CN102425788B - 加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离co2的装置 - Google Patents

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Abstract

加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2装置中，加压高密度循环流化床燃料反应器（1）的上部与旋风分离器（2）相连通，旋风分离器（2）的下部通过料腿（3）与错流移动床空气反应器（5）相连通，错流移动床空气反应器（5）的下部通过返料器与加压高密度循环流化床燃料反应器（1）的下部相连通，构成主循环回路I；副循环回路Ⅱ的上升管空气反应器（17）的上部与旋风分离器（18）相连通，旋风分离器（18）的下部与错流移动床燃料反应器（11）连通，错流移动床燃料反应器（11）的下部通过料腿（15）和返料器（16）与上升管空气反应器（17）的下部相连通，而主循环回路I的排气管（10）则通向副循环回路Ⅱ的错流移动床燃料反应器（11）的燃料入口（J）。

Description

加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2的装置
技术领域
本发明涉及一种加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2的装置，属于燃料的清洁燃烧和高效利用领域。
技术背景
现阶段，由于温室气体的排放而导致的全球气候变暖已经成为威胁人类生存的头号环境问题。然而，在一系列的温室气体中，二氧化碳（CO2）是影响最大的一种。在平日的工业生产中，化石燃料的燃烧产生了大量的CO2，它们造成了地表和低层大气温度的升高，引发全球气候变暖。因此如何减少二氧化碳的排放关系到人类的生存。
化学链燃烧(CLC)是近年来众多学者关注的一种新颖的燃烧方法，在整个燃烧过程中发生的都是无火焰化学反应，它打破了自古以来火焰燃烧的概念。在化学链燃烧中，燃料不直接与空气接触，而是以载氧体为中间介质在两个反应器(空气反应器和燃料反应器)之间循环交替反应来实现燃料的燃烧过程。载氧体在空气反应器中和空气发生氧化反应，实现载氧过程，然后进入燃料反应器与燃料发生还原反应。由于燃料反应器隔绝了空气，反应器的出口产物绝大部分是CO2和H2O，凝结出水后即可捕捉得到高纯度的CO2。由于整个燃烧过程是基于两步化学反应，因此CLC实现了化学能的梯级利用。CLC相比传统燃烧方式的主要优点是产生的CO2具有高纯度，分离成本低，此外在NOx零排放，高热效率方面也有优势，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。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2的装置，主回路以加压高密度循环流化床作为燃料反应器，错流移动床作为
空气反应器，解决了煤/载氧体燃烧反应与载氧体载氧反应的速度匹配问题；副回路的燃烧提高了二氧化碳的出口浓度，并且由于其系统小以及运用了错流移动床等特点可以大大减少载氧体的磨损问题。该装置具有燃烧效率高，CO2出口浓度高及CO2最终捕集率高的效果。
技术方案：本发明提供了一种加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离二氧化碳的装置。本发明的思路是：主回路的加压高密度循环流化床燃料反应器内实现高颗粒浓度、高循环倍率和高固体通量下的煤与载氧体的燃烧反应过程；主回路的错流移动床空气反应器内实现载氧体的载氧反应过程；旋风分离装置实现了载氧体和烟气的有效分离。副回路错流移动床燃料反应器内实现了烟气中还原性气体的完全燃烧，提高了二氧化碳的出口浓度。副回路空气反应器内实现了载氧体的重新载氧以及烟气中的含碳煤灰的完全燃烧。煤与载氧体燃烧的气体产物从副回路错流移动床燃料反应器的出口排出，其中主要是CO2和水蒸汽的气体混合物，经除尘冷凝便可完成CO2的分离。下面参照图1，具体说明本发明的技术路线和目标的具体实现。
