CN101975395B - 一种用于煤基化学链过程的双循环流化床装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤利用技术领域，涉及一种用于煤基化学链过程的双循环环流化床装置，在高温下进行反应后的煤灰、还原态载氧体和生成的气体由旋风分离器分离，气体经冷却得到纯净的CO2或合成气；旋风分离器得到的还原态载氧体进入物料储存器，通过控制阀调节使还原态载氧体进入氧化反应器，在氧化反应器中还原态载氧体和空气在高温下反应得到氧化态载氧体；氧化态载氧体通过旋风分离器分离得到并进入物料储存器，通过控制阀经由螺旋进料器使氧化态载氧体进入还原反应器；如此反复循环完成煤的燃烧或煤炭制合成气过程；其结构新颖简单，操作使用方便，节省能源，反应效果好，制气量高。
Description
技术领域：
本发明属于煤清洁高效利用设备技术领域，涉及一种煤基化学链过程的双循环环隙流化床装置，适用于煤等固体燃料化学链过程中制备合成气或燃烧场合。
背景技术：
化学链技术(Chemical-Looping technology)为能源的清洁高效利用提出了一种新思路，该技术无需消耗额外能量即可实现CO2的内分离；能够实现能量的梯级利用，使系统的总热效率得到提高；同时还可以控制热力型和燃料型NOx生成。因此化学链技术是解决能源利用与环境问题的关键技术之一。化学链技术的原理就是利用化学媒介(固体颗粒)将给定的化学反应分解为几个化学反应，其中化学媒介可以进行化学反应和再生；例如化学链燃烧过程中，该系统含有两个反应器：空气反应器和燃料反应器，在燃料反应器内载氧体(一般为金属氧化物)与燃料发生还原反应，并吸收热量，还原态的载氧体颗粒回到空气反应器与空气中的氧气发生氧化反应，放出热量；两个反应的总反应即为传统燃烧反应，在两反应器中热量的代数和就是燃料进行传统燃烧时放出的热量。由于该燃烧形式把一步化学反应转变成了两步化学反应来完成，实现了能量的梯级利用，提高了能源利用率；特别是从燃料反应器内排出的CO2和水蒸气可以直接通入冷凝器被冷却，在不需要额外消耗能量的情况下，把水蒸气冷凝成液态水，分离出高浓度的CO2，便于进行下一步对CO2的回收和处理；在燃烧过程中，燃料不与氧气直接接触，避免了燃料型NOx的生成，当燃烧温度低于1500℃时，热力型NOx生成极少，而空气反应器中的温度较低，因而可以控制热力型NOx的生成。目前，传统的化学链燃烧反应器一般为双循环流化床反应器，主要由一个低速鼓泡流化床组成的还原反应器和一个快速流化床组成的氧化反应器组成，这些反应器一般是通过旋风分离器和流动密封阀控制调节循环物料的流量，现有的这些反应器普遍存在着流动密封阀操作复杂，结构原理和工艺过程繁琐，控制自动化程度不高，反应器之间的热传递利用率低，节能效果不佳等缺点。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制备一种基于煤基化学链过程的双循环流化床装置，为化学链技术提供一种能量利用更加合理，结构简单，运行稳定的环隙双循环流化床反应器，使载氧体在空气反应器中的氧化反应为放热反应，在还原反应器中的还原反应为吸热反应，采用环隙流化床结构，更加有效地利用两个反应器的热量，采用普通的控制阀完成物料的循环利用。
为了实现上述目的，本发明的功能结构包括氧化反应器气体预分布室、还原反应器气体预分布室、氧化反应区、还原反应区、气固分离区；主体结构包括氧化反应器、还原反应器、旋风分离器、螺旋进料器、物料储存器、控制阀、气体预分布板和不同射流角度的射流管；整个反应在高温下进行反应，反应后的煤灰、还原态载氧体和生成的气体由第二和第三旋风分离器分离，气体经冷却得到纯净的CO2或合成气；第二旋风分离器得到的还原态载氧体进入第一物料储存器，通过第一控制阀调节使还原态载氧体进入氧化反应器，在氧化反应器中还原态载氧体和空气在高温下反应得到氧化态载氧体；氧化态载氧体通过第一旋风分离器分离得到并进入第二物料储存器，通过第二控制阀经由螺旋进料器使氧化态载氧体进入还原反应器；如此反复循环完成煤的燃烧或煤炭制合成气过程；还原反应器和氧化反应器设计成环隙结构，还原反应器内腔中心处竖向分隔为还原反应区和空气反应区，倒台柱筒式的还原反应器和氧化反应器底部分别制有气体预分布板，还原反应器底端侧处制有不同倾角的射流管，射流管上部的还原反应器侧面壁上制有螺旋进料器；载氧体和煤