CN101228395B - 模块式流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明的流化床反应器包括通过加速外壳(10，10a，10b)耦合到离心式分离器(2，2a，2b)的反应腔室(1，1a，1b)，所述分离器用于将微粒从来自所述反应腔室(1，1a，1b)的热气体中分离出去，其中该组件包括反应腔室(1，1a，1b)、分离器(2，2a，2b)和后仓(3，3a，3b)。

Description

模块式流化床反应器
技术领域
本发明涉及用于反应固态气体并产生能量的循环流化床反应器和锅炉。
背景技术
这些反应器包括：在其内发生固态的气体反应的反应腔室；带有用于将固体再循环至反应腔室底部的装置的离心式分离器；以及，典型地，热交换器或对反应腔室内的温度进行调节的装置。
为了简化的目的，在本申请现有技术发展水平中将仅提供循环流化床燃烧器的情况。
燃烧器包括用于燃烧燃料的炉膛，带有将固体再循环至炉膛底部的装置的离心式分离器以及对反应腔室内的温度进行调节的至少一个热交换器。
对于使用矿物燃料的能量产生站而言，控制诸如例如二氧化碳这样的温室气体的排放是一个不可避免的技术约束。这种控制意味着必须以最小的成本和影响克服一些新问题，诸如捕获从这些能量输出站释放的烟尘中的二氧化碳或使用可再生的生物能量(非矿物碳)。
最后，油田的逐渐稀少使得更紧迫地需要实施注射二氧化碳的大规模回收技术，其可以加倍可获得的一定的储备。
已知的是通过热化学循环燃烧转化包含有碳材料的固体燃料以产生实质上包含CO2和H2O而无需氮气压载的燃烧烟尘，因此这些烟尘可被用于油料的辅助再生或能将这些烟尘限制在地下，正如在用于减少温室气体排放的技术中所提出的那样。
通过这种方法，不需要求助于需要大量消耗电能的特定空气净化单元来产生氧气。
这种转化由两个循环流化床反应器来实现：氧化反应器和转化反应器。它们连接在一起以产生固体金属氧化物的交换，其中这些氧化物用于氧气载体并且在回路中被连续还原然后氧化。
由于氮气稀释剂的分离(也被叫做“氮气压载”)和转化反应器中的CO2/H2O/SO2的再循环，两个反应器的尺寸相差比例为1∶3、或甚至为1∶4，因此在两反应器结构中，上述互连是一个主要约束。实际上，各反应器包括下述三个元件以确保操作：实际的反应器或反应腔室，与虹吸管连接的旋风分离器或分离器和也叫作后仓的后部锅炉，它们必须相互结合，且氧化反应器上的外部床和从转化反应器到氧化反应器的固体返回路线中的碳分离器/剥离器(也公知为“碳剥离器”)被添加在其上。
然而，需要提出一种构思，它能被外推用于约20-400兆瓦的大尺寸，且它使两个反应器之间的固体连接外壳最小化。
最终，由于通常转化反应器在其回路(反应器、外壳、旋风分离器、虹吸管)上完全地镀覆着耐火材料或“被耐火化”，而转化反应器仅仅在其底部和在外壳、旋风分离器和虹吸管上覆盖有耐火材料，因此人们还必须强调因使用固体耐火材料而造成的约束。这些回路元件是板状金属并被400-500mm的多层耐火涂层保护。这使得具有高维护费用和操作限制，其中启动和关闭要持续较长时间以适应这些具有有限热梯度的大厚度。
考虑到上述限制，显然，设计一种可被外推以形成所要求的功能的具有集成的且紧凑结构的锅炉是待解决的真实的问题。
本申请的申请人还具有申请PCT WO2004/036118的改进。特别地，后一申请描述了一种基本模块，其包括反应腔室或反应器、分离器和后仓，其中反应腔室和分离器具有笔直的壁。
通常，反应腔室被放置在分离器的前面，而分离器本身定位于后仓的前面。这种方案实际上是最符合逻辑的，因为由反应腔室产生的烟尘通过分离器，颗粒返回向所述腔室，而烟尘的剩余部分在后仓中得到处理。分离器居中地位于反应腔室和后仓之间，因此使得这些元件之间的连接外壳最小化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种配置，其紧凑、模块化且特别适于设计具有流化床的双锅炉，这些流化床相互连接以保证携氧氧化物的交换，这些携氧氧化物在回路中被连续还原然后氧化以便捕获二氧化碳。