该装置拥有两个回路，具体包括：主循环回路Ⅰ中加压高密度循环流化床燃料反应器、旋风分离器、料腿、新鲜载氧体颗粒给料器、错流移动床空气反应器、格栅板、失活载氧体颗粒排料器、返料器、阀门、排气管；副循环回路Ⅱ中错流移动床燃料反应器、新鲜载氧体颗粒给料器、失活载氧体颗粒排料器、格栅板、料腿、返料器、上升管空气反应器、旋风分离器、旋风分离器排气管、副回路旁路阀门；
其中加压高密度循环流化床燃料反应器的上部与旋风分离器相连通，旋风分离器的下部通过料腿与错流移动床空气反应器相连通，错流移动床空气反应器的下部通过返料器与加压高密度循环流化床燃料反应器的下部相连通，构成主循环回路I；而主循环回路I上部的旋风分离器的排气管则通向副循环回路Ⅱ的错流移动床燃料反应器的燃料入口；副循环回路的上升管空气反应器的上部与旋风分离器相连通，旋风分离器的下部与错流移动床燃料反应器连通，错流移动床燃料反应器的下部通过料腿和返料器与副循环回路的上升管空气反应器的下部相连通，构成副循环回路Ⅱ。
所述的主循环回路Ⅰ中的加压高密度循环流化床燃料反应器的顶部出口连接一级旋风分离器；底部入口由下到上依次为气化剂入口、煤颗粒入口、返料入口，其中气化剂入口布置在加压高密度循环流化床燃料反应器的底部，煤颗粒入口、返料入口布置在加压高密度循环流化床燃料反应器的侧面。
所述的副循环回路Ⅱ的上升管空气反应器的顶部出口连接旋风分离器；底部入口由下到上依次为空气入口、返料入口，其中空气入口布置在上升管空气反应器的底部，返料入口布置在上升管空气反应器(17)的侧面。
所述的错流移动床空气反应器（5）中设有许多向其中心倾斜的格栅板（6），在错流移动床空气反应器两侧分别设有空气入口和空气反应器排气口，在错流移动床空气反应器下部设有失活载氧体颗粒排料器)，在错流移动床空气反应器上部设有新鲜载氧体颗粒给料器。
所述的错流移动床燃料反应器中设有许多向其中心倾斜的格栅板，在错流移动床燃料反应器两侧分别设有燃料入口和燃料反应器排气口，其中燃料入口与主循环回路旋风分离器的排气管连通；在错流移动床燃料反应器下部设有失活载氧体颗粒排料器，在错流移动床燃料反应器上部设有新鲜载氧体颗粒给料器。
所述的错流移动床空气反应器上部入口有主回路分离下来的载氧体进入，载氧后从下部出口流出，反应所需的空气从空气反应器一侧的空气入口进入，从另一侧的排气口排出。
所述的副回路错流移动床燃料反应器上部入口有分离下来的载氧体进入，载氧体被还原后从下部出口流出，反应所需的燃料（主回路烟气中的还原性气体）从移动床一侧的燃料入口进入，反应后的二氧化碳和水蒸气从另一侧的排气口排出，排气口(K)也就是整个装置收集CO2的最终排气口。
装置由通过阀门连接的两个循环回路构成，可根据载氧体硬度及反应活性情况决定是否启用副回路Ⅱ。
功率较小的副回路Ⅱ可以装载易磨损的高效贵重载氧体，并且采用错流移动床反应器作为燃料反应器。
有益效果：与现有的CLC系统相比，本发明具有如下的特色及优点：
1、本装置主回路Ⅰ中旋风分离器排出的烟气中还存在一定量的还原性气体，它
们在通过副回路Ⅱ中的错流移动床时会被更高活性的载氧体氧化。这样就大大提高了煤气化的转化率，气化产物的燃烧效率以及CO2的捕集率。
2、本装置可将廉价载氧体（例如铁矿石）布置在回路Ⅰ中，将低硬度高性能的贵重载氧体（例如NiO）布置在回路Ⅱ中。由于回路Ⅱ的功率和系统尺寸远小于回路I，因此回路Ⅱ中贵重载氧体的损耗远小于回路Ⅰ中的廉价载氧体，保证了经济效益。
3、本装置由两个循环回路Ⅰ（主）和Ⅱ（副）构成，两回路均由循环流化床，旋风分离器，返料系统，以及错流移动床组成，回路Ⅰ和Ⅱ连接处布置阀门，可以根据载氧体的活性及硬度的不同来选择关闭或打开阀门，使回路Ⅰ单独参与反应或Ⅰ和Ⅱ同时参与反应，用来完成一种或两种载氧体搭配的化学链燃烧反应，操作简单，选择性强。
4、本装置主回路Ⅰ中错流移动床具有较薄床深和较大的通气截面,使过床气体阻力减小,气体的处理能力增强,可有效实现失活载氧体的重新载氧。此外，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、本装置主回路Ⅰ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。
6、本装置主回路Ⅰ中的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）、固体通量高（>200kg/m2s）等特点，颗粒停留时间长，气固湍流反应（如煤气化反应、气化产物与载氧体的氧化还原反应）速率高，大幅提高了煤的燃烧速率。 