等固体燃料由螺旋进料器加入还原反应器，还原反应器扩大段侧通过管道连通第二旋风分离器分离载氧体和煤灰；第二旋风分离器顶端通过管道连通第三旋风分离器，达到分离煤灰和CO2或合成气的目的，第二旋风分离器底端制有第一物料储存器，并且经过第一控制阀通过管道与内环的氧化反应器相连；氧化反应器顶端通过管道连通第一旋风分离器，第一旋风分离器底端制有第二物料储存器，并通过第二控制阀控制进入螺旋进料器载氧体的量；氧化反应器和还原反应器设计为环隙结构，内环为氧化反应器，外环为还原反应器，氧化反应器与还原反应器为同轴圆环形设计；整个装置由不锈钢材料制成；环隙结构最大程度地利用氧化反应器释放的热量提供给还原反应器；还原反应器外部设计有加热装置来调节两个反应器所利用的热量，使整个装置一体化，有效利用空间，两个反应器分别通过第一、第二旋风分离器和第一、第二控制阀完成载氧体在两反应器中循环再生；本发明用作煤炭固体燃料的化学链燃烧或煤炭等固体燃料的化学链制备合成气等工艺过程，载氧体和煤炭的质量比例不同，所用的载氧体包括金属载氧体和CaSO4载氧体，金属载氧体包括NiO和Fe2O3及其矿石。
本发明涉及的氧化反应器为快速流化床，流化介质为空气，操作温度为950℃～1200℃，操作压力为常压，环形的还原反应器为鼓泡流化床，流化介质采用CO2和/或水蒸气，操作温度在800～1000℃，操作压力为1～3atm；还原反应器为环形，为改善其内部载氧体和煤炭颗粒的流化特性，还原反应器底部分布板以上5cm处设计有不同角度的射流管，射流管角度为30°、45°、60°和90°，其中30°和90°的射流管分别分布在鼓泡流化床对侧，45°和60°射流管分别分布在鼓泡流化床对侧，四个角度的射流管均分布制在分布板以上5cm。
本发明与现有技术相比，一是采用环隙双流化床装置，使热量利用更加合理；氧化反应器反应生成的热量直接被用为还原反应器提供热量，节省能源；二是操作简单，省去了流动密封阀的复杂操作，空间的布置更加精简，使制备合成气的工艺更简单一体化；三是还原反应器设计有不同角度的射流管，可以改善环形的还原反应器中颗粒流化特性。
附图说明：
图1是本发明装置的主体结构原理示意图，其中A为空气口，B为氮气口，C为CO2和水蒸气或CO、H2的合成气口，D为水蒸气或CO2口，E为煤灰出口。
图2为本发明涉及的环形射流管设计分布结构原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图并通过实施例做进一步说明。
实施例：
本实施例的主体功能结构包括氧化反应器气体预分布室I、还原反应器气体预分布室II、氧化反应区III、还原反应区IV、气固分离区V；主体结构包括还原反应器1，氧化反应器2，第一、第二和第三旋风分离器3、4和5，螺旋进料器8，气体预分布板6和7，第一和第二物料储存器9和10，第一和第二控制阀11和12，射流管13、14、15和16；倒台柱筒式的还原反应器1和氧化反应器2底部分别制有气体预分布板6和7，还原反应器底端侧处制有不同倾角的射流管13，射流管13上部的还原反应器1侧面壁上制有螺旋进料器8；还原反应器1内腔中心处竖向分隔为还原反应区IV或氧化反应器2，还原反应区IV底部通过第一控制阀11分别与第一物料储存器9和第二旋风分离器4管道连通，第二旋风分离器4顶端管道式通向第三旋风分离器5；氧化反应器2的顶端一侧通过管道连通第一旋风分离器3，第一旋风分离器3的下端部管道连通式制有第二物料储存器10，第二物料储存器10的下端部制有第二控制阀12；按照煤过量的煤和载氧体比例混合好的物料由螺旋进料器8进入还原反应器1，水蒸气和/或CO2做流化介质进入还原反应器气体预分布室II，然后通过气体预分布板6使物料进行流化，充分反应后生成的气体通过第二旋风分离器4上端出口C经冷凝得到CO/H2高品质合成气或者高纯度的CO2；第二旋风分离器4下部得到的固体是还原态载氧体，第三旋风分离器5下部的煤灰出口E得到煤灰；还原态载氧体经第二物料储存器9和第一控制阀11进入氧化反应器2，还原态载氧体在氧化反应器2中被快速氧化为氧化态载氧体，还原态载氧体重新获得氧，氧化反应器2中空气做流化介质进入还原反应器气体预分布室II，然后通过气体预分布板7进行还原态载氧体流化；氧化态载氧体经第一旋风分离器3的分离进入第二物料储存器10，再次进入还原反应器1，载氧体完成一个氧化还原循环；经过第一旋风分离器3上部的氮气口B排出气体N2，四个不同射流角度的射流管13、14、15和16可以改善还原反应器1中的颗粒流化特性。本实施例的氧化反应器操作温度为950℃～1200℃，流化介质为空气，操作压力为常压，环形的还原反应器操作温度在800～1000℃，流化介质采用CO2和/或水蒸气，操作压力为常压。
