·1752 工程科学学报，第43卷，第12期 煤炭在燃烧过程中会排放大量的温室气体 效利用的迫切需求，通过气化和液化的方式将煤 CO2,这是导致全球气候变暖的重要原因之一.传 炭转化为清洁产品受到了广泛的关注.整体煤气 统的CO2减排技术，如吸收、吸附和膜分离等，通 化联合循环(Integrated gasification combined cycle, 常需要消耗大量的能量，才能将CO2从混合气体 IGCC)是一种将煤炭气化技术和高效的联合循环 中分离.化学循环燃烧(Chemical looping combustion, 相结合的先进动力系统，目前已有许多规模在 CLC)是一种低能耗的CO2零排放燃烧技术，可以 50~600MW的IGCC电厂成功运行该系统主 通过组合式反应器设计将燃料的直接燃烧过程分 要由煤的气化和净化以及燃气-蒸汽联合循环发 解，既可以达到相同的净反应热热值，又可以实现 电两部分组成，作为IGCC系统中的重要组成部 CO2的自动分离和纯化，避免了高能耗的气体分 分，煤的气化在低于900℃的温度下，除非进行催 离过程，同时也没有NO产生，因而受到广泛的关 化剂辅助，否则转化动力学通常较慢然而，在 注.CLC由两个相互连接的流化床反应器组成， 煤炭的催化气化过程中，煤中的灰分会与催化剂 分别为空气反应器和燃料反应器，固体氧载体可 发生相互作用，导致催化剂失去活性.因此，煤气 以在空气反应器和燃料反应器之间循环使用.在 化过程中产生的大量粉煤灰和炉渣是导致IGCC CLC中，金属氧化物会提供燃料燃烧所需的化学 电厂发生停机事故的重要原因刀与之相似的是， 计量的氧气，从而产生C02和H0,其中，C02可 在煤炭的液化过程中，焦炭和灰分也会沉积到催 以通过以较少的能量参与冷凝水蒸气而容易回 化剂表面上而导致其失活，反应混合物中矿物质 收，从而以几乎不消耗能量的方式隔离二氧化碳 的存在也会导致固体颗粒的积聚并最终使设备损 目前，灰烬沉积以及灰烬对氧载体的污染是限制 坏，包括液化反应器、分离器和管道等.因此，提 固体燃料CLC发展的一个主要问题.因此，HPC 前将煤中的灰分去除可以提高气化和液化效率， 成为了固体燃料CLC的理想燃料- 减少催化剂的损失和停机事故的发生.于是，HP℃ 1.2气化和液化方面 成为了煤炭气化和液化的理想原料8-24图2为 由于原油价格的不断上涨以及对煤炭清洁高 HPC在IGCC系统中的应用示意图 Gasification island Power island HPC Low-pressure steam Dust Coal Crude gas removal/desulfuriz Syngas Exhaust Waste heat pretreatment Gasifier ation and Gas boiler boiler decarbonization Gas turbine Steam turbine Power power power Oxygen Air generation generation output Air separation device N2 N2 output 图2HPC在IGCC系统中的应用 Fig.2 Application of HPC in IGCC system 1.3炼焦配煤方面 煤消耗计算，我国的炼焦煤储量仅能满足几十年的 焦炭是高炉冶炼过程的关键原料，主要起到还 炼焦需求.特别是自2010以来，国家加大了对土焦 原剂、发热剂、渗碳剂和料柱骨架的作用.焦炭一 窑的清理力度，关停了大量不符合生产标准的炼焦 般由炼焦煤（气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等）通过焦化 企业.焦炭的生产成本大幅增加，给钢铁企业带来 工艺制成.2019年我国的炼焦煤需求量为5.21亿 了巨大的压力.随着钢铁工业的发展和环保要求的 吨，而产量仅为4.59亿吨，远不能满足工业生产的 日益严格，对低灰分、高强度焦炭的需求不断增加， 需要，而且这一差距正在逐年加大.按目前炼焦原 优质焦煤资源短缺和焦炭生产过程造成的污染已煤炭在燃烧过程中会排放大量的温室气体 CO2，这是导致全球气候变暖的重要原因之一. 传 统的 CO2 减排技术，如吸收、吸附和膜分离等，通 常需要消耗大量的能量，才能将 CO2 从混合气体 中分离. 