7、本装置主回路Ⅰ的加压高密度循环流化床燃料反应器内，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。
附图说明
图1是本发明的加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离二氧化碳装置的具体实施系统图。
主循环回路Ⅰ中，加压高密度循环流化床燃料反应器1，旋风分离器2，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，返料器8，阀门9，排气管10；副循环回路Ⅱ中，错流移动床燃料反应器11，新鲜载氧体颗粒给料器12，失活载氧体颗粒排料器13，格栅板14，料腿15，返料器16，上升管空气反应器17，旋风分离器18，旋风分离器排气管19，副回路旁路阀门 20，煤颗粒入口A，气化剂入口B，返料入口C，返料器进气口D，空气入口E，空气反应器排气口F，返料器进气口G，返料入口H，旋风分离器排气管I，燃料反应器入口J，燃料反应器出口K，空气反应器进气口L。
具体实施方式
本发明提供的加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离二氧化碳的装置包括主循环回路Ⅰ中，加压高密度循环流化床燃料反应器1，旋风分离器2，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，返料器8，阀门9，排气管10，副循环回路Ⅱ中，错流移动床燃料反应器11，新鲜载氧体颗粒给料器12，失活载氧体颗粒排料器13，格栅板14，料腿15，返料器16，上升管空气反应器17，旋风分离器18，旋风分离器排气管19，副回路旁路阀门 20。
所述的加压高密度循环流化床燃料反应器的上部与旋风分离器相连通，旋风分离器的下部通过料腿与错流移动床空气反应器相连通，错流移动床空气反应器的下部通过返料器与加压高密度循环流化床燃料反应器的下部相连通，构成主循环回路；而主循环回路旋风分离器的排气管则通向副循环回路错流移动床燃料反应器的燃料入口。
所述的副回路循环流化床空气反应器的上部与旋风分离器相连通，旋风分离器的下部与错流移动床燃料反应器连通，错流移动床燃料反应器的下部通过返料器与副回路空气反应器的下部相连通，构成副循环回路。
所述的主回路加压高密度循环流化床燃料反应器的顶部出口连接旋风分离器；底部入口由下到上依次为气化剂入口、煤颗粒入口、返料入口，其中气化剂入口布
置在加压高密度循环流化床燃料反应器的底部，煤颗粒入口、返料入口布置在加压高密度循环流化床燃料反应器的侧面。
所述的副回路循环流化床空气反应器的顶部出口连接旋风分离器；底部入口由下到上依次为空气入口、返料入口，其中空气入口布置在副回路循环流化床空气反应器的底部，返料入口布置在副回路循环流化床空气反应器的侧面。
以下参照图1来详细说明本发明的加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2装置的具体实施例。
回路Ⅰ中的载氧体以铁矿石（主要成分为Fe2O3）为例，回路Ⅱ中的载氧体以NiO为例。
1）回路Ⅰ中燃料反应器床体底部布置的布风板为气化剂入口，床体两侧为煤颗粒入口和返料入口。经过热器加热的水蒸气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返料入口D进入的煤和载氧体细颗粒混合物向上运动。在该过程中，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（蒸汽），而载氧体失去部分氧生成四氧化三铁。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旋风分离器2，由于粒径较大大部分失活载氧体颗粒被分离下来进入与料腿3相连的错流移动床空气反应器5，而含碳煤灰和少量失活载氧体细颗粒则随烟气从排气管出口进入回路Ⅱ。
3）在错流移动床空气反应器5内，旋风分离器2分离出的失活载氧体进行载氧反应。失活载氧体颗粒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，失活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返料器8，在从返料器进气口G进入的水蒸气辅助气体的作用下，回到燃料反应器1继续反应。物料在燃料反应器1-旋风分离器2-错流移动床空气反应器5-返料器8之间的循环运动构成了循环回路Ⅰ。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，永久失活的载氧体及灰渣从失活载氧体颗粒
