CN101699187B - 一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置，主要由燃料反应器、一级旋风分离器、料腿和空气反应器串联组成，所述燃料反应器的下部是大截面的混合室，上部是小截面的提升管，所述提升管的高度是所述混合室的高度的3倍以上。本发明还提供利用这种可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法。本发明中燃料反应器采用长停留时间的反应器结构，颗粒能形成内循环和提高气固湍流度，而空气反应器则采用移动流化床使运行平稳，热量能均匀释放，同时在床内设置热交换器，避免由于氧化反应热量大量集中释放而造成局部过热引起的结焦。燃料反应器和空气反应器均在压力下运行，以使设备紧凑，系统能量利用效率高和减少后续二氧化碳压缩能耗。

Description

一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置及分离方法

技术领域

本发明属于燃煤二氧化碳分离与减排领域，具体涉及一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置；本发明还涉及利用这种煤燃烧装置分离二氧化碳的方法。

背景技术

燃烧化石燃料(煤、石油及天然气)所排放的二氧化碳是造成全球变暖的主要原因，然而随着人们认识的不断深入，全球气候变暖对人类生存和社会发展产生的严重影响已引起了世界各国广泛关注，减少的控制二氧化碳的排放成为了当前全社会的共识。我国以煤为主的能源结构决定了减排二氧化碳将成为今后可持续发展的主要内容之一。

目前主流的二氧化碳减排技术主要有三种：燃后捕获、富氧燃烧和燃前捕获。存在的主要问题是减排成本太高，如后燃捕获的吸收剂再生，纯氧燃烧的制氧过程均需要消耗大量的能源。相关数据显示：后燃捕获和纯氧燃烧将消耗电站25-28％所产生的电力，发电成本增加30-40％；前燃捕获的整体煤气化联合循环技术也会使发电成本增加25％左右。造成以上减排成本高的主要原因如下：上述技术大都采用常规的煤燃烧技术，即以空气为氧化剂，一步氧化反应工艺路线，空气中存在的大量氮气进入烟气中，因此生成烟气中的二氧化碳浓度很低，仅占10-15％，导致二氧化碳的后续处理，包括浓缩提纯和压缩填埋的成本太高。

现有利用化学链燃烧可置换燃烧方式分离二氧化碳的方法，如中国专利03152977.1，200510040519.3和200710118134.3，上述三个专利中，采用的装置和方法具有如下不足：其一、上述专利采用细长的循环流化床作为空气反应器，采用高度较低的鼓泡流化床或喷动流化床作为燃料反应器；这种结构实际上是将处理气体燃料的思路照搬到处理煤中来，这在实际运行中是不合理的，因为煤要先进行煤气化反应变成气体燃料，然后再与氧载体发生还原反应，而在燃料反应器中发生的煤气化反应速度要比氧载体在空气反应器中的氧化反应低几个数量级，因此现有的燃料反应器结构不能满足整个系统反应的时间要求；其次，以上装置均在常压下运行，分离后的二氧化碳需进行后续压缩，能耗高；最后、氧载体是采用贵金属氧化物如氧化镍、氧化铜或氧化钴，或采用廉价的硫酸钙，贵金属氧化物虽然反应活性较好，但价格高，在实际运行中由于不可避免的跑损，要补充氧载体，会造成运行成本急剧上升；廉价的硫酸钙氧载体在反应过程中有二氧化硫析出的问题，造成环境问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可高效、低成本分离二氧化碳的煤燃烧装置，能够在无能量耗损的条件下实现二氧化碳的高效分离。

本发明的另一目的在于提供利用这种煤燃烧装置分离二氧化碳的方法

本发明的目的是这样实现的：一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置，主要由燃料反应器、一级旋风分离器、料腿和空气反应器串联组成，所述燃料反应器的下部是大截面的混合室，上部是小截面的提升管，所述提升管的高度是所述混合室的高度的3倍以上。

