CN101995097A - 一种化学链燃烧的燃料反应器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种化学链燃烧的燃料反应器装置，由混合反应室、溢流槽、过渡段、提升管及二氧化碳分离器组成，提升管通过过渡段与混合反应室相连，提升管的下端设有进料口，而提升管的上端与二氧化碳分离器的上端相连，二氧化碳分离器的下端通过溢流槽与混合反应室相连。混合反应室的下端设有布风板。混合反应室的下端设有固体燃料进口。混合反应室的外侧设有排料口。溢流槽的下端设有松动风口。提升管与混合反应室横截面积的巨大变化，以及进料口位置的选择，使本装置具有如下的作用。在化学链燃烧方面，本装置既提高了载氧体的载氧量又能保证排放出洁净的二氧化碳；在化学链制氢方面，本装置解决了制氢过程中无法获得洁净二氧化碳的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学链燃烧的燃料反应器装置。尤其涉及能够分离二氧化碳的化学链燃烧的燃料反应器装置。
背景技术
温室气体排放带来的全球变暖问题正在引起人们的重视。CO2作为最主要的温室气体，研究CO2减排技术迫在眉睫。烟气中的CO2常常被大量氮气稀释，CO2的分离与回收成本很高。在燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物，同时消除其他污染物的生成、排放是一条有效途径。化学链燃烧正是具有上述特性的一种新型燃烧方式，基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧体的作用分解为两个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料中。
化学链燃烧系统包括两个反应器：空气反应器(即氧化反应器)、燃料反应器(即还原反应器)。载氧体是参与反应传递氧的物质，以下以金属氧化物载氧体(NiO)为例说明化学链燃烧的基本工作原理：
在燃料反应器内金属氧化物(NiO)与燃料气体(CO)发生还原反应(见附图5)：
NiO+CO→Ni+CO2 (1)
在燃料反应器内被还原的金属颗粒(Ni)回到空气反应器并与空气中的氧气发生氧化反应：
Ni+O2→NiO (2)
式(1)与式(2)相加即为传统燃烧反应：
CO+O2→CO2 (3)
本发明涉及概念--载氧量，公式如下：
例如
其意义可理解为，单位质量载氧体所携带的参与反应的氧量。
与传统燃烧相比化学链燃烧的优势就在于其排放气体的为高浓度的CO2，而与传统的煤气化相比，化学链燃烧无需空气分离过程，节省了空气分离所需能耗。化学链燃烧正是具有上述特性的一种新型燃烧方式，而如何对化学链燃烧的反应器进行设计使之实现上述优势，则成为了化学链燃烧能否应用的关键。
发明内容
本发明提供一种用于化学链燃烧的燃料反应器装置，本发明在进行化学链燃烧的同时能有效分离二氧化碳，具有不需额外的能量消耗且利于环保的优点。
目前化学链燃烧采用的两种燃料分别为气体燃料和固体燃料，在本装置中，若采用气体燃料(天然气)，从本装置的布风板处直接通入气体燃料，气体燃料与载氧体直接反应。若采用固体燃料(煤、生物质、石油焦及天然焦)，固体燃料由进料口进入混合反应室，从布风板处通入水蒸气，由载氧体为固体燃料和水蒸气的气化反应提供热量，生成合成气。气体燃料与固体燃料生成的合成气统称为燃料气。
本发明的装置技术方案如下：
本发明公开一种化学链燃烧的燃料反应器装置，由混合反应室、溢流槽、过渡段、提升管及二氧化碳分离器组成，提升管通过过渡段与混合反应室相连，提升管的下端设有进料口，而提升管的上端与二氧化碳分离器的上端相连，二氧化碳分离器的下端通过溢流槽与混合反应室相连。混合反应室的下端设有布风板。混合反应室的下端设有固体燃料进口。混合反应室的外侧设有排料口。溢流槽的下端设有松动风口。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)在燃料反应器流化床内，混合气化反应室横截面积远大于提升管横截面积，而床体横截面积的变化，导致流化速度发生变化，使混合气化反应室呈现为鼓泡流化床状态，而提升管呈现为循环床状态。从进料口进入提升管底部的载氧体，利用提升管的夹带作用，首先在燃料反应器流化床的提升管中实现流化，在混合反应室未完全反应的燃料气上升至提升管中，燃料气在提升管中与过量的较高价态载氧体反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，经过二氧化碳分离器，冷凝后获得洁净的二氧化碳，而部分较高价态的载氧体则转化为较低价态的载氧体。未反应的较高价态的载氧体及反应后的较低价态的载氧体经过二氧化碳分离器，并从二氧化碳分离器底端通过返料槽进入混合反应室。在混合反应室中载氧体进一步与燃料气反应，转化为较低价态的载氧体。
本装置的优点在于，提升管与混合反应室横截面积的巨大变化，以及进料口的选择，一方面，使得较高价态的载氧体在提升管与混合反应室中产生浓度梯度。提升管中相对燃料气过量的较高价态的载氧体，使得燃料气在排出反应器时确保被完全转化，而混合反应室中，相对载氧体过量的燃料气能确保载氧体能最大程度的转化为较低价态。即实现了分离二氧化碳，又获得了较低价态的载氧体以参与化学链燃烧的氧化反应。
(2)本装置外形类似循环流化床，但提升管与混合反应室横截面积之比却远远大于循环流化床之变化，加之载氧体进料口的选择的位置的不同，使得本装置相当于两个流化床反应器叠加在一起，即提升管为循环床，混合反应室为鼓泡流化床，载氧体首先在提升管中参与净化残余的燃料气，使之转化为二氧化碳水蒸气混合气，然后进入混合燃烧室实现载氧体进一步释放氧的过程，即转化为较低价态的载氧体，进行循环反应。两个复合的反应过程具有各自的反应目的，不等同于循环流化床中的单一反应过程。而循环流化床，载氧体在其中反复循环虽然保证载氧体转化为较低价态的载氧体，却使较低价态的载氧体也在循环流化床中循环，难于控制载氧体与燃料气之间的反应比例关系，也无法实现本装置所实现的效果。
(3)本装置尤其适用于铁或铁氧化物作为载氧体参与化学链制氢或化学链燃烧。现有技术若想以铁或铁氧化物作为载氧体的化学链燃烧并获得高纯度的二氧化碳，较高价态的载氧体(Fe2O3)只能转化到Fe3O4，而本装置可将较高价态的铁氧化物转化到Fe或FeO的状态。对于化学链燃烧，本装置提高了载氧量，而对于化学链制氢，只有将载氧体还原到Fe或FeO的状态才能实现制氢的目的，具体原理如下：
铁氧化物的还原次序是：
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe 高于570℃
Fe2O3→Fe3O4→Fe 低于570℃
在进料口提供Fe2O3作为载氧体，而燃料气主要成分为CO、H2、CH4。
首先，Fe2O3转化为Fe3O4的过程如下：
Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O+放热
Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2+放热
6Fe2O3+CH4→4Fe3O4+CO2+2H2O+吸热
根据化学反应动力学，Fe2O3转化为Fe3O4的过程，可看作是不可逆反应，燃料气能够完全反应，故反应达到平衡状态时，几乎没有未反应的燃料气。且该反应过程迅速。
其次，Fe3O4转化为FeO或Fe的过程如下：
Fe3O4+CO→3FeO+CO2+吸热
Fe3O4+4CO→3Fe+4CO2+放热
Fe3O4+4H2→3Fe+4H2O+吸热
Fe3O4+H2→3FeO+H2O+吸热
Fe2O3+CO→2FeO+CO2+吸热
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2+吸热
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O+吸热
Fe2O3+H2→2FeO+H2O+吸热
4Fe2O3+CH4→8FeO+CO2+2H2O+吸热
4Fe2O3+3CH4→8Fe+3CO2+6H2O+吸热
Fe3O4+CH4→3Fe+CO2+2H2O+吸热
4Fe3O4+CH4→12FeO+CO2+2H2O+吸热
根据化学反应动力学，以上还原反应在Fe3O4转化为FeO或Fe的过程中，以上反应为可逆反应，在反应平衡状态下，燃料气仍有部分未参加反应。换言之，必须保证一定的燃料气的浓度，才能使反应向正方向进行。而该反应过程相比Fe2O3转化为Fe3O4的过程更为缓慢。
现有制氢技术面临的问题是：利用铁或铁氧化物制氢过程中排放的气体无法获得纯净的CO2。而现有铁或铁氧化物作为载氧体的化学链燃烧的问题是：若希望获得较大的载氧量同样在排放的气体中无法获得纯净的CO2。其原因如下：
若利用铁氧化物制取氢气，铁氧化物必须被还原到较低价态(FeO或Fe)才能与水蒸汽反应，即制氢过程中必须涉及Fe3O4转化为FeO或Fe的反应，同理，在化学链燃烧过程中，为使载氧体获得较大的载氧量，同样希望铁氧化物被还原到较低价态(FeO或Fe)，故也必须涉及Fe3O4转化为FeO或Fe的反应，而如上文所述，Fe3O4转化为FeO或Fe反应过程为可逆反应，排放的气体中必然掺杂有大量未反应的燃料气。因此无法得到纯净的二氧化碳，并且未反应的燃料气的直接排放也是能源的极大浪费。
本装置则利用了Fe2O3反应转化为Fe3O4过程的不可逆性，使燃料气最终通过充满过量Fe2O3的反应器，实现燃料气的完全转化。过程如下：
在燃料反应器流化床内，混合气化反应室横截面积远大于提升管横截面积，而床体横截面积的变化，导致混合反应室与提升管的气体流速发生变化，使混合气化反应室呈现为鼓泡流化床状态，而提升管呈现为循环床状态。一方面，溢流进燃料反应器流化床中的Fe2O3，由于提升管的夹带作用，大部分进入提升管并在提升管中实现流化，而混合反应室中未完全反应的燃料气在提升管中与Fe2O3反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，而该过程的不可逆性，使燃料气最终可以完全转化为二氧化碳水蒸气混合气，冷凝后获得纯净的二氧化碳。另一方面，提升管的循环床状态，扰动强烈，更适合Fe2O3转化Fe3O4的快速反应过程，而混合反应室的鼓泡床状态，气速较慢更适合Fe3O4转化为FeO或Fe的慢速反应过程。
综上所述，本发明的优势在于：
利用本装置，可以将Fe2O3转化到FeO或Fe的状态，在化学链燃烧方面，本装置既提高了载氧体的载氧量又能够保证排放出洁净的二氧化碳；在化学链制氢方面，本装置解决了制氢过程中无法获得洁净二氧化碳的难题。
(4)在化学链燃烧方面与现有技术数据对比：
现有技术所面临的问题在于，为达到获得洁净二氧化碳的目的，只能利用不可逆反应
进行循环，从载氧量角度考虑其缺点为载氧量小，现有技术以铁氧化物作为载氧体的载氧量为3.3％，而使用本发明可将Fe2O3还原至FeO或Fe状态，却仍能保证获得洁净的二氧化碳，而载氧量却达到10％-30％，几乎提升了一个数量级。两者对比可以看出，在需要同样氧量的情况下，现有技术只能通过增加循环次数，即增加载氧体使用频率来实现本发明之效果，导致载氧体过度使用，加快载氧体磨损。从二氧化碳排放的纯度考虑，现有技术无论从实际操作或计算机模拟得出的结论中，排放的二氧化碳纯度只能在90％～95％左右，其余气体却为可燃气体，而利用本发明排放二氧化碳纯度经计算机模拟计算能达到99％左右，在提高二氧化碳的纯度的同时，大大减少了可燃气体的浪费。
综上所述，一方面，本发明提高了载氧体的载氧量，延长了载氧体使用寿命，另一方面本发明提高了排放气体中二氧化碳的纯度，便于二氧化碳的捕集，减少了可燃气体未完全反应的能源浪费。对本领域中，以铁或铁的氧化物作为载氧体的化学链燃烧的使用及推广具有重大意义。
(5)在化学链制氢方面与现有技术数据对比：
现有技术所面临的问题在于，排放的二氧化碳纯度偏低。从化学反应平衡角度考虑，利用Aspen plus化工模拟系统模拟，现有的化学链制氢方法及装置，若利用铁或铁氧化物作为载氧体时，二氧化碳排放的纯度只有30％～80％左右，利用本发明制氢过程，二氧化碳排放的纯度高达99％以上。
(5)本发明即适用于气体燃料又适用于固体燃料，其对燃料的适应性强，可用燃料的范围广，可以在气体燃料和固体燃料之间自由切换。
附图说明
图1为：化学链燃烧的燃料反应器装置图；图2为：化学链燃烧的燃料反应器装置图；图3为：基于铁或铁氧化物化学链制氢的装置图；图4为：化石燃料制氢并分离CO2的洁净发电系统图；图5为：化学链反应示意图。
具体实施方式
实施例1
一种用于实施权利要求1所述的化学链燃烧的燃料反应器装置，由混合反应室、溢流槽、过渡段、提升管及二氧化碳分离器组成，提升管通过过渡段与混合反应室相连，提升管的下端设有进料口，而提升管的上端与二氧化碳分离器的上端相连，二氧化碳分离器的下端通过溢流槽与混合反应室相连。混合反应室的下端设有布风板。混合反应室的下端设有固体燃料进口。混合反应室的外侧设有排料口。溢流槽的下端设有松动风口。见附图1。
实施例2
一种利用本发明并使用气体燃料的化学链燃烧方法，其特征在于将Ni置于空气反应器内，在空气反应器2-1下端E通入流化空气，空气反应器2-1运行温度可控制在800℃～1250℃左右，Ni与空气中的氧气反应后得到NiO，再使气固两相经空气分离器2-3分离；分离后的高温贫氧空气从空气分离器2-3的上端G排出，并经做功发电或余热利用；分离后的NiO通过进料槽2-2进入燃料反应器流化床2-10；燃料反应器流化床2-10的运行温度可控制在800℃～1200℃左右；燃料反应器流化床2-10的下端A通入气态燃料，关闭螺旋给料器2-9，从进料槽2-2进入提升管2-5底部的NiO，利用提升管2-5的夹带作用，首先在燃料反应器流化床2-10的提升管2-5中实现流化，气体燃料在提升管2-5中与过量的NiO反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，经二氧化碳分离器2-4分离后的二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端D排出，并经做功发电或余热利用，凝结出水后得到纯净的二氧化碳。，而部分参与反应的NiO则转化为Ni。未反应的NiO及反应生成的Ni经过二氧化碳分离器2-4，并从二氧化碳分离器2-4底端通过返料槽2-6进入混合反应室2-8。在混合反应室2-8中未反应的NiO进一步与气体燃料反应，转化为Ni。含有大量Ni的载氧体通过排料槽2-11溢流回空气反应器2-1进一步氧化，实现循环使用。如附图2。
实施例3
一种利用本发明并使用固体燃料的化学链燃烧方法，将铁或铁氧化物置于空气反应器2-1内，在空气反应器2-1下端E通入流化空气，空气反应器2-1运行温度可控制在800℃～1250℃左右，铁或铁氧化物与空气中的氧气反应后得到Fe2O3，再使气固两相经空气分离器2-3分离；分离后的高温贫氧空气从空气分离器2-3的上端H排出，并经做功发电或余热利用；分离后的Fe2O3通过进料槽2-2进入燃料反应器流化床2-10；燃料反应器流化床2-10的运行温度可控制在800℃～1200℃左右；固体燃料通过螺旋给料器2-9进入燃料反应器流化床2-10，燃料反应器流化床2-10的下端A通入气化介质蒸汽，在混合反应室2-8中，由未反应的Fe2O3及反应生成的Fe3O4提供固体燃料与水蒸气气化的热量，固体燃料气化产生合成气，从进料槽2-2进入提升管2-5底部的Fe2O3，利用提升管2-5的夹带作用，首先在燃料反应器流化床的提升管2-5中实现流化，合成气在提升管2-5中与过量的Fe2O3反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，经二氧化碳分离器2-4分离后的二氧化碳水蒸气混合气从二氧化碳分离器2-4的上端D排出，并经做功发电或余热利用，凝结出水后得到纯净的二氧化碳。，而部分参与反应的Fe2O3则转化为FeO和Fe。未反应的Fe2O3及反应生成的Fe3O4经过二氧化碳分离器2-4，并从二氧化碳分离器2-4底端通过返料槽2-6进入混合反应室2-8。在混合反应室2-8中未反应的铁氧化物进一步与合成气或固体燃料反应，转化为FeO和Fe。含有大量FeO和Fe的铁氧化物通过排料槽2-11溢流回空气反应器流化床进一步氧化为Fe2O3，实现循环使用。如附图2。
实施例4