排料器7排出。
4）当阀门9打开时，携带含碳煤灰和少量失活载氧体细颗粒的烟气通过旋风分离器排气管10水平进入回路Ⅱ中的错流移动床反应器11，与从错流移动床顶部进口缓慢落下的NiO颗粒进行氧化还原反应，反应产物CO2和H2O（气体）的气体混合物从错流移动床燃料反应器出口K排出，经冷凝剔除水蒸气，获得高纯度的CO2。被还原的Ni颗粒经料腿15进入返料器16，在进气口G进入的水蒸气辅助气体的作用下，返回至上升管空气反应器17，与从进气口L进入的空气反应重新获得载氧能力。物料在燃料反应器11-旋风分离器18-返料器16-上升管空气反应器17之间的循环运动构成了循环回路Ⅱ。当载氧体载氧能力明显下降时，从新鲜载氧体颗粒给料器12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13排出。

Claims (2)

1.一种加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离CO2的装置，其特征是该装置拥有两个回路，具体包括：主循环回路Ⅰ中加压高密度循环流化床燃料反应器（1）、旋风分离器（2）、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）、返料器（8）、阀门（9）、排气管（10）；副循环回路Ⅱ中错流移动床燃料反应器（11）、新鲜载氧体颗粒给料器（12）、失活载氧体颗粒排料器（13）、格栅板（14）、料腿（15）、返料器（16）、上升管空气反应器（17）、旋风分离器（18）、旋风分离器排气管（19）、副回路旁路阀门（20）；
其中加压高密度循环流化床燃料反应器（1）的上部与旋风分离器（2）相连通，旋风分离器（2）的下部通过料腿（3）与错流移动床空气反应器（5）相连通，错流移动床空气反应器（5）的下部通过返料器与加压高密度循环流化床燃料反应器（1）的下部相连通，构成主循环回路I；而主循环回路I上部的旋风分离器（2）的排气管（10）则通向副循环回路Ⅱ的错流移动床燃料反应器（11）的燃料入口（J）；副循环回路的上升管空气反应器（17）的上部与旋风分离器（18）相连通，旋风分离器（18）的下部与错流移动床燃料反应器（11）连通，错流移动床燃料反应器（11）的下部通过料腿（15）和返料器（16）与副循环回路的上升管空气反应器（17）的下部相连通，构成副循环回路Ⅱ；
所述的主循环回路Ⅰ中的加压高密度循环流化床燃料反应器(1)的顶部出口连接一级旋风分离器（2）；底部入口由下到上依次为气化剂入口（B）、煤颗粒入口（A）、返料入口（C），其中气化剂入口（B）布置在加压高密度循环流化床燃料反应器(1)的底部，煤颗粒入口（A）、返料入口（C）布置在加压高密度循环流化床燃料反应器(1)的侧面；
所述的副循环回路Ⅱ的上升管空气反应器（17）的顶部出口连接旋风分离器（18）；底部入口由下到上依次为空气入口（L）、返料入口（H），其中空气入口(L)布置在上升管空气反应器(17)的底部，返料入口(H)布置在上升管空气反应器(17)的侧面。
2.根据权利要求1所述的加压双回路循环流化床煤化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于所述的错流移动床空气反应器（5）中设有许多向其中心倾斜的格栅板（6），在错流移动床空气反应器（5）两侧分别设有空气入口（E）和空气反应器排气口(F)，在错流移动床空气反应器(5)下部设有失活载氧体颗粒排料器(7)，在错流移动床空气反应器(5)上部设有新鲜载氧体颗粒给料器(4)；
所述的错流移动床燃料反应器(11)中设有许多向其中心倾斜的格栅板(14)，在错流移动床燃料反应器(11)两侧分别设有燃料入口(J)和燃料反应器排气口(K)，其中燃料入口(J)与主循环回路旋风分离器(2)的排气管连通；在错流移动床燃料反应器(11)下部设有失活载氧体颗粒排料器(13)，在错流移动床燃料反应器上部设有新鲜载氧体颗粒给料器(12)。
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