根据本发明的流化床反应器包括经由加速外壳联接到用于将微粒从来自所述反应腔室的热气体中分离的离心分离器的反应腔室，包括反应腔室、分离器和后仓的整个组件构成基本模块。其特征在于：包括至少两个模块；在其中一个模块中，反应腔室被定位在分离器和后仓之间；在其它模块中，分离器被定位在反应器和后仓之间。与通常使用的结构相比，这种结构的优点在于：能够与其它模块的反应腔室并排地放置这些模块中的每一个的分离器，这对于一些配置(在这些配置中，两个反应腔室共用后仓，微粒通过分离器从一个反应腔室流到另一个反应腔室)是有利的。带有中央分离器的常规模块和带有中央反应器的模块的结合意味着分离器和反应腔室之间的距离因此得到减小，不同元件之间的管道长度也是如此。基于所要求的功率计算要使用的模块数量。
根据一种特殊结构，加速外壳的一部分至少设在反应腔室的上部。离心式分离器具有近似笔直的垂直壁。在反应腔室中，用于微粒的加速外壳的位置意味着能够在所述腔室和分离器之间合并或甚至具有一个共用壁，因此增加总体有效体积。如在专利WO 2004/036118中描述的外壳至少结合在各反应器顶部上的这一事实意味着现在通过分离器逃出的固体被减至最少。
根据一个特定的特性，壁是共用的。现在，将共用壁用于各反应器、分离器和后仓组件单元使得能够获得一种对齐且紧凑的结构。
根据另一种结构，两种模块的后仓具有共用壁。这些后仓被并排放置且可以根据配置具有与分离器或反应器共用的壁。因此能够保留易于构造和安装清扫器以清除管子上的所有灰尘沉积的管状壁，其留下足够小的空间以使固体沉积物沉积在相邻分离器之间的风险最小化，因为烟尘不再需要流过长的连接管道。
根据另一种结构，反应器和分离器具有共用壁。反应器可以是方形或矩形形状。
根据另一种结构，反应器和后仓具有共用壁。外部床可位于后仓下方且连接到氧化反应器，其通过对应的虹吸管进行供应。
根据另一种结构，分离器和后仓具有共用壁。
根据一个特定的特性，反应器之间的和分离器与后仓之间的共用壁是被分成两个壁，且在双壁之间的空间内具有强化带。对于超过200兆瓦的非常大的燃烧器，由于包括反应器、分离器和后仓在内的组件的热膨胀和保持内压反应器的传送带的过大尺寸，有必要让某些壁为双壁。
根据一种变型，所述模块中的至少一个是氧化反应器，其它的是转化反应器。在这种情况下，各锅炉的循环流化床被连接在一起以保证携氧的固体金属氧化物的交换，这些金属氧化物在回路中被连续地还原和氧化以产生去除去了氮气压载(ballast)的浓缩的二氧化碳流。各自具有分离器的氧化反应器和转化反应器的相反结构使得具有转化器的氧化反应器的分离器可分别与具有转化器的氧化反应器并置。在各分离器下设有虹吸管：在转化反应器的分离器下方的虹吸管具有两个出口，其中一个出口提供到转化反应器的直接返回通道，另一个向氧化反应器供应固体；在氧化反应器下方的虹吸管具有两个或三个出口以确保到氧化反应器的直接返回通道和向转化反应器和外部床供应固体。反应器的这种结构允许使用特别短的外壳，因此避免使用稍微倾斜且适于去流化的长的流化外壳。
根据上述变型的另一种特殊结构，氧化反应器包括的模块是转化反应器包括的模块的至少两倍。外推尺寸的原理这样获得：维持一个带有转化反应器的模块和至少两个带有氧化反应器的模块，然后外推反应器部分的尺寸直至获得100兆瓦的单位流速的等效物并加入达4个对齐模块。其顶部为转化反应器的倍数-三倍或四倍-的氧化反应器的基本模块的这种结构形成各分离器的与各反应器的部分相等的部分。因此，最大的氧化反应器在其底部上为一整块，而顶部由带管子的隔离壁分割，其中所述管子参予并形成分离器的入口或加速外壳的一体部分，且因此构成基本模块的对应部分。
根据上述变型的一种特殊结构，转化反应器位于分离器和后仓之间。
根据另一个变型，所述模块中的至少一个构成通过所述二氧化碳使CaO碳酸化吸收二氧化碳的反应器，二氧化碳容纳在烟尘中，其它的模块构成CaCO3碳酸盐的裂化反应器。在这个情况中，热CaO经历着碳酸化和脱碳酸盐化的循环，钙的氧化物连续地因吸收二氧化碳而被碳酸化和因裂化而被脱碳酸盐化。
这种高度一体化的设计允许使用：
-内部床；
-与旋风入口外壳或加速外壳互补的顶部分隔壁，从而使得固体的分离和氧化反应器内部的热交换变得方便；
