CN101981376B - 使用用于燃烧含碳物料的设备的方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用在其中循环有至少一种氧化物的设备的方法，所述至少一种氧化物在两个反应器(1，4)中的每一个中被还原然后被氧化，该设备包括被磨碎的固体燃料(E1)和氧化物(E2)进入其中的用于还原氧化物的反应器(1)；接收来自所述用于还原氧化物的反应器(1)的夹带固体的较低效率分离装置(2)，所述较低效率分离装置(2)的固体的上部流被循环到较高效率分离装置(6)内，以便从气体中分离固体并将固体再引入所述用于还原氧化物的反应器(1)中；碳分离器(3)，该碳分离器安装在所述较低效率分离装置(2)的出口处，以便将含碳颗粒送入所述用于还原氧化物的反应器(1)中并将氧化物送入用于使氧化物氧化的反应器(4)中；以及接收来自所述用于使氧化物氧化的反应器(4)的夹带固体的分离装置(5)。根据本发明，所述进入的固体燃料(E1)的平均颗粒直径被控制成比所述进入的氧化物(E2)的平均颗粒直径至少小两倍。

Description

使用用于燃烧含碳物料的设备的方法及相关设备
技术领域
本发明涉及一种使用用于燃烧含碳固体物料以产生电能和/或蒸汽的设备的方法及相关设备。所述固体物料可为诸如煤的化石燃料，例如，废料或生物质，它们被喷射到诸如流化床燃烧室之类的燃烧室内。
背景技术
专利文献FR2850156描述了这种用于燃烧含碳物料的设备。该设备包括用于还原氧化物的反应器、第一旋流器、用于使氧化物氧化的反应器、第二旋流器、用于控制循环的氧化物的温度的交换器、以及用于烟气热回收的交换器。在设备中对在两个反应器中还原然后氧化的氧化物进行循环。根据该现有技术，固体可燃物料在进入氧化物还原反应器之前被磨碎/碾碎，对于煤而言，平均颗粒直径小于500μm。氧化物通过与燃料接触而被还原，其中该燃料和由氧化物释放的氧反应，然后通过与使氧化物再生的空气相接触而被氧化。氧化物的颗粒尺寸范围为从50μm至500μm，密度为从2000kg/m3至7000kg/m3。
事实上，由于粉碎工艺和流体动力学的原因，在传统的流化床燃烧室中进入的煤颗粒的平均直径约为300μm。这导致循环的颗粒的直径约为150μm。
这种在大气压力下工作、具有集成的二氧化碳捕获(功能)的用于燃烧含碳固体物料类型的设备不需要任何预先的空气分离。由于该系统的简单性和紧凑性，在提供用于产生电能的蒸汽的同时可降低捕获二氧化碳的成本。
在与还原反应器相关联的第一旋流器的出口处的固体颗粒(其包括氧化物颗粒和含碳残渣)经过密封罐，然后被引向用于去除含碳残渣的装置。该去除装置被蒸汽流化。通过该流化，诸如含碳残渣的细小和轻的颗粒可被分离并再次引入到还原反应器中，而密度较大的和(尺寸)较大的氧化物颗粒被朝向氧化反应器传递。
作为分离器的去除装置包括形成有壁的内部隔板，该壁与分离器的顶部成一体，并且在分离器的底部留出流动空间，该隔板在流化固体的通道上形成两个隔室，在这两个隔室之间通过流化固体的高度提供压力密封。每个隔室的流化通过两个蒸汽入口独立地控制，以便获得用于在第一隔室中分离氧化物和含碳残渣以及将氧化物传递到第二隔室内所需要的速度场。在第一隔室上方，排放口将被蒸汽带走的含碳残渣带回还原反应器。
此分离器是该设备中的碳屏障，该碳屏障对于捕获二氧化碳是不可缺少的，二氧化碳是应当受到排放限制的温室气体。
专利文献WO2007/113016的目的是通过改进这种分离器来增加该屏障的产量。借助于该文献中所描述的固体分离器，分层(segregation)现象增强，同时增加了用于在第一隔室中处理固体物料的时间，并使分离器保持有限尺寸。
发明内容