化学循环燃烧（Chemical looping combustion， CLC）是一种低能耗的 CO2 零排放燃烧技术，可以 通过组合式反应器设计将燃料的直接燃烧过程分 解，既可以达到相同的净反应热热值，又可以实现 CO2 的自动分离和纯化，避免了高能耗的气体分 离过程，同时也没有 NOx 产生，因而受到广泛的关 注[12] . CLC 由两个相互连接的流化床反应器组成， 分别为空气反应器和燃料反应器，固体氧载体可 以在空气反应器和燃料反应器之间循环使用. 在 CLC 中，金属氧化物会提供燃料燃烧所需的化学 计量的氧气，从而产生 CO2 和 H2O，其中，CO2 可 以通过以较少的能量参与冷凝水蒸气而容易回 收，从而以几乎不消耗能量的方式隔离二氧化碳. 目前，灰烬沉积以及灰烬对氧载体的污染是限制 固体燃料 CLC 发展的一个主要问题. 因此，HPC 成为了固体燃料 CLC 的理想燃料[13−14] . 1.2    气化和液化方面 由于原油价格的不断上涨以及对煤炭清洁高 效利用的迫切需求，通过气化和液化的方式将煤 炭转化为清洁产品受到了广泛的关注. 整体煤气 化联合循环（ Integrated gasification combined cycle, IGCC）是一种将煤炭气化技术和高效的联合循环 相结合的先进动力系统 ，目前已有许多规模在 50～600 MW 的 IGCC 电厂成功运行[15] . 该系统主 要由煤的气化和净化以及燃气‒蒸汽联合循环发 电两部分组成. 作为 IGCC 系统中的重要组成部 分，煤的气化在低于 900 ℃ 的温度下，除非进行催 化剂辅助，否则转化动力学通常较慢[16] . 然而，在 煤炭的催化气化过程中，煤中的灰分会与催化剂 发生相互作用，导致催化剂失去活性. 因此，煤气 化过程中产生的大量粉煤灰和炉渣是导致 IGCC 电厂发生停机事故的重要原因[17] . 与之相似的是， 在煤炭的液化过程中，焦炭和灰分也会沉积到催 化剂表面上而导致其失活，反应混合物中矿物质 的存在也会导致固体颗粒的积聚并最终使设备损 坏，包括液化反应器、分离器和管道等. 因此，提 前将煤中的灰分去除可以提高气化和液化效率， 减少催化剂的损失和停机事故的发生. 于是，HPC 成为了煤炭气化和液化的理想原料[18−24] . 图 2 为 HPC 在 IGCC 系统中的应用示意图. HPC Gasification island Gasifier Gas boiler Waste heat boiler Coal pretreatment Crude gas Syngas Exhaust Low-pressure steam Power island Power output Dust removal/desulfuriz ation and decarbonization Steam turbine power generation Gas turbine power Oxygen Air generation Air separation device N2 N2 output 图 2    HPC 在 IGCC 系统中的应用 Fig.2    Application of HPC in IGCC system 1.3    炼焦配煤方面 焦炭是高炉冶炼过程的关键原料，主要起到还 原剂、发热剂、渗碳剂和料柱骨架的作用. 焦炭一 般由炼焦煤（气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等）通过焦化 工艺制成. 2019 年我国的炼焦煤需求量为 5.21 亿 吨，而产量仅为 4.59 亿吨，远不能满足工业生产的 需要，而且这一差距正在逐年加大. 按目前炼焦原 煤消耗计算，我国的炼焦煤储量仅能满足几十年的 炼焦需求. 特别是自 2010 以来，国家加大了对土焦 窑的清理力度，关停了大量不符合生产标准的炼焦 企业. 焦炭的生产成本大幅增加，给钢铁企业带来 了巨大的压力. 随着钢铁工业的发展和环保要求的 日益严格，对低灰分、高强度焦炭的需求不断增加， 优质焦煤资源短缺和焦炭生产过程造成的污染已 · 1752 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期