CN102767906A - 一种回转式固定床化学链燃烧反应装置 - Google Patents

Abstract

一种回转式固定床化学链燃烧反应装置，包括回转式固定床、端部连接管、驱动机构和密封机构。回转式固定床可以在驱动机构的作用下旋转，床体被密封隔版分为燃料反应区和空气反应区，内部填充载氧体；燃料气进入燃料反应区与其中的载氧体发生气固反应，燃料被氧化后转变为CO₂和水蒸气，经热气管路进入透平机做功或换热器释热，然后经冷凝器将水分去除后成为CO₂纯度较高的气体，最后将其压缩变成干冰或封存处理；在空气反应区载氧体颗粒被氧化重新获得氧，而失氧后的空气经管路进入透平机做功或换热器释热。该装置载氧体不需要进行传递，省却了流化输送所消耗的能量及其流化和分离装置；不需要复杂的管路布置和换向机构；可以实现连续运行。

Description

一种回转式固定床化学链燃烧反应装置

 技术领域

本发明属于清洁能源利用和节能减排技术领域，尤其涉及一种回转式固定床化学链燃烧反应装置。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，CO₂减排任务极其艰巨，探索研究新型的CO₂减排技术非常重要。化学链燃烧( Chemical Looping Combustion, CLC)作为一种新型燃烧方式，具有优越的CO₂分离特性，日益受到关注。

CLC作为一种新型的燃料和空气非混合燃烧技术，其基本原理是借助于载氧体（oxygen carrier）的作用将燃烧过程分解为2个气-固反应：一方面利用载氧体分离空气中的氧；另一方面载氧体将分离的空气中的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧，如图1所示。CLC不仅能够根除燃料燃烧时NO_x的产生、提高燃料的燃烧效率，且燃料完全转化时，反应产物仅包含空气和水蒸气，无需额外的分离装置和措施，经过简单的冷凝处理就可以得到高纯的CO₂，便于后续存贮处理。

化学链燃烧反应器的设计与优化是目前国内外学者的研究重点之一。反应器的形式对于化学链燃烧的工业应用至关重要，目前可应用于化学链燃烧的反应器形式大多为流化床反应器，且以串行流化床反应器为主，虽然有较高的转化效率，但载氧体的流化和分离使得系统相对复杂且能耗高，受可靠性和经济性限制，实现大型化运行仍然任重道远。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能实现气体燃料的化学链燃烧反应，无需将载氧剂流化，从而降低了反应器的能量消耗，也避免了常规的固定床化学链燃烧反应装置的复杂管道布置和换向控制机构，而且结构简单，制造安装和运行维护方便的回转式固定床化学链燃烧反应装置。

本发明的技术方案是：一种回转式固定床化学链燃烧反应装置包括机架、固定床、上端盖、下端盖、隔板、气体管、排气管、驱动机构和密封机构；

所述驱动机构由变频调速电机、减速器和联轴器组成；

所述固定床呈圆柱形，其内部由燃料反应区、空气反应区和密封区三部分组成，所述密封区设置在所述燃料反应区与空气反应区之间，所述燃料反应区和空气反应区内均设置有若干隔板，所述隔板将所述燃料反应区和空气反应区分为多个体积相等的扇形区域，每个所述扇形区域均内部填充有载氧体，所述固定床的底部设有篦板，外沿接触面设有滑动轨道，圆心设置有驱动轴；

所述上端盖的下端面的直径与所述固定床的直径相等，其内部由上端盖隔板分为体积相等的两个腔体，每个腔体上均开有管孔，每个所述管孔上均连接所述排气管；所述上端盖隔板的下端对称设置与所述扇形区域端面大小相等的扇形密封板，

所述下端盖的上端面的直径与所述固定床的直径相等，其内部由下端盖隔板分为体积相等的两个腔体，每个腔体上均开有管孔，每个所述管孔上均连接所述气体管；所述下端盖隔板的上端对称设置与所述扇形区域端面大小相等的扇形密封板；所述下端盖的上端面外沿上设置支撑轨道，所述支撑轨道内设有滚珠；

所述上端盖和下端盖同心安装于所述固定床的上端和下端，所述固定床与所述上端盖和下端盖连接处内外均设有所述密封结构，所述上端盖和下端盖分别固定安装在所述机架上，所述驱动轴通过所述联轴器和减速器与所述变频调速电机联接，所述支撑轨道和滚珠与所述滑动轨道配合可以保证所述变频调速电机驱动所述固定床转动时的工作轴线，避免转动跑偏，并减小摩擦阻力和动力消耗。

进一步，所述固定床与所述上端、下端盖间外部的密封机构为水封，所述水封采用上部圆形密封刀浸入下部圆形密封水槽，浸入深度根据燃料气和空气间的压差而定。

所述固定床与所述上端盖和下端盖的接触面的边沿设置的密封机构为动密封，所述动密封为气封或迷宫密封实现扇形密封板底面与所述固定床的扇形区域上端和下端平面之间的密封，防止燃料反应区和空气反应区之间的串气。