本实施例的氧化反应器2的规格为Φ60×1000m，其中扩大段的直径为100mm；还原反应器1的规格为Φ120×500mm；扩大段直径Φ150mm；气体预分布板6和7的开孔率均为0.94％，小孔直径Φ1mm，上面铺有一层300目的耐高温防漏网。
本实例采用水蒸气作为还原反应器1的流化介质，物料为CaSO4载氧体和神木煤，按照CaSO4和神木煤含碳量的质量比为1∶2取物料120g，由螺旋进料器8进入还原反应器1，从旋风分离器5上部得到的经冷凝后的气体为95％的CO2气体。
Claims (4)
1.一种用于煤基化学链过程的双循环流化床装置，其特征在于功能结构包括氧化反应器气体预分布室、还原反应器气体预分布室、氧化反应区、还原反应区、气固分离区；主体结构包括氧化反应器、还原反应器、旋风分离器、螺旋进料器、物料储存器、控制阀、气体预分布板和不同射流角度的射流管；在高温下进行反应后的煤灰、还原态载氧体和生成的气体由第二和第三旋风分离器分离，气体经冷却得到纯净的CO2或合成气；第二旋风分离器得到的还原态载氧体进入第一物料储存器，通过第一控制阀调节使还原态载氧体进入氧化反应器，在氧化反应器中还原态载氧体和空气在高温下反应得到氧化态载氧体；氧化态载氧体通过第一旋风分离器分离得到并进入第二物料储存器，通过第二控制阀经由螺旋进料器使氧化态载氧体进入还原反应器；如此反复循环完成煤的燃烧或煤炭制合成气过程；还原反应器和氧化反应器设计成环隙结构，还原反应器内腔中心处竖向分隔为还原反应区和空气反应区，倒台柱筒式的还原反应器和氧化反应器底部分别制有气体预分布板，还原反应器底端侧处制有不同倾角的射流管，射流管上部的还原反应器侧面壁上制有螺旋进料器；载氧体和煤固体燃料由螺旋进料器加入还原反应器，还原反应器扩大段侧通过管道连通第二旋风分离器分离载氧体和煤灰；第二旋风分离器顶端通过管道连通第三旋风分离器，达到分离煤灰和CO2或合成气的目的，第二旋风分离器底端制有第一物料储存器，并且经过第一控制阀通过管道与内环的氧化反应器相连；氧化反应器顶端通过管道连通第一旋风分离器，第一旋风分离器底端制有第二物料储存器，并通过第二控制阀控制进入螺旋进料器载氧体的量；氧化反应器和还原反应器为同轴圆环形设计，内环为氧化反应器，外环为还原反应器；整个装置由不锈钢材料制成；环隙结构利用氧化反应器释放的热量提供给还原反应器；还原反应器外部设计有加热装置来调节反应器用的热量，两个反应器分别通过第一、第二旋风分离器和第一、第二控制阀完成载氧体在两个反应器中循环再生；所用的载氧体包括金属载氧体和CaSO4载氧体，金属载氧体包括NiO和Fe2O3及其矿石。
2.根据权利要求1所述的用于煤基化学链过程的双循环流化床装置，其特征在于涉及的氧化反应器为快速流化床，流化介质为空气，操作温度为950℃～1200℃，操作压力为常压，环形的还原反应器为鼓泡流化床，流化介质采用CO2和/或水蒸气，操作温度在800～1000℃，操作压力为1～3atm；还原反应器为环形，为改善其内部载氧体和煤炭颗粒的流化特性，还原反应器底部分布板以上5cm处设计有不同角度的射流管，射流管角度为30°、45°、60°和90°，其中30°和90°的射流管分别分布在鼓泡流化床对侧，45°和60°射流管分别分布在鼓泡流化床对侧。
3.根据权利要求1所述的用于煤基化学链过程的双循环流化床装置，其特征在于氧化反应器的规格为Φ60×1000m，其中扩大段的直径为100mm；还原反应器的规格为Φ120×500mm；扩大段直径Φ150mm；气体预分布板的开孔率为0.94％，小孔直径Φ1mm，上面铺有一层300目的耐高温防漏网。
4.根据权利要求1所述的用于煤基化学链过程的双循环流化床装置，其特征在于采用水蒸气作为还原反应器的流化介质，物料为CaSO4载氧体和神木煤，按照CaSO4和神木煤含碳量的质量比为1∶2取物料，由螺旋进料器进入还原反应器，从旋风分离器上部得到的经冷凝后的气体为CO2气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |