如图5-18所示，Fe2O3在燃料反应器中与煤气化物发生还原反应，在蒸汽反应器中完成高纯度H2的制备，最后在空气反应器中完成Fe2O3的氧化，并实现多次循环利用。

图5-18　煤化学链制氢技术原理图

在此基础上，开展煤焦制氢，推出CaSO4-CaS和CaCO3CaO两个化学链循环以及铁铝矿石热循环组成的煤混合燃烧-气化制氢技术（见图5-19）。图5-19表示，CaSO4作为载氧体完成煤气化制备合成气，合成气中CO2通过CaO的碳酸化反应进行富集分离，而CaSO4的还原产物CaS则由空气氧化再生，CaO碳酸化产物CaCO3通过热解再生，所需热量由铁铝矿石作为介质予以传递。当然，煤的充分转化、载氧体与煤灰的分离以及灰硫组分对载氧体活性的影响问题还有待进一步研究。

图5-19　以煤为燃料的混合燃烧-气化制氢技术

图5-20　固体燃料CLC装置系统图

国外研究者将串行循环流化床配3个流动密封阀，组成固体燃料的化学链燃烧系统（见图5-20）。载氧体在高速管内发生氧化反应后，经分离与固体燃料混合热解，进入燃料反应器还原，被还原的载氧体与灰和未燃尽碳在鼓泡床内分离。于是燃料反应器作为还原器和分离器，又构成流动密封阀。系统生成的CO2一部分被收集起来，另一部分再循环，与水蒸气一起引入燃烧反应器使固体燃料气化。系统中的3个流动密封阀功能是使系统维持压力平衡，使固体颗粒从低静压侧流向高静压侧，实现物料循环流动。(www.xing528.com)

东南大学10 kW级生物质燃烧系统试验装置（见图5-21）由循环流化床（空气反应器）、旋风分离器和代替鼓泡床的喷动床（燃料反应器）串联组成。固体燃料从喷动床底部喷入燃料反应器，系统在30 h连续运行中燃烧稳定。研究者采用NiO/Al2O3载氧体进行100 h生物质（松木）燃烧分离CO2的连续试验，载氧体具有良好的氧化-还原性能和较强的循环能力，最高燃烧效率为95.2%。载氧体损失为0.03%/h。

图5-21　10 kW级串行流化床生物质CLC系统图

2）系统能量分析

在系统能量分析中，研究者采用格拉斯曼（Grassmann）图分析化学链燃烧系统，采用Aspen Plus软件对系统仿真。虽然建模计算中引入了适当假设，但有利于了解提高整体效率的影响。有的分析表明，不可逆损失减少，使GT-CLC系统最优效率达55.9%；有的认为NGCC-CLC系统效率有望达到52%～53%，氢/电/热三联产的扩展使化学链燃烧系统达到50%的热效率。

化学链燃烧制氢技术结合燃料电池联合多重循环（CL-FCCC）的发电系统，利用反应热直接获得高温氢气和空气，简化系统。为实现能量的梯级利用、整体提高能源利用率提供一条新的可行途径［7］。CL-FCCC系统见图5-22，其优点包括：①为燃料电池提供更高的介质温度和压力；②金属氧化物NiO/Ni以间接链式反应替代H2和O2的直接接触，减少㶲损失；③还原器与氧化器分别提供高温的氢气和空气，便于与燃料电池连接。

3）系统设计点参数

图5-23表示系统热效率η与的关系，为燃料电池进口1 mol氢气量与出口氢气量之比。不同的燃料电池温度下存在最佳的使燃料电池联合循环效率最高。系统η随着大气温度升高而降低，且η下降速度加快。

图5-22　采用化学链燃烧的燃料电池联合循环流程图

图5-23　系统热效率η与的关系