本发明的目的是改进这种设备，以获得含碳残渣和氧化物的更容易的分离，并且确保没有含碳残渣被送入用于使氧化物氧化的反应器。此目的通过使用非常规的煤颗粒尺寸以便导致对碳分离器的较低效率需求并然后实现二氧化碳捕获来实现。
为此，本发明涉及一种使用在其中对至少一种氧化物进行循环的设备的方法，所述至少一种氧化物在两个反应器中的每一个中被还原然后被氧化，该设备包括：被磨碎的固体燃料和氧化物进入其中的用于还原氧化物的第一反应器；接收来自所述用于还原氧化物的反应器的夹带固体的较低效率分离装置，该较低效率分离装置的固体的上部流被循环到较高效率分离装置内，以便从气体中分离固体并将固体再引入所述用于还原氧化物的反应器中；碳分离器，该碳分离器安装在所述较低效率分离装置的出口处，以便将含碳颗粒送入所述用于还原氧化物的反应器中并将氧化物送入用于使氧化物氧化的反应器中；以及接收来自所述用于使氧化物氧化的反应器的夹带固体的分离装置，该方法的特征在于，所述进入的固体燃料的平均颗粒直径被控制成比所述进入的氧化物的平均颗粒直径小至少两倍。
固体燃料优选地为煤。
所述氧化物可为金属氧化物。所述氧化物也可为石灰石。
所述金属氧化物可基于铁、镍、铝或者它们的混合物。
固体燃料颗粒尺寸的减小允许更完全和更快速的燃烧。用于还原氧化物的反应器可因此具有较小尺寸。
有利地，进入的固体燃料的平均颗粒直径等于约50μm。
分离装置的效率为通过该装置收集的颗粒量与该装置入口处的固体量的比。
本发明还涉及一种用于实施根据本发明的方法的设备，其特征在于，该设备包括：被磨碎的固体燃料和氧化物进入其中的用于还原氧化物的反应器；接收来自所述用于还原氧化物的反应器的夹带固体的较低效率分离装置，该较低效率分离装置的固体的上部流(即最细小的颗粒的出口)被循环到较高效率分离装置内，以便从气体中分离固体并将固体再引入所述用于还原氧化物的反应器中；碳分离器，该碳分离器安装在所述较低效率分离装置的出口处，以便将含碳颗粒送入所述用于还原氧化物的反应器中并将氧化物送入用于使氧化物氧化的反应器中；以及接收来自所述用于使氧化物氧化的反应器的夹带固体的分离装置。
根据一优选实施例，该较低效率分离装置具有这样的效率，即使得从该较低效率分离装置逸出的最细小颗粒馏分(部分，fraction)的平均颗粒直径约等于所述进入的固体燃料的平均颗粒直径。
优选地，该较高效率分离装置为分离旋流器。
优选地，该较低效率分离装置为分离旋流器。它也可以是通过冲击(起作用)的机械分离器。
所述设备可包括设置在所述较低效率分离装置和所述较高效率分离装置之间的固体冷却装置。
附图说明
下面结合附图对本发明进行更详细的描述，该附图仅示出本发明的优选实施例。
图1是根据本发明的设备的示意图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的用于燃烧含碳固体物料以便产生电能和/或蒸汽的设备(在该设备中对至少一种氧化物、优选地氧化物的混合物、有利地金属氧化物进行循环，所述氧化物被还原然后被氧化)包括被磨碎的固体燃料E1和氧化物E2进入其中的用于还原氧化物的反应器1、供给来自用于还原氧化物的反应器1的夹带固体的低效率分离旋流器2、安装在此低效率分离旋流器2的出口处以便将含碳颗粒送入用于还原氧化物的反应器1并将氧化物送入反应器4(该反应器4被空气13流化，用于使氧化物氧化)的碳分离器3、以及接收来自用于使氧化物氧化的反应器4的夹带固体的分离旋流器5。
所述设备包括两个包含用于烟气和用于空气的回收交换器的后部通道(backpass)11、12，每个后部通道专用于反应器中的一个。
根据本发明，控制进入的固体燃料E1的平均颗粒直径小于进入的氧化物E2的平均颗粒直径，更精确地，进入的固体燃料E1的平均颗粒直径比进入的氧化物E2的平均颗粒直径至少小两倍。
有利地，进入的固体燃料E1的平均颗粒直径等于约50μm，并且该固体燃料优选地为煤。
