CN101576253A

CN101576253A - 水平循环并行流化化学链燃烧装置

Info

Publication number: CN101576253A
Application number: CNA2009100312394A
Authority: CN
Inventors: 张海; 曹弘飞; 马建军; 李霁光; 叶碧翠; 刘雅棋; 卢平
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: CN101576253B

Abstract

本发明公开了一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，包括燃烧筒体，燃烧筒体的底部为布风板。在布风板分界线对向水平设置两喷嘴管，两喷嘴管的喷嘴设置方向相反；两封闭隔墙由横向封闭隔墙连为一体，形成之字形，将流化床燃烧装置筒体纵向分隔成两个完全独立且封闭的流化床反应器，每个流化床反应器的顶部各设有高温烟气出口；柱塞区矮隔墙与封闭隔墙和横向封闭隔墙一起构成两个柱塞区；在横向封闭隔墙的两端至流化床燃烧装置筒体侧壁设溢流矮隔墙。本发明装置，实现了空气反应器和燃料反应器一体式，强化了流化床内颗粒横向混合特性，延长了颗粒与燃料停留时间，杜绝了载氧剂“短路”的现象，解决了空气反应器和燃料反应间的气体泄露问题，提高燃烧反应效率。

Description

水平循环并行流化化学链燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，属于气固流化床燃烧反应器领域。

背景技术

随着工业生产的发展和人们生活水平的提高，煤、石油、天然气等物质燃烧释放的CO₂越来越多，成为越来越严重的温室效应的主要原因之一。化学链燃烧(Chemical Looping Combustion，CLC)是一种新型的无火焰燃烧方式，打破了传统的火焰燃烧概念，开拓了回收CO₂的新途径。CLC燃烧技术的原理如图1所示，它是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧反应借助于载氧剂(OxygenCarrier，OC)的作用分解为2个气-固反应：一方面利用载氧剂分离空气中的氧，另一方面载氧剂将分离的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧。这样，在空气反应器中实现O₂的分离，而燃料反应器中的产物只有CO₂和水蒸气，CO₂没有被空气中的N₂稀释，可以通过冷凝水蒸气的方法直接对CO₂进行回收利用，不需要额外的能量和常规的分离装置，从而提高了系统效率。另外，由于反应器温度相对较低，基本根除了热力型和快速型NO_x的产生。化学链燃烧技术就是洁净、高效的新一代燃烧技术，是解决能源与环境问题的创新性突破口。

目前，化学链燃烧技术的研究主要涉及载氧剂、反应器和化学链燃烧系统3个方面。2001年，Lyngfelt等人开发了一种用于化学链燃烧的串行流化床反应装置，该反应装置由两个相互联通的流化床组成：一个是高速提升管(空气反应器)，一个是低速鼓泡流化床(燃料反应器)。载氧剂在空气反应器内被氧化，经过旋风分离器被传递到燃料反应器，在燃料反应器内被还原，再通过回料阀被重新传到空气反应器。两个流化床反应器之间的气体泄漏问题通过固体颗粒回料阀来解决。不少学者在串行流化床化学链燃烧装置的基础上，开发了循环流化床反应装置，并设计了不同颗粒分离装置，以降低装置的系统阻力。尽管如此，目前开发的基于串行流化原理的CLC反应装置仍然存在系统结构复杂、造价昂贵、操作困难、两反应器的气体泄露问题无法根本解决等缺点。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术化学链燃烧装置所面临的系统结构复杂、运行操作困难、气体泄漏等问题，提供一种水平循环并行流化化学链燃烧装置。

水平循环并行流化化学链燃烧装置是基于传统的单区鼓泡流化床燃烧方法和装置，根据“并行流化、水平循环、强化燃烧、高效分离”的思路，通过在流化床中设置高低不同的隔墙，将一个较大截面的流化床分隔成两个柱塞区和两个独立的小流化床，其中一个为空气反应器，另一为燃料反应器。两个独立的流化床分别采用空气和CO₂作为流化介质进行并行且独立地流化，在每个独立流化的流化床中设置一定高度的隔板，通过载氧剂床面抛撒和溢流作用来调节和延长载氧剂在床内的停留时间。

