CN102183014B

CN102183014B - 一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离co2方法

Info

Publication number: CN102183014B
Application number: CN2011100575594A
Authority: CN
Inventors: 金保升; 王晓佳; 潘志越; 钟文琪; 张勇; 刘先立
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: CN102183014A

Abstract

一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂的方法，煤颗粒和气化剂在加压高密度循环流化床燃料反应器1内发生气化反应，气化产物与返回燃料反应器的载氧体发生燃烧反应，生成CO₂和H₂O；反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰，进入一级旋风分离器2进行分离，分离下来的失氧载氧体在错流移动床空气反应器5内与横向通过的空气相互接触反应获得再生，通过一级返料器8返回燃料反应器继续参与燃烧反应；一级旋风分离器2分离出烟气进一步进入二级旋风分离器10分离，二次分离出的固体颗粒经二级返料器13返回燃料反应器1继续参与燃烧反应，分离出的气体经冷凝剔除H₂O后获得高纯度的CO₂。

Description

一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO2方法

技术领域

本发明属于煤的清洁燃烧和高效利用领域，涉及一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法。

技术背景

在诸多的温室效应气体中，化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量最大，对全球气候的影响也最严重。如何减少二氧化碳排放已经成为人类可持续发展要解决的主要问题之一。化学链燃烧（Chemical Looping Combustion，简称CLC）是一种新型无焰燃烧技术，它的基本原理是载氧体在两个流化床反应器之间的循环交替反应，替代燃料直接与空气相接触实现燃烧过程：一方面在空气反应器中利用载氧体分离空气中的氧，另一方面在燃料反应器中由载氧体将空气中的氧传递到燃料中，进行燃料的燃烧。由于燃烧过程中，燃料与空气没有直接接触，燃烧产物只有CO₂和水蒸气，利用简单的冷却方法就可以分离出CO₂，实现CO₂的富集。因此CLC是一种清洁燃烧方式，是国际公认的具有重要前景的CO₂减排技术之一。

自 1983 年德国科学家提出化学链燃烧概念以来，国际上许多研究机构都对其开展了一系列的研究。固体燃料储量丰富，应用于 CLC具有广阔的发展前景。但是到目前为止，采用气体燃料或液体燃料的CLC工艺和载氧体的研究比较成熟，而对采用固体燃料的CLC技术的研究尚处于起步阶段，存在诸多难题。主要问题之一是由于燃料/载氧体燃烧反应速率与载氧体载氧反应速率相差2～3个数量级，常规的CLC技术难以很好地实现燃烧反应与载氧反应之间的匹配，燃烧效率低，因此至今尚未得到国际公认的技术路线。当前国际上许多学者正纷纷寻求新的思路，研究固体燃料化学链燃烧分离CO₂的新技术。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法，克服常规的CLC系统难以实现煤/载氧体燃烧反应与载氧体载氧反应的匹配等问题，寻求设计一种化学链燃烧分离CO₂方法，该方法能使二者相匹配，达到燃烧效率高、载氧能力强、分离出的CO₂浓度高及CO₂最终捕集率高等效果。

技术方案：本发明的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法具体为：

1）煤颗粒和气化剂从加压高密度循环流化床燃料反应器的底部区域进入，发生气化反应，然后气化产物和从一级返料入口返回的再生载氧体发生氧化还原反应，气化产物被载氧体氧化成CO₂和H₂O；

2）反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰离开燃料反应器，进入一级旋风分离器，失氧载氧体被分离出来进入空气反应器，而含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气进入二级旋风分离器；

3）在错流移动床空气反应器内，一级旋风分离器分离出的失氧载氧体进行载氧反应；失氧载氧体从错流移动床空气反应器的顶部进入，空气从空气入口经过格栅板（6）后均匀进入，两者错流接触发生氧化还原反应，失氧载氧体被空气氧化再生，而反应后的尾气从空气反应器排气口排出；再生后的载氧体进入一级返料器，在从一级返料器进气口进入的CO₂辅助气体的作用下，回到燃料反应器继续反应；

4）携带含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒的烟气在二级旋风分离器内发生二次分离；分离下来的固体颗粒进入与二级料腿相连的二级返料器，在从二级返料器进气口进入的CO₂辅助气体的作用下，返回至燃料反应器继续反应；CO₂和H₂O的混合物从二级旋风分离器出气口排出，经冷凝剔除水蒸气，获得高纯度的CO₂。