为了提高煤的处理能力，使得设备紧凑，降低后续二氧化碳压缩能耗，由所述燃料反应器、所述一级旋风分离器、所述料腿和所述空气反应器串联组成的整个系统都设置在一个压力壳内，系统中与外界相通的进口、出口穿过所述压力壳；所述压力壳上设置有充压阀和放压阀，来调节压力壳内的压力。

所述一级旋风分离器的烟气出口处设置有二级旋风分离器，二级旋风分离器上部是烟气出口，烟气(主要是二氧化碳和水蒸汽)通过压力壳排出，下部是颗粒出口，分离的颗粒再从一级旋风分离器侧面返回；所述一级旋风分离器的下端设置有一级气体密封阀，密封阀中部设防止气体反窜的密封隔板；所述一级气体密封阀的侧面设颗粒出口，与起密封作用的料腿连接，所述料腿下端出口设置在所述空气反应器的下部密相区内；所述空气反应器的中下部布置横向排列的热交换器，侧面设斜管与二级气体密封阀侧面连接，所述二级气体密封阀的另一侧面通过斜管与所述燃料反应器的混合室相连，阀内中部设置密封隔板；所述空气反应器上部是贫氧空气(气体中氧气量少于空气)，所述空气反应器的气体出口与气固分离装置相连，分离装置上部是清洁贫氧空气出口通过压力壳排出，下部是分离后颗粒从空气反应器下部侧面返回。本发明采用气体密封阀和旋风分离器料腿进行颗粒双密封，以防止燃料反应器和空气反应器的气体互窜。

煤进口设置在所述混合室的下部；氧载体进口设置在所述空气反应器的下部；所述提升管的下部设置氧载体补充口；所述混合室和所述空气反应器的底部设置有排渣口，排放灰渣和失活氧载体。

所述混合室采用低速湍流流化床方式运行；所述提升管采用快速床方式运行；所述空气反应器采用移动床流化床方式运行；所述氧载体为铁矿石。

本发明的另一目的是这样实现的，利用可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法，其利用廉价的铁基氧载体如氧化铁将传统的一次煤燃烧反应(即碳与氧气生成二氧化碳)分成二次反应在不同的反应器内进行，在燃料反应器出口获得高纯度的二氧化碳，从而高效低成本地实现二氧化碳分离，方法如下：

(一)、将煤输入到所述燃料反应器下部的混合室中，与氧载体铁矿石混合；向混合室的底部通入水蒸气，使其与加入的煤发生汽化反应，生成煤气(主要是一氧化碳和氢气)；生成的煤气再与氧载体发生氧化还原反应，氧载体(氧化铁)中的氧传递给煤气，一氧化碳被氧化成二氧化碳，氢气被氧化成水蒸汽，氧载体失去部分氧变成氧化亚铁或四氧化三铁；

(二)、失氧后的氧载体被所述燃料反应器中的烟气带出，经所述一级旋风分离器和所述二级旋风分离器分离后，气体(二氧化碳和水蒸汽)冷凝获得高纯度的二氧化碳，失氧后的氧载体经一级气体密封阀和料腿进入空气反应器中与空气中的氧气反应，氧化生成氧化铁，完成载氧过程；

(三)、重新载氧后的氧载体经二级气体密封阀返回燃料反应器，完成了一个循环。

氧载体在两个反应器的循环过程中也作为一种热载体，将空气反应器中氧化反应所放出的热量传递给燃料反应器，提供煤气化等吸热反应所需热量。

所述燃料反应器的温度控制在900-1000℃，所述空气反应器的温度控制在950-1050℃，空气反应器内温度高于燃料反应器，温度控制在50-100℃，温度控制手段为燃料反应器蒸汽量和空气反应器的热交换器的水量和空气量；所述燃料反应器与所述空气反应器二床间颗粒循环量采用二床间压差控制，压差控制在7500Pa-15000Pa。