通过蒸汽和被回收的烟气的混合物A1流化用于还原氧化物的反应器1。在用于还原氧化物的反应器1中还原后，氧化物进入低效率分离旋流器2，在该低效率分离旋流器中，固体氧化物颗粒与含碳残渣以及包含CO2、SO2和蒸汽的燃烧气体分离。
根据本发明，分离旋流器2是低效率旋流器，并且所述设备包括其它的高效率分离装置6，高效率分离装置6连接在该低效率分离旋流器2的上部出口处并优选地也为分离旋流器。
低效率分离旋流器2具有这样的效率，即使得从该低效率分离旋流器2逸出的上部流的平均颗粒直径约等于进入的固体燃料E1的所述平均颗粒直径，即等于约50μm。
在低效率分离旋流器2和高效率分离旋流器6之间设置有固体冷却装置10。
飞灰和燃烧气体之后进入位于旋流器2和6下游的容纳在后部通道11内的热交换器。
离开低效率分离旋流器2的主要包括氧化物的固体进入密封罐8，来自密封罐8的第一部分被供给到用于还原氧化物的反应器1，第二部分被供给到用于使含碳残渣分离的碳分离器3。可通过蒸汽和/或被回收的烟气流化密封罐8。
通过蒸汽和/或被回收的烟气流化碳分离器3，该碳分离器3分离出诸如含碳残渣的细小的和轻的颗粒，这些颗粒被供给到用于还原氧化物的反应器1，而密度较大的和(尺寸)较大的氧化物颗粒被供给到用于氧化的反应器4。优选地，碳分离器3为在专利文献WO2007/113016中所描述的类型的分离器。
在用于使氧化物氧化的反应器4中氧化后，氧化物和废气进入旋流器5，在旋流器5中，固体氧化物颗粒与主要包括N2和O2的气体分离。
从旋流器5的底部提取的固体氧化物颗粒进入密封罐9，来自密封罐9的第一部分被输送到用于使氧化物氧化的反应器4的底部，第二部分再循环到用于还原氧化物的反应器1的底部，第三部分被送至由空气流化的设置有热交换器的外部床7，并最终供给到用于使氧化物氧化的反应器4。密封罐9可用经压缩的空气进行流化。接下来对各种反应的完整循环进行描述。
将被磨碎的固体燃料E1喷射到用于还原氧化物的反应器1内，反应器1包括在700℃至1150℃的高温下的氧化物循环床。根据本发明，被磨碎的煤优选地具有等于约50μm的平均颗粒直径。燃料的颗粒尺寸范围避免了必须被提取的粗灰在用于还原氧化物的反应器1的底部堆积，并且产生几乎100％的飞灰。因此，灰未在较粗氧化物的循环床中堆积，其被低效率分离旋流器2收集。
金属氧化物E2也被喷射到用于还原氧化物的反应器1内。根据本发明，金属氧化物优选地具有等于或大于100μm的平均颗粒直径。
在燃料加热之后，易挥发的物料被迅速地释放并与由氧化物释放出的氧反应，以实现继续固定碳的燃烧的不完全燃烧/部分燃烧。
固体随后在低效率分离旋流器2中循环，低效率分离旋流器2的效率使得从该低效率分离旋流器2逸出的固体的平均颗粒直径约等于50μm。这些固体主要由含碳残渣组成。
由碳构成的固体的上部部分被循环到与低效率分离旋流器2串联安装的高效率分离旋流器6内，以便使固体与气体分离并将含碳物料再次引入用于还原氧化物的反应器1内。
借助于串联的低效率的旋流器2和另一旋流器6实现含碳残渣与金属氧化物的第一分离。
在低效率分离旋流器2的出口处的固体的下部馏分被在密封罐8的底部提取出，以在碳分离器3中去除含碳残渣，然后被供给到用于使氧化物氧化的反应器4以便由大气中的氧氧化。
氧化物进入用于使氧化物氧化的反应器4，被再生并且被部分地供给到用于还原氧化物的反应器1，以开始新的从用于使氧化物氧化的反应器4到用于还原氧化物的反应器1的氧输送周期。通过固体流量控制阀(未示出)来控制被供给到用于还原氧化物的反应器1的氧化物的量。
所述装置还可被加压。
氧被耗尽的空气在交换器中冷却并在被排放到大气之前通过袋式过滤器进行除尘。
通常通过低效率分离旋流器2、密封罐8和最后的碳分离器3的布置结构来实现含碳残渣与金属氧化物的分离，该布置结构接收小速率的固体燃料并导致较低的分离效率需求。