一种利用本并发明基于铁或铁氧化物化学链制氢的方法，将铁或铁氧化物置于空气反应器3-1内，在空气反应器3-1下端E通入流化空气，空气反应器3-1运行温度可控制在800℃～1250℃左右，铁或铁氧化物与空气中的氧气反应后得到Fe2O3，再使气固两相经空气分离器3-3分离；分离后的高温贫氧空气从空气分离器3-3的上端H排出，并经做功发电或余热利用；分离后的Fe2O3通过进料槽3-4进入燃料反应器流化床；燃料反应器流化床的运行温度可控制在800℃～1200℃左右；固体燃料通过螺旋给料器3-9进入燃料反应器流化床，燃料反应器流化床的下端A通入气化介质蒸汽，在混合反应室3-10中，由未反应的Fe2O3及反应生成的Fe3O4提供固体燃料与水蒸气气化的热量，固体燃料气化产生合成气，从进料槽3-4进入提升管3-7底部的Fe2O3，利用提升管3-6的夹带作用，首先在燃料反应器流化床的提升管3-6中实现流化，合成气在提升管3-6中与过量的Fe2O3反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，经二氧化碳分离器3-5分离后的二氧化碳水蒸气混合气从二氧化碳分离器3-5上端J排出，并经做功发电或余热利用，凝结出水后得到纯净的二氧化碳。而部分参与反应的Fe2O3则转化为FeO和Fe。未反应的Fe2O3及反应生成的FeO和Fe经过二氧化碳分离器3-5，并从二氧化碳分离器3-5底端通过返料槽3-7进入混合反应室3-10。在混合反应室3-10中未反应的Fe2O3及反应生成的Fe3O4进一步与合成气或固体燃料反应，转化为FeO和Fe，而含有FeO和Fe的铁氧化物通过排料槽3-11溢流到制氢反应器3-12，制氢反应器3-12温度控制在650℃～950℃左右，在制氢反应器3-12中水蒸气作为流化介质，并与FeO或Fe反应生成氢气，FeO或Fe被氧化为Fe3O4，再使气固两相经氢气分离器3-2分离，分离后的氢气水蒸气混合气从氢气分离器3-2上端排出，经过余热利用，凝结出水后得到纯净的氢气，分离后的Fe3O4，经过溢流槽3-13回到空气反应器流化床进一步氧化，实现循环使用。如附图3。
实施例5
一种利用本发明实现化石燃料制氢并分离CO2的方法，即：用固体燃料或气体燃料进行洁净发电，同时实现二氧化碳的分离。参照图2，空气经过压气机4-4压缩后，变为高压空气，进入实施例4的空气反应器，经过与铁或铁氧化物反应，得到高温高压贫氧空气经空气反应器载氧体分离器分离，高压贫氧空气进入透平4-7膨胀做功，带动发电机4-6发电，透平4-7排气再进入余热回收发电系统4-5产生电力或蒸汽。在燃料反应器流化床，由与余热回收发电系统4-2、4-5及4-8产生的蒸汽A与铁氧化物反应，生成高温烟气，高温烟气要求经过二氧化碳分离器，烟气经过透平4-3膨胀做功，带动发电机4-1发电，透平4-3排气再进入余热回收发电系统4-2产生电力或蒸汽，余热回收发电系统4-2尾气经过冷凝即为纯净的二氧化碳。经溢流槽进入制氢反应器的Fe和FeO与水蒸气反应，得到高温氢气水蒸气混合物，进入余热回收发电系统4-8。由余热回收发电系统4-2、4-5或4-8提供整个系统所需的水蒸气。如附图4。
Claims (5)
1.一种化学链燃烧的燃料反应器装置，其特征在于由混合反应室(1)、溢流槽(2)、过渡段(3)、提升管(4)及二氧化碳分离器(5)组成，提升管(4)通过过渡段(3)与混合反应室(1)相连，提升管(4)的下端设有进料口(C)，而提升管(4)的上端与二氧化碳分离器(5)的上端相连，二氧化碳分离器(5)的下端通过溢流槽(2)与混合反应室(1)相连。
2.根据权利要求1所述的化学链燃烧的燃料反应器装置，其特征在于混合反应室(1)的下端(A)设有布风板。
3.根据权利要求1所述的化学链燃烧的燃料反应器装置，其特征在于混合反应室的下端设有固体燃料进口(F)。
4.根据权利要求1所述的化学链燃烧的燃料反应器装置，其特征在于混合反应室的外侧设有排料口(B)。
5.根据权利要求1所述的化学链燃烧的燃料反应器装置，其特征在于溢流槽(2)的下端(E)设有松动风口。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110330 |