整个装置系统集中在压力壳中，运行压力在0.5Mpa以上，压力的调节通过充压阀和放压阀实现，充压气体为氮气。

本发明采用双床反应器-燃料反应器和空气反应器和在双床间循环的氧载体，将煤与空气的一步燃烧反应分成二步反应进行，煤与蒸汽的气化反应及与氧载体的还原反应在燃料反应器进行，氧载体的氧化反应在空气反应器进行，两个床之间依靠氧载体进行热量传递。燃料反应器和空气反应器通过一、二级气体密封阀和充满颗粒的料腿进行密封，只允许两个反应器之间进行颗粒交换，防止气体渗透到对方的反应器中。燃料反应器和空气反应器中的气体从各自的出口排出，燃料反应器排出的气体只有二氧化碳和水蒸汽，水蒸汽经冷凝后就可得到高纯度的二氧化碳，实现无能量耗损的燃煤二氧化碳的分离。反应过程都是在压力下进行，以提高煤的处理能力，设备紧凑和降低后续二氧化碳压缩能耗。

煤从燃料反应器底部以二氧化碳为载气输送进入反应器，在反应器内被灼热的氧载体加热迅速升温，热解气化生成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气然后与氧载体反应生成二氧化碳和水蒸汽，失氧后的氧载体被烟气携带进入燃料反应器出口的旋风分离装置，分离后的氧载体经一级气体密封阀和料腿进入空气反应器，在反应器内与空气中的氧气反应完成载氧过程。再生后的氧载体经二级气体密封阀重新进入燃料反应器下部，形成稳定的氧载体循环。

本发明的有益效果为：

1、由于在燃料反应器中发生的煤气化反应和氧载体的还原反应的反应速度远低于氧载体在空气反应器中的氧化反应，为保证燃料反应器内的反应效率，本发明中燃料反应器分成二个部分，下部是矮胖的混合室，采用湍流床流型，以强化煤粒与氧载体的混合与加热过程，上部是细长的提升管，采用快速床流型，以形成气固的“环核”流动和颗粒内循环，强化煤气化反应和反应时间；空气反应器采用移动床流化床方式，增加反应的稳定性，防止空气向上进入燃料反应器的旋风分离系统，保证氧载体的分离与平稳进入空气反应器；

2、本发明中燃料反应器采用长停留时间的反应器结构，即反应空间变大，颗粒能形成内循环和提高气固湍流度，而空气反应器则采用移动流化床使运行平稳，热量能均匀释放，同时在床内设置热交换器，避免由于氧化反应热量大量集中释放而造成局部过热引起的结焦；

3、本发明采用廉价铁矿石为氧载体，很好地解决成本和环境的问题，发明人经过多次实践发现，澳大利亚和巴西含铁量高的铁矿石反应活性和氧化镍相当，是一种较理想的氧载体；

4、本发明整个系统加压后，可采取燃气蒸汽联合循环发电方式运行，其系统效率要比常压系统的蒸汽发电模式要高；加压装置在煤处理相同条件下，设备更为紧凑，降低设备的初投资；加压系统采用的前端压缩气量要比后端烟气压缩气量要小得多，能显著降低二氧化碳压缩填埋的能耗。

附图说明

图1为利用本发明可分离二氧化碳的煤燃烧装置反应的流程示意图。

图2为采用本发明可分离二氧化碳的煤燃烧装置实施二氧化碳分离的工艺流程图。

图中：1、燃料反应器，1-1、混合室，1-2、提升管，2、一级旋风分离器，3、二级旋风分离器，4、一级气体密封阀，5、料腿，6、二级气体密封阀，7、空气反应器，8、气固分离装置，9、压力壳，10、充压阀，11、放压阀，12、载氧体料罐，13、给料控制阀，14、输送喷射器，15、煤罐，16、二级燃料反应器气固分离装置，17、燃料侧飞灰罐，18、二级空气反应器气固分离装置，19、空气侧飞灰罐，20、烟气轮机，21、余热锅炉，22、冷却器，23、储水罐，24、蒸汽轮机，25、二氧化碳压缩机，26、空气压缩机。