本发明水平循环并行流化化学链燃烧装置，包括流化床燃烧装置筒体，流化床燃烧装置筒体的底部为布风板，其特征是：布风板平分为二，在布风板分界线对向水平设置两喷嘴管，喷嘴管的若干喷嘴水平设置，喷嘴的高度位于布风板的风帽顶部上下5～10cm间，两喷嘴管的喷嘴设置方向相反；在两喷嘴管的前方(以喷嘴的方向为前)分别设置与喷嘴管平行的封闭隔墙，封闭隔墙在与喷嘴管喷嘴对应位置设有若干引射孔；两封闭隔墙由横向封闭隔墙连为一体，形成之字形，封闭隔墙和横向封闭隔墙至流化床燃烧装置筒体顶盖，将流化床燃烧装置筒体纵向分隔成两个完全独立且封闭的流化床反应器，每个流化床反应器的顶部(流化床燃烧装置筒体顶盖)各设有高温烟气出口；在两喷嘴管的后方分别设置柱塞区矮隔墙，柱塞区矮隔墙的高度在0.6～1.2m之间；柱塞区矮隔墙的一个边连接流化床燃烧装置筒体侧壁，另一边连接横向封闭隔墙，与封闭隔墙和横向封闭隔墙一起构成两个柱塞区；在横向封闭隔墙的两端至流化床燃烧装置筒体侧壁设溢流矮隔墙，溢流矮隔墙的高度为0.6～1.2m；对应于各流化床反应器，在流化床燃烧装置筒体侧壁距布风板100～300mm的位置各设置载氧剂添加口，在布风板上各设置载氧剂(灰渣)排出口，以便于载氧剂的更换与补充，在燃烧固体燃料时还可以实现灰渣排放、载氧剂的分选与再循环使用。

本发明的特点：

1)基于并行流化、水平循环思路开发的新型化学链燃烧方法与装置，具有结构简单、运行操作简单的特点，较串行流化床更易大型化。

2)空气/燃料反应器矮隔墙的设置，改善了颗粒的混合特性，从根本上杜绝了反应器内载氧剂颗粒的“短路”现象，提高了燃烧反应效率。

3)采用气流引射技术和不同高度隔墙的组合设计，实现了载氧剂颗粒的在床内的横向迁移与水平循环。

4)通过改变引射风量和两个反应器矮隔墙的高度，可以方便地调节载氧剂颗粒的水平迁移量，因而适应各种特性的燃料和载氧剂，载氧剂颗粒与燃料在两区内反应更彻底；

5)水平循环并行流化反应装置中颗粒水平迁移和反应器上部二次风的设置，有利于保持下部密相区和上部稀相区温度的均匀分布，提高燃烧反应效率，并根本上杜绝了热力型NOx的产生。

附图说明

图1CLC燃烧技术的原理图

图2水平循环并行流化化学链燃烧装置系统示意图

图3水平循环并行流化化学链燃烧装置结构示意图(横剖面)

图4图3A-A剖面图

图5喷嘴管及喷嘴结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、2、3所示，水平循环并行流化化学链燃烧装置，包括流化床燃烧装置筒体100，流化床燃烧装置筒体的底部为布风板2。布风板2平分为二(2-1，2-2)，在布风板分界线对向水平设置两喷嘴管(3，10)，喷嘴管的若干喷嘴(301，1001)水平设置，喷嘴的高度位于布风板的风帽顶部上下5～10cm间，两喷嘴管的喷嘴设置方向相反其中喷嘴管3为空气进管，喷嘴管10为CO₂进管；在两喷嘴管的前方分别设置与喷嘴管平行的封闭隔墙(501，1201)，封闭隔墙在与喷嘴管喷嘴对应位置设有若干引射孔(502，1202)。两封闭隔墙由横向封闭隔墙(20)连为一体，形成之字形，封闭隔墙和横向封闭隔墙至流化床燃烧装置筒体顶盖6，将流化床燃烧装置筒体纵向分隔成两个完全独立且封闭的流化床反应器，每个流化床反应器的顶部(流化床燃烧装置筒体顶盖6)各设有高温烟气出口(13、13’)，其中：喷嘴管3的喷嘴301指向的流化床反应器为空气反应器4，喷嘴管10的喷嘴1001指向的流化床反应器为燃料反应器11；在两喷嘴管的后方分别设置柱塞区矮隔墙(503，1203)，柱塞区矮隔墙的高度在0.6～1.2m之间；柱塞区矮隔墙的一个边连接流化床燃烧装置筒体侧壁，另一边连接横向封闭隔墙，与封闭隔墙和横向封闭隔墙一起构成两个柱塞区(5，12)。在横向封闭隔墙的两端至流化床燃烧装置筒体侧壁设溢流矮隔墙(402，1102)，将反应器分成四个小流化区域(A、B和C、D)，溢流矮隔墙的高度为0.6～1.2m。所有隔墙均为耐火水泥预制板制成，宽度为60～120mm。对应于各流化床反应器(4，11)，在流化床燃烧装置筒体侧壁距布风板100～300mm的位置各设置载氧剂添加口(23，23’)，在布风板上各设置载氧剂/灰渣排出口(31，32)。以便于载氧剂的更换与补充，在燃烧固体燃料时还可以实现灰渣排放、载氧剂的分选与再循环使用。

对空气反应器11而言，空气由空压机1提供，经空气管道21分成2路，一路经空气反应器布风板2-1进入空气反应器4；另一路则进入燃料反应器柱塞区5内的喷嘴管3，作为引射空气。引射空气经喷嘴管3分配后，由喷嘴(为可调喷嘴)301射出，引射柱塞区5内的载氧剂颗粒，迫使载氧剂颗粒从封闭隔墙501上的引射孔502进入空气反应器4中小流化区域A的底部。引射空气的风量占空气反应器总流化风量的比例(体积比)为2％～5％。进入空气反应器内的空气与床内载氧剂颗粒(金属Me)发生氧化反应，生成金属MeO，反应完成后，以N₂，O₂为主要成分的高温烟气则由空气反应器高温烟气出口13流出，依次经过燃气透平7和余热锅炉8，分别获得动力和热量，降温后的烟气(N₂(O₂))直接排入大气。

对燃料反应器11而言，燃料由燃料反应器的底部(或侧面)加入，以CO₂和部分不凝气体为主的气体由经管道22分为两路，一路经燃料反应器11底部的布风板2-2进入燃料反应器11，另一路则进入位于空气反应器内的柱塞区12内的喷嘴管10。CO₂和不凝气体由气体管路22经喷嘴管10分配后，由喷嘴(为可调喷嘴)1002喷出，作为引射气体引射柱塞区12内载氧剂颗粒，迫使载氧剂颗粒从空气反应器封闭隔墙1201底部的引射孔1202进入燃料反应器11中C区的底部。喷嘴管12喷出的引射气体的引射风量占燃料反应器总流化风量的比例(体积比)为2％～5％。进入燃料反应器内的燃料与床内载氧剂颗粒(金属氧化物MeO)在流化风的作用下，发生还原反应，生成CO₂、H₂O和Me(金属)，反应后仅含有H₂O和CO₂的高温烟气由燃料反应器的高温烟气出口13’流出，依次经过燃气透平14和余热锅炉15，分别获得动力和热量，降温后的烟气(CO₂和H₂O))经冷凝压缩装置16除去冷凝水，并分离CO₂，部分CO₂和不凝气经管道22作为喷嘴装置循环风和燃料反应器的流化风循环使用。

在每个独立的流化床反应器中，流化风与反应器内载氧剂颗粒在流化状态下充分混合，分别完成氧化和还原反应，并将热量传递给载氧剂颗粒。载氧剂颗粒在柱塞区引射风的作用下，分别由柱塞区进入相应的流化床反应器，各反应器中溢流矮隔墙(402，1102)的设置，迫使进入反应器中的载氧剂颗粒通过床面抛撒和溢流作用进入相邻的流化区域，强化了反应器内载氧剂颗粒与流化风的混合作用，延长载氧剂和燃料的停留时间，并从根本上杜绝了载氧剂的“短路”现象，形成了载氧剂颗粒在反应器内沿路径A→B→12→C→D→5→A的循环，从而实现了载氧剂颗粒在流化床反应器中的并行流化与水平循环。

Claims

1、一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，包括流化床燃烧装置筒体(100)，流化床燃烧装置筒体的底部为布风板(2)，其特征是：布风板平分为二(2-1，2-2)，在布风板分界线对向水平设置两喷嘴管(3，10)，喷嘴管的若干喷嘴(301，1001)水平设置，喷嘴的高度位于布风板的风帽顶部上下5~10cm间，两喷嘴管的喷嘴设置方向相反；在两喷嘴管的前方分别设置与喷嘴管平行的封闭隔墙(501，1201)，封闭隔墙在与喷嘴管喷嘴对应位置设有若干引射孔(502，1202)；两封闭隔墙由横向封闭隔墙(20)连为一体，形成之字形，封闭隔墙和横向封闭隔墙至流化床燃烧装置筒体顶盖(6)，将流化床燃烧装置筒体纵向分隔成两个完全独立且封闭的流化床反应器，每个流化床反应器的顶部各设有高温烟气出口(13，13’)；在两喷嘴管的后方分别设置柱塞区矮隔墙(503，1203)；柱塞区矮隔墙的一个边连接流化床燃烧装置筒体侧壁，另一边连接横向封闭隔墙，与封闭隔墙和横向封闭隔墙一起构成两个柱塞区(5，12)；在横向封闭隔墙的两端至流化床燃烧装置筒体侧壁设溢流矮隔墙(402，1102)；

2、根据权利要求1所述一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，其特征是：所述柱塞区矮隔墙(503，1203)的高度在0.6～1.2m之间。

3、根据权利要求1所述一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，其特征是：所述溢流矮隔墙(402，1102)的高度为0.6～1.2m。

4、根据权利要求1、2或3所述一种水平循环并行流化化学链燃烧装置，其特征是：对应于各流化床反应器，在流化床燃烧装置筒体侧壁距布风板100～300mm的位置各设置载氧剂添加口(23，23’)，在布风板上各设置载氧剂/灰渣排出口(31，32)。