借助本发明，没有含碳残渣被传递到用于使氧化物氧化的反应器4内。这是非常重要的，因为这种传递将导致发热的CO2的产生，而CO2随后会被排放到大气中。

Claims (9)

1.一种使用在其中使至少一种氧化物循环的设备的方法，所述至少一种氧化物在两个反应器（1，4）中的一个中被还原然后在所述两个反应器（1，4）中的另一个中被氧化，该设备包括：用于还原氧化物的反应器（1），被磨碎的固体燃料（E1）和氧化物（E2）进入该用于还原氧化物的反应器（1）中；接收来自所述用于还原氧化物的反应器（1）的夹带固体的较低效率分离装置（2），所述较低效率分离装置（2）用于从所述夹带固体中分离出氧化物（E2），所述较低效率分离装置（2）的最细小颗粒出口处的固体的上部流被循环到较高效率分离装置（6）内，以便从气体中分离出固体并将固体再引入所述用于还原氧化物的反应器（1）中；碳分离器（3），该碳分离器安装在所述较低效率分离装置（2）的出口处，以便将含碳颗粒送入所述用于还原氧化物的反应器（1）中并将氧化物送入用于使氧化物氧化的反应器（4）中；以及接收来自所述用于使氧化物氧化的反应器（4）的夹带固体的分离装置（5），该方法的特征在于，所述进入的固体燃料（E1）的平均颗粒直径被控制成比所述进入的氧化物（E2）的平均颗粒直径至少小两倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体燃料（E1）为煤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化物（E2）为金属氧化物。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述进入的固体燃料（E1）的平均颗粒直径等于约50μm。
5.一种用于实施根据权利要求1至4中的任一项所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括：用于还原氧化物的反应器（1），被磨碎的固体燃料（E1）和氧化物（E2）进入该用于还原氧化物的反应器（1）中；接收来自所述用于还原氧化物的反应器（1）的夹带固体的较低效率分离装置（2），该较低效率分离装置（2）的最细小颗粒出口处的固体的上部流被循环到较高效率分离装置（6）内，以便从气体中分离出固体并将固体再引入所述用于还原氧化物的反应器（1）中；碳分离器（3），该碳分离器安装在所述较低效率分离装置（2）的出口处，以便将含碳颗粒送入所述用于还原氧化物的反应器（1）中并将氧化物送入用于使氧化物氧化的反应器（4）中；以及接收来自所述用于使氧化物氧化的反应器（4）的夹带固体的分离装置（5）。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述较低效率分离装置（2）的效率使得从所述较低效率分离装置（2）逸出的最细小颗粒馏分的平均颗粒直径约等于所述进入的固体燃料（E1）的平均颗粒直径。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述较高效率分离装置（6）为分离旋流器。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述较低效率分离装置（2）为分离旋流器。
9.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述设备包括设置在所述较低效率分离装置（2）和所述较高效率分离装置（6）之间的固体冷却装置（10）。
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