具体实施方式

下面通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

如图1所示，一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置，主要由燃料反应器1、一级旋风分离器2、料腿5和空气反应器7串联组成，它采用两个独立的反应器：燃料反应器1和空气反应器7，燃料反应器下部是大截面的混合室1-1，上部是小截面的提升管1-2，提升管高度是混合室的3倍以上；

整个系统设置在一个压力壳9内，所述压力壳9上设置有充压阀10和放压阀11，用来调节压力壳9内的压力。

燃料反应器1侧面出口与一级旋风分离器2侧面入口连接，一级旋风分离器2上部为烟气出口与二级旋风分离器3的侧面连接，二级旋风分离器3上部是烟气出口，烟气(主要是二氧化碳和水蒸汽)，通过压力壳9离开旋风分离器，下部是颗粒出口，分离的颗粒再从一级旋风分离器2侧面返回；一级旋风分离器2下部接一级气体密封阀4，密封阀中部设防止气体反窜的密封隔板，侧面设颗粒出口与起密封作用的料腿5连接，料腿5下端出口设置在空气反应器7的下部密相区内；

空气反应器7中下部布置横向排列的热交换器，侧面设斜管与二级气体密封阀6侧面连接，密封阀的另一侧面通过斜管与燃料反应器1混合室1-1相连，阀内中部设置密封隔板；空气反应器上部是贫氧空气(气体中氧气量少于空气)出口与气固分离装置8相连，分离装置上部是清洁贫氧空气出口通过压力壳9离开分离装置，下部是分离后颗粒从空气反应器7下部侧面返回；

煤进口12设置在燃料反应器混合室1-1的下部，氧载体进口13设置在空气反应器7的下部，在燃料反应器提升管1-2的下部设置氧载体补充口14，在燃料反应器1的混合室1-1和空气反应器7底部设置排渣口15，排放灰渣和失活氧载体。

所述混合室1-1采用低速湍流流化床方式运行；所述提升管1-2采用快速床方式运行；所述空气反应器7采用移动床流化床方式运行；所述氧载体为铁矿石。

利用可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法如下：

(一)、将煤输入到所述燃料反应器1下部的混合室1-1中，与氧载体铁矿石混合；向混合室1-1的底部通入水蒸气，使其与加入的煤发生汽化反应，生成煤气(主要是一氧化碳和氢气)；生成的煤气再与氧载体发生氧化还原反应，氧载体(氧化铁)中的氧传递给煤气，一氧化碳被氧化成二氧化碳，氢气被氧化成水蒸汽，氧载体失去部分氧变成氧化亚铁或四氧化三铁；

(二)、失氧后的氧载体被所述燃料反应器1中的烟气带出，经所述一级旋风分离器2和所述二级旋风分离器3分离后，气体(二氧化碳和水蒸汽)冷凝获得高纯度的二氧化碳，失氧后的氧载体经一级气体密封阀4和料腿5进入空气反应器7中与空气中的氧气反应，氧化生成氧化铁，完成载氧过程；

(三)、重新载氧后的氧载体经二级气体密封阀6返回燃料反应器1，完成了一个循环。

氧载体在两个反应器的循环过程中也作为一种热载体，将空气反应器中氧化反应所放出的热量传递给燃料反应器，提供煤气化等吸热反应所需热量；

所述燃料反应器1的温度控制在900-1000℃，所述空气反应器7的温度控制在950-1050℃；所述燃料反应器1与所述空气反应器7二床间颗粒循环量采用二床间压差控制，压差控制在7500Pa-15000Pa；

整个装置系统集中在压力壳9中，运行压力在0.5Mpa以上，压力的调节通过充压阀10和放压阀11实现，充压气体为氮气。

实施例2

如图2所示，利用可分离二氧化碳的煤燃烧装置的发电系统，该系统由可分离二氧化碳的煤燃烧装置、灰渣除尘系统，煤和氧载体加料系统，烟气轮机20，蒸汽轮机24，空气压缩机26、二氧化碳压缩机25，余热锅炉21等组成。具体工作方式如下：