-共用的冷却壁，其使水蒸汽乳液与轻微过热的蒸汽结合；
-用于超临界蒸汽循环的强制循环或其它方式。
另一方面，所述概念因共用壁和沿管子外缘的约25-50mm的耐火涂层厚度的减少，而减少了受压部分的重量。转化和氧化反应器中的低热量流允许水蒸汽乳液例如以低质量流量流动，而分离器的壁被低温过热蒸汽通过。
附图说明
在阅读纯粹以示例的方式提供并参考附图的以下描述时，将能更好地理解本发明，其中：
图1是根据原始变型的模块的顶视图；
图2是根据第二变型的模块的顶视图；
图3是根据本发明的模块的组合的顶视图；
图4是用于安装根据本发明的模块的装置的示意图；以及
图5是本发明的第二变型的示意图。
具体实施方式
在图1中示出的模块包括反应器1、设置在旁边的分离器2和后仓3，这个组合通过金属结构4保持在一起。这种模块对应于在申请人的专利申请WO 2004/036118中描述的模块。反应器1通过部分或完全结合在所述反应器1中的外壳10与分离器连接。反应器1具有带分离器2的共用壁11和带后仓3的共用壁12。所述壁被制成带有管子并被导热流体流过。分离器2具有固体出口20，该固体出口与向反应器1排放的虹吸管5连接。烟尘离开分离器2并经由外壳(未示出)传到后仓3。炉膛1的底部包括带有流化栅格40的区域。
在图2中示出的模块也包括反应器1、分离器2和后仓3。然而在此处，反应器1居中地位于分离器2和后仓3之间。分离器2具有带反应器1的共用壁11和带后仓3的共用壁21。如图1所示那样，固体通过出口20，然后穿过虹吸管5、然后返回反应器1。烟尘通过外壳(未示出)从分离器2传到后仓3。炉膛1的底部包括带有流化栅格40的区域。
在图1和2中示出的这两类模块的组合特别好地适于执行双循环流化床锅炉，所述流化床被连接在一起以捕获二氧化碳。在图3和4中描述了这种实施例。
图4示意性地示出了一种一体化的双锅炉，其包括以下元件：
-两个循环流化床反应器1a和1b，其中一个是氧化反应器1a，另一个是转化反应器1b，这两个反应器被连接在一起用于保证在两个反应器1a和1b中被氧化之前被连续还原的携氧固体金属氧化物的交换；
-两个分离器2a和2b；
-分别位于分离器2a和2b下方的两个虹吸管5a和5b；
-与氧化反应器1a连接的外部床6；
-位于从转化反应器1b到氧化反应器1a的固体返回路线上的、称作为碳剥离器7的碳分选分离器；
-两个后仓3a和3b；
-两个固体燃料贮仓8a和8b；
-两个过滤器9a和9b，风扇90b，冷却和冷凝回路91b和灰尘分离器92b。
设在分离器2a下方的虹吸管5a具有三个固体出口：一个用于直接返回氧化反应器1a，一个用于向转化反应器1b供应固体和一个用于向控制回路温度的外部床6提供固体。
位于分离器2b下方的虹吸管5b具有两个固体出口：一个用于固体直接返回转化反应器1b，一个用于向氧化反应器1a供应固体。还可以将各虹吸管用于供应外部床中的一个或供应转化反应器中的一个。
图3描述了执行根据本发明的双锅炉的模块的结构。该双锅炉包括：初级模块，所述初级模块的形成尺寸要使得转化反应器1b的尺寸之一，即宽度或长度等于分离器2a的特征尺寸，即特征宽度或长度。根据各反应器1a和1b所要求的功率来计算要使用的初级模块的数量。氧化反应器1a所要求的数量是转化反应器1b所要求的数量的至少2倍、3倍或甚至4倍。这样就提供了根据图3的结构。转化反应器1b位于分离器2b和后仓3b之间。其具有带分离器2a之一共用的壁，而分离器2b具有带反应器1a共用的壁。
从图3中可以看到，氧化反应器1a由至少两个相同模块构成，因此包括至少两个相同的单元。其顶部大约在流化栅格30上面10m，通过带管子的分隔壁13a被分成多个部分，其中管子参与并形成分离器2a的入口外壳10a的一体部分。底部由单独一个部分构成。
转化反应器1b相对氧化反应器1a反转，它们的相应分离器2a和2b分别通过它们的带反应器1a和1b的共用壁11a和11b和通过带反应器1a和1b的壁14a和14b并置。