所述的燃料反应器(1)采用加压操作方式，具有高密度即固-气体积比大于0.1、高循环倍率即50～100和高颗粒通量及>200kg/m²s。

采用的空气反应器为错流移动床空气反应器，载氧体和空气在其中错流接触发生反应。

所述的一级排气管出口设置二级旋风分离器，携带含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒的烟气在其中发生二次分离。

本发明提出的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂的方法，在由燃烧反应系统、分离系统、载氧反应系统和返料系统组成的装置中实现。其中，燃烧反应系统为加压高密度循环流化床燃料反应器，分离系统包括一级旋风分离器、一级排气管、一级料腿、二级旋风分离器、二级排气管和二级料腿，载氧反应系统包括错流移动床空气反应器、新鲜载氧体颗粒给料器和失活载氧体颗粒排料器，返料系统包括一级返料器和二级返料器。

加压高密度循环流化床燃料反应器内实现高颗粒浓度、高循环倍率和高颗粒通量的煤的燃烧反应过程；错流移动床空气反应器内实现载氧体的载氧反应过程；两级旋风装置实现载氧体和含碳煤灰的有效分离并促进含碳煤灰的完全燃烧。

有益效果：与现有的采用气体或液体燃料的CLC系统分离CO₂方法相比，本发明具有如下的特色及优点：

1、将加压高密度循环流化床与错流移动床联合运用，分别实现煤/载氧体的燃烧反应过程和载氧体的载氧反应过程。通过大幅提高燃烧反应速率，解决二者因反应速率存在数量级差而导致的反应匹配问题。

2、燃料反应器采用加压操作，具有密度高（固-气体积比大于0.1）、循环倍率高（50～100）、物料通量高（>200kg/m²s）的特点，物料颗粒停留时间远大于普通常压流化床反应器，气固湍流反应（如煤气化反应、气化产物还原载氧体反应）速率明显增加，不仅大幅提高了煤的燃烧速率，而且气相产物中CO等不完全燃烧产物有效降低。燃料反应器内的载氧体浓度远高于普通循环流化床反应器，煤的气化产物被载氧体连续快速氧化，从而提高了气化反应速率，促进了煤的气化反应。

3、打了破传统CLC系统采用流化床作为空气反应器的思路，采用错流移动床作为空气反应器，失氧载氧体与空气在其中错流混合反应。

4、空气反应器采用特殊的错流移动床设计，颗粒在错流移动床内快速通过。即使载氧体内混入少量含碳煤灰，由于反应时间短、颗粒较大、接触面积小，不会发生烧结，降低了含碳煤灰在空气反应器中燃烧引起的烧结风险；和流化床空气反应器相比，错流移动床空气反应器结构简单，控制方便。

5、一级旋风分离器将大部分载氧体颗粒分离至一级料腿，而少量载氧体颗粒和烟气、煤灰则从排气管排出，从而保证含碳煤灰基本不进入空气反应器中燃烧，既提高了CO2的捕集率，又避免了含碳煤灰在空气反应器中燃烧引起的烧结问题。

6、本发明的二级分离装置为高效旋风分离器，能够有效分离含碳煤灰，有效延长含碳煤灰在燃料反应器内的停留时间，提高煤的燃尽度。

附图说明

图1是煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法示意图，

其中包括：加压高密度循环流化床燃料反应器1，一级旋风分离器2，一级料腿 3，新鲜载氧体颗粒给料器4，错流移动床空气反应器5，格栅板6，失活载氧体颗粒排料器7，一级返料器8，一级排气管9、二级旋风分离器10，二级排气管11，二级料腿12，二级返料器13，煤颗粒入口A，气化剂入口B，一级返料入口C，二级返料入口D，空气入口E，空气反应器排气口F，一级返料器进气口G，二级旋风分离器出气口H，二级返料器进气口I。

具体实施方式

以下参照图1来详细说明本发明的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法，载氧体以铁矿石为例。

1）燃料反应器床体底部布置的布风板为气化剂入口，床体两侧分别为煤颗粒入口、一级返料入口和二级返料入口。水蒸气和CO₂混合物作为气化剂和流化介质，从燃料反应器1底部的气化剂入口B进入，携带从煤颗粒入口A进入的煤颗粒、从一级返料入口C进入的含有高浓度载氧体铁矿石的返料以及从二级返料入口D进入的煤和载氧体细颗粒混合物向上运动。在这个过程中，气化剂与煤发生气化反应，生成煤气，主要成分为CO和H₂。煤气与载氧体发生氧化还原反应，载氧体中的氧传递给煤气，使得CO被氧化成CO₂，H₂被氧化成H₂O（气体），而载氧体失去部分氧生成氧化亚铁或四氧化三铁。载氧体发生氧化还原反应，消耗CO和H₂，也促进了煤的气化反应。

2）反应后的固体颗粒（失氧载氧体颗粒和含碳煤灰）被烟气带出，进入与燃料反应器出口相连的一级旋风分离器2，大部分失氧载氧体颗粒被分离下来进入与一级料腿3相连的错流移动床空气反应器5，而含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气从一级排气管9出口进入二级旋风分离器10。

3）在错流移动床空气反应器5内，一级旋风分离器2分离出的失氧载氧体进行载氧反应。失氧载氧体从错流移动床空气反应器5的顶部进入，空气从空气入口E经过格栅板6后均匀进入，两者错流接触发生氧化还原反应，失氧载氧体被空气氧化再生，而反应后的尾气从空气反应器排气口F排出。再生后的载氧体进入一级返料器8，在从一级返料器进气口G进入的CO₂辅助气体的作用下，回到燃料反应器1继续反应。物料在燃料反应器-一级旋风分离器-错流移动床空气反应器-一级返料器-燃料反应器之间的循环运动构成了一级返料循环。当载氧体载氧能力明显下降时，从新鲜载氧体颗粒给料器4补充相应的新鲜载氧体，同时，永久失活的载氧体从失活载氧体颗粒排料器7排出。

4）携带含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒的烟气在二级旋风分离器10内发生二次分离。分离下来的固体颗粒进入与二级料腿12相连的二级返料器13，在从二级返料器进气口I进入的CO₂辅助气体的作用下，返回至燃料反应器1继续反应。物料在燃料反应器-一级旋风分离器-二级旋风分离器-二级返料器-燃料反应器之间的循环运动构成了二级返料循环。CO₂和H₂O（气体）的气体混合物从二级旋风分离器出气口H排出，经冷凝剔除水蒸气，获得高纯度的CO₂。

Claims

1.一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法，其特征在于该方法具体为：

1）煤颗粒和气化剂从加压高密度循环流化床燃料反应器（1）的底部区域进入，发生气化反应，然后气化产物和从一级返料入口（C）返回的再生载氧体发生氧化还原反应，气化产物被载氧体氧化成CO₂和H₂O；

2）反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰离开燃料反应器（1），进入一级旋风分离器（2），失氧载氧体被分离出来进入空气反应器（5），而含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气进入二级旋风分离器（10）；

3）在错流移动床空气反应器（5）内，一级旋风分离器（2）分离出的失氧载氧体进行载氧反应；失氧载氧体从错流移动床空气反应器（5）的顶部进入，空气从空气入口（E）经过格栅板（6）后均匀进入，两者错流接触发生氧化还原反应，失氧载氧体被空气氧化再生，而反应后的尾气从空气反应器排气口（F）排出；再生后的载氧体进入一级返料器（8），在从一级返料器进气口（G）进入的CO₂辅助气体的作用下，回到燃料反应器（1）继续反应；

4）携带含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒的烟气在二级旋风分离器（10）内发生二次分离；分离下来的固体颗粒进入与二级料腿（12）相连的二级返料器（13），在从二级返料器进气口（I）进入的CO₂辅助气体的作用下，返回至燃料反应器（1）继续反应；CO₂和H₂O的混合物从二级旋风分离器出气口（H）排出，经冷凝剔除水蒸气，获得高纯度的CO₂；

所述的燃料反应器(1)采用加压操作方式，具有高密度、高循环倍率和高颗粒通量，所述高密度是指固-气体积比大于0.1，所述高循环倍率是指循环倍率为50～100，所述高颗粒通量是指颗粒通量>200kg/m²s。