煤加入煤罐15中，给料阀13控制给煤量，再循环的二氧化碳作为输送气由输送喷射器气力输送到燃料反应器下部混合室1-1，煤粒采用0-2mm范围的小颗粒，以利于气力输送和煤气化反应。

煤颗粒进入混合室1-1后迅速与高温床料(主要是氧载体氧化铁)混合并加热至反应温度(850-950℃左右)，混合室气体状态速度控制在1-1.5m/s，处于湍流流化床流型区间，煤迅速脱除挥发份生成焦炭；

焦炭然后与从混合室1-1底部布风板进来的水蒸汽发生煤气化反应，生成一氧化碳和氢气，水蒸汽既是流化气起流化作用，又是气化反应介质，水蒸汽来自蒸汽轮机的抽气。气化产物一氧化碳和氢气随后与氧化铁发生氧化反应生成二氧化碳和水蒸汽，氧载体氧化铁被失氧还原成氧化亚铁或四氧化三铁，由于上述反应速度较慢，在混合室中仅有小部分发生了反应，尚未反应的焦炭和氧载体被蒸汽和产物气携带进入主反应区提升管1-2继续反应，提升管气体状态流速控制在2.5-3.5m/s，处于快速床流型，形成气固的“环核”流动-四周颗粒浓度高于中间，在管壁附近形成颗粒的内循环，以增加颗粒在床内的停留时间，保证反应的充分进行，使焦炭完全转化成二氧化碳。随后二氧化碳和蒸汽等烟气与失氧的氧载体进入燃料反应器一级旋风分离装置2和二级旋风分离装置3，将气体和颗粒进行分离。分离后的氧载体经一级气体密封阀4、料腿5进入空气反应器7，在空气反应器内氧化亚铁或四氧化三铁与从底部进入的流化空气中的氧气进行氧化反应，氧化成氧化铁，完成氧载体的再生，同时释放大量的热量，空气反应器运行在移动流化床区间，气体状态流速略低于颗粒的最小流化速度，保障床的运行平稳和热量均匀释放，床内还设置热交换器将部分释放的热量带走，空气反应器运行温度在950-1050℃，高于燃料反应器50-100℃，这样部分热量可通过氧载体带入到燃料反应器，提供燃料反应器内煤气化反应所需热量。重新载氧后的氧载体经二级气体密封阀进行燃料反应器的混合室，氧载体循环的主要动力是两个反应器的压力差，压差控制在7500Pa-15000Pa。氧载体(铁矿石)通过与加煤系统类似的装置气力输送至空气反应器底部，此外还在提升管下部设有新鲜氧载体的补充口，一方面是补充因失活或跑损而减少的氧载体，另一方面可调节提升管的颗粒浓度以形成气固的“环核”流动。以上过程均在压力下进行，运行压力在0.5MPa以上，视下游烟气轮机的配置而定，压力的调节通过充压阀10和放压阀11实现，充压气体为氮气。

燃料反应器和空气反应器均设有气体出口。燃料反应器出口烟气在二级燃料反应器气固分离装置16深入脱除烟气中的细小飞灰，飞灰被储存于飞灰罐17中，高温高压清洁烟气去烟气轮机20做功发电；空气反应器出口的高温高压贫氧空气也经过二级空气反应器气固分离装置18进一步除尘后，清洁气体进入烟气轮机20发电，飞灰进入储存罐19。烟气轮机的500℃左右的排气，包括烟气和贫氧空气进入余热锅炉21进一步回收能量，余热锅炉中间设置分隔板以防止烟气和贫氧空气互混。余热锅炉产生的蒸汽与空气反应器中热交换器产生的蒸汽一同进入蒸汽轮机24做功发电，从余热锅炉出来的烟气进入冷却器22，烟气中的水蒸汽冷却变成水储存在储水罐23中，获得的高纯度的二氧化碳经压缩机25后大部分去填埋，一小部分将作为煤和氧载体的输送风；余热锅炉出口的贫氧空气则直接排入大气。燃料反应器的流化气体，第一、二级气体密封阀的流化气体均来自蒸汽轮机的高压蒸汽；空气反应器的流化气是来自空气压缩机26的高压空气。在燃料反应器和空气反应器底部设置了排渣口，排出灰渣和部分失活的氧载体，以维持床内的物料平衡和反应床高。