从图1、2和3中可以看到，壁是近似笔直的，因此在对齐的基本模块之间能够有共用壁11、12、13、14a、14b和30。所有的这些壁都被制成带有管子，从而能够在管子的冠部上使用约25-50mm的更薄的耐火炉衬。放热型氧化反应器1a通过沿着底部的和在外壳部分10a上的薄耐火炉衬得到保护，分离器2a和虹吸管5a也是这样。就吸热型转化反应器1b而言，在其整个高度上受到薄的隔热耐火层的保护，外壳10b、分离器2b和虹吸管5b也是这样。
后仓3a通过带分离器2a的共用壁21a和带后仓3a的共用壁30被并置。后仓3b还具有带转化反应器1b的共用壁12b。
可在图3和4中看到的外部床6被放置在氧化反应器1a的旁边且位于分离器2a的下方。它也可以被设在后仓3a的下方。它通过虹吸管5a给料。在氧化反应器1a中使用内部床(未示出)、顶部带管的分隔壁13a和内部交换器(未示出)使得能够在必要时最小化外部床尺寸，并因此减少其成本。实际上，内部流化和内部热交换器允许吸收千瓦功率。
现在我们将简要地描述带有双反应器(氧化和转化)的装置的功能。
这两个循环流化床反应器-氧化反应器1a和转化反应器1b-被连接在一起以允许在回路中被连续还原和氧化的携氧固体金属氧化物的交换。在转化反应器1b中被释放的氧气确保了引入所述反应器1b中的碳酸燃料的无氮燃烧。被再循环的CO2、SO2、H2O流化的来自转化反应器1b的燃烧产物(CO2、SO2、H2O)被以固体装载，其在分离器2b中被分离并经由虹吸管5b被重新引到反应器1a的底部。然后这些燃烧产物在后仓3b中被再次冷却，灰尘被移除，然后将它们转移到二氧化碳压缩机组中用于后续的存储。
离开转化反应器1b的处于还原状态的固体金属氧化物在经历了碳剥离或碳分离阶段7之后，然后被转移到氧化反应器1a中。
氧化反应器1a在空气中被流化，其与氧化物发生反应并将它们输送到氧化反应器1a的顶部，在此处，已去缺乏氧气的空气被装载在固体中，这些固体然后在在分离器2a中被分离，经由虹吸管5a被重新引入反应器1a的底部。缺乏氧气和去除了二氧化碳的这种空气在后仓3a中得到冷却，其中在后仓中灰尘被提取出来并通过常规烟道排放到大气中。
关于超过20兆瓦的超大型锅炉，由于包括有反应器、分离器和后仓的组件单元的热膨胀和在内部压力下供给反应器的传送带的过大尺寸，有必要使如在图3中被示出的某些壁-例如壁12b和壁30、14b和14a-为双层的。通过约800mm的壁间间隔使得整体结构稍微发生改变。
从图5中可以看到，能够用本发明来执行根据申请人的专利FR 2814 533的另一种二氧化碳捕获方法，其可以在约650摄氏度下被用在来自燃烧器炉膛100的烟尘流上。为了简化，相同的元件被给定带有“，”标记的相同参考。
在这种情况下，反应器1’a被用作包含在烟尘中的二氧化碳的CaO吸收器，所述CaO通过吸收二氧化碳而被碳酸化以取代前述示例的携氧金属氧化物。从反应器1’a中提取出来的固体(CaO、CaCO3、CaSO4)被传送到反应器1’b，在该反应器中所形成的碳酸盐被裂化。被释放的CO2同样被冷却、过滤和压缩。在床7’中被冷却至600摄氏度之后，在反应器1’b中被裂化的CaO被传送到反应器1’a中用于再捕获的二氧化碳。
以更详细的方式，这两个循环流化床反应器-吸收反应器1’a和裂化反应器1’b-被连接在一起以确保用作碳酸盐载体的钙化合物的交换，其中通过将燃料和稀释的氧气注入CO2中，在反应器1’a中升温至900摄氏度，在回路中连续地碳酸化和裂化所述钙化合物。被再循环的CO2/SO2/H2O和O2的混合物流化的来自转化反应器1’b的燃烧产物(CO2、SO2、H2O)被装载成固体，所述固体在分离器2’b中被分离，并经由虹吸管5’b被重新引入反应器1’a的底部。然后这些燃烧产物在后仓3’b中被冷却、去尘并传送到CO2压缩机组中用于后续储存。
然后，当离开转化反应器1’b的为CaO形式的钙化合物在冷却床7’中经历从约900摄氏度到约600摄氏度的冷却阶段后，被传送到吸收反应器1’a。
吸收反应器1’a被包含经受处理的CO2的烟尘流化，所述CO2与钙化合物反应并将它们传送到吸收反应器1’a的顶部。CO2贫乏的这些烟尘被装载成固体，这些固体被分离器2’a中被分离并经由虹吸管5’a被重新引入反应器1’a的底部。CO2贫乏的这些烟尘在后仓3’a中得到冷却，被除去灰尘，并在常规烟道中被排放到大气。

Claims (15)

1.一种循环流化床反应器，包括：
第一模块，所述第一模块具有放置在第一分离器(2，2b)和第一后仓(3，3b)之间的第一反应腔室(1，1b)；
第二模块，该第二模块具有放置在第二反应腔室(1，1a)和第二后仓(3，3a)之间的第二分离器(2，2a)；
由此第一反应腔室与第二分离器并排地放置，以及第二反应腔室与第一分离器并排地放置。
2.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于还包括：
联接第一反应腔室和第一分离器的第一加速外壳(10，10b)；和
联接第二反应腔室和第二分离器的第二加速外壳(10，10a)。
3.如权利要求2所述的循环流化床反应器，其特征在于：第一加速外壳(10，10b)至少部分地位于第一反应腔室(1，1b)的顶部，以及第二加速外壳(10，10a)至少部分地位于第二反应腔室(1，1a)的顶部。
4.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于：第一反应腔室(1，1b)具有与第二分离器(2，2a)共用的壁(14b)；以及第二反应腔室(1，1a)具有与第一分离器(2，2b)共用的壁(14a)。
5.如权利要求4所述的循环流化床反应器，其特征在于：第一反应腔室(1，1b)具有与第一分离器(2，2b)共用的壁(11，11a)；以及第二反应腔室(1，1a)具有与第二分离器(2，2a)共用的壁(11，11a)。
6.如权利要求5所述的循环流化床反应器，其特征在于：第一反应腔室(1，1b)具有与第一后仓(3，3b)共用壁(12，12b)，以及第二分离器(2，2a)具有与第二后仓(3，3a)共用壁。
7.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于：所述第一反应腔室(1，1b)为转化反应器模块的转化反应器，所述第二反应腔室(1，1a)为氧化反应器模块的氧化反应器。
8.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于：所述第一反应腔室(1，1b)为氧化反应器模块的氧化反应器，所述第二反应腔室(1，1a)为转化反应器模块的转化反应器。
9.如权利要求7所述的循环流化床反应器，其特征在于：氧化反应器模块包括具有相同结构的另一氧化反应器模块，由此所述具有相同结构的氧化反应器模块彼此相邻，从而所述具有相同结构的氧化反应器模块的氧化反应腔室彼此并排地放置，以及所述具有相同结构的氧化反应器模块的分离器彼此并排地放置。
10.如权利要求9所述的循环流化床反应器，其特征在于：
氧化反应器包括的模块至少两倍于转化反应器(1b)所包括的模块。
11.如权利要求8所述的循环流化床反应器，其特征在于：氧化反应器模块包括具有相同结构的另一氧化反应器模块，由此所述具有相同结构的氧化反应器模块彼此相邻，从而所述具有相同结构的氧化反应器模块的氧化反应腔室彼此并排地放置，以及所述具有相同结构的氧化反应器模块的分离器彼此并排地放置。
12.如权利要求11所述的循环流化床反应器，其特征在于：
氧化反应器包括的模块至少两倍于转化反应器(1b)所包括的模块。
13.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于：微粒通过第一分离器从第一反应腔室流到第二反应腔室且通过第二分离器从第二反应腔室流到第一反应腔室。
14.如权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于：第一模块和第二模块具有共用的壁(30)。
15.如权利要求1-14之一所述的循环流化床反应器，其特征在于：所述模块中的至少一个构成用于通过CaO的碳酸化而吸收包含在烟尘中的CO2的反应器(1a)，其它的模块构成用于裂化碳酸盐CaCO3的反应器(1b)。
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