Claims (7)

1.一种可分离二氧化碳的煤燃烧装置，主要由燃料反应器(1)、一级旋风分离器(2)、料腿(5)和空气反应器(7)串联组成，其特征在于：所述燃料反应器(1)的下部是大截面的混合室(1-1)，上部是小截面的提升管(1-2)，所述提升管(1-2)的高度是所述混合室(1-1)的高度的3倍以上；

由所述燃料反应器(1)、所述一级旋风分离器(2)、所述料腿(5)和所述空气反应器(7)串联组成的整个系统都设置在一个压力壳(9)内，系统中与外界相通的进口、出口穿过所述压力壳(9)；所述压力壳(9)上设置有充压阀(10)和放压阀(11)。

2.根据权利要求1所述的可分离二氧化碳的煤燃烧装置，其特征在于：所述一级旋风分离器(2)的烟气出口处设置有二级旋风分离器(3)；所述一级旋风分离器(1)的下端设置有一级气体密封阀(4)；所述一级气体密封阀(4)的侧面设颗粒出口，与起密封作用的料腿(5)连接，所述料腿(5)下端出口设置在所述空气反应器(7)的下部内；所述空气反应器(7)的中下部布置横向排列的热交换器，侧面设斜管与二级气体密封阀(6)侧面连接，所述二级气体密封阀(6)的另一侧面通过斜管与所述燃料反应器(1)的混合室(1-1)相连；所述空气反应器(7)的气体出口与气固分离装置(8)相连。

3.根据权利要求1或2所述的可分离二氧化碳的煤燃烧装置，其特征在于：煤进口设置在所述混合室(1-1)的下部；氧载体进口设置在所述空气反应器(7)的下部；所述提升管(1-2)的下部设置氧载体补充口；所述混合室(1-1)和所述空气反应器(7)的底部设置有排渣口。

4.根据权利要求3所述的可分离二氧化碳的煤燃烧装置，其特征在于：所述混合室(1-1)采用低速湍流流化床方式运行；所述提升管(1-2)采用快速床方式运行；所述空气反应器(7)采用移动床流化床方式运行；所述氧载体为铁矿石。

5.利用权利要求1所述的可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法，其特征在于：

(一)、将煤输入到所述燃料反应器(1)下部的混合室(1-1)中，与氧载体铁矿石混合；向混合室(1-1)的底部通入水蒸气，使其与加入的煤发生汽化反应，生成煤气；生成的煤气再与氧载体发生氧化还原反应，氧载体中的氧传递给煤气，一氧化碳被氧化成二氧化碳，氢气被氧化成水蒸汽，氧载体失去部分氧变成氧化亚铁或四氧化三铁；

(二)、失氧后的氧载体被所述燃料反应器(1)中的烟气带出，经所述一级旋风分离器(2)和所述二级旋风分离器(3)分离后，气体冷凝获得高纯度的二氧化碳，失氧后的氧载体经一级气体密封阀(4)和料腿(5)进入空气反应器(7)中与空气中的氧气反应，氧化生成氧化铁，完成载氧过程；

(三)、重新载氧后的氧载体经二级气体密封阀(6)返回燃料反应器(1)。

6.根据权利要求5所述的利用可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法，其特征在于：所述燃料反应器(1)的温度控制在900-1000℃，所述空气反应器(7)的温度控制在950-1050℃；所述燃料反应器(1)与所述空气反应器(7)二床间颗粒循环量采用二床间压差控制，压差控制在7500Pa-15000Pa。

7.根据权利要求5或6所述的利用可分离二氧化碳的煤燃烧装置分离二氧化碳的方法，其特征在于：整个装置系统集中在压力壳(9)中，运行压力在0.5Mpa以上，压力的调节通过充压阀(10)和放压阀(11)实现，充压气体为氮气。

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