所述气体管路和出气管路上均设有设置阀门和流量控制器以调节气体流量。

所述固定床、上端盖、下端盖、隔板、上端盖扇形密封板和下端盖扇形密封板内衬耐火材料；所述气体管、排气管外覆有保温材料。

所述载氧体根据气体燃料的种类填充金属氧化物载氧体或硫酸盐非金属载氧体。

本装置的气体燃料的化学链燃烧反应过程如下：气体燃料经管路进入燃料反应区，与其中的载氧体颗粒发生气固反应，气体燃料被氧化后转变为CO₂和水蒸气，经热气管路进入透平机做功或换热器释热，然后经冷凝器将水分去除后成为CO₂纯度较高的气体，最后将其压缩变成干冰或封存处理；空气进入空气反应区与失氧后的载氧体颗粒发生气固反应，载氧体颗粒被氧化重新获得氧，而失氧后的空气经管路进入透平机做功或换热器释热。

本发明的有益效果：由于采用上技术方案，本发明与串行流化床化学链燃烧反应装置相比，载氧体不需要进行传递，省却了流化输送所消耗的能量及其流化和分离装置；与现有固定床化学链燃烧反应装置相比，不需要复杂的管路布置和换向机构；系统可以实现连续运行，并能根据气体燃料流量进行规模的放大或增加装置台数。

附图说明

图1是化学链燃烧工作原理示意图。

图2是回转式固定床化学链燃烧反应装置的结构示意图。

图3是回转式固定床上端盖截面A-A示意图。

图4是回转式固定床下端盖截面B-B示意图。

图5是回转式固定床横截面C-C示意图。

图中：

1.固定床，2.篦板，3.上端盖，4.下端盖，5.气体管，6.排气管，7.隔板，8.驱动轴，9.阀门，10.流量控制器，11.上端盖隔板，12.下端盖隔板，13.扇形密封板，14.变频调速电机，15.减速器，16.联轴器，17.密封机构，18.支撑轨道，19.滚珠，20.机架，21.载氧体，22. 燃料反应区，23.空气反应区，24.密封区。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图2~5所示为本发明一种回转式固定床化学链燃烧反应装置的结构示意图，该装置由固定床1，篦板2，上端盖3，下端盖4，气体管5，排气管6，隔板7，驱动轴8，阀门9，流量控制器10，上端盖隔板11，下端盖隔板12，扇形密封板13，变频调速电机14，减速器15，联轴器16，密封机构17，支撑轨道18，滚珠19，机架20，载氧体21，燃料反应区22，空气反应区23，密封区24组成。

呈圆柱形的固定床1，其内部由燃料反应区22、空气反应区23和密封区24三部分组成，密封区24设置在燃料反应区22与空气反应23区之间，燃料反应区22和空气反应区23内均设置有若干隔板7，用于阻止燃料气和空气之间串风，燃料反应区22和空气反应区23的大小可根据气体燃料种类和流量等具体设定或调整，隔板7同时可以起到轮毂的支撑作用以增加固定床1的机械强度及抗变形能力，每个扇形区域内部均填充载氧体21，床底部设篦板2对载氧体21起支撑作用，外沿接触面设有滑动轨道，圆心位置设置有驱动轴8伸出通过联轴器16与减速器15和调速电机14连接，固定床1两端分别设有同心安装的上端盖3和下端盖4，端盖与固定的机架20紧固连接，上端盖3的下端面的直径与固定床1的直径相等，其内部由上端盖隔板11分为体积相等的两个腔体，每个腔体上均开有管孔，每个所述管孔上均连接有排气管6；上端盖隔板11的下端对称设置与扇形区域端面大小相等的扇形密封板13，下端盖4的上端面的直径与固定床1的直径相等，其内部由下端盖隔板12分为体积相等的两个腔体，每个腔体上均开有下端盖管孔，每个所述管孔上均连接气体管5；所述下端盖隔板的上端对称设置与所述扇形区域端面大小相等的扇形密封板；下端盖4外沿接触面上设置支撑轨道18和滚珠19，固定床下端部外沿设滑动轨道，三者配合既可以保持固定床转子的工作轴线，避免转动跑偏，又可以减小摩擦阻力和动力消耗。气体管5和出气管6上均设有设置阀门9和流量控制器10以调节气体流量。

固定床1的外壳、上端盖、下端盖及其隔板内衬耐火材料，气体管5和出气管6的管外覆有保温材料。

设置在固定床1与上端盖3、下端盖4间的外部的密封机构17为水封，水封采用上部圆形密封刀浸入下部圆形密封水槽，浸入深度根据燃料气和空气间的压差而定；

设置在所述固定床1与所述上端盖3和下端盖4的接触面的边沿上的密封机构17为动密封，所述动密封为气封或迷宫密封实现扇形密封板底面和所述固定床的扇形区域上端和下端平面之间的密封，防止燃料反应区和空气反应区之间的串气。

所述固定床内部可以根据气体燃料的种类填充不同材料的载氧体，如金属氧化物（如CuO、Mn₂O₃、Co₃O₄ 、NiO和Mn₂O₃等）载氧体和硫酸盐（如CaSO₄、BaSO₄等）非金属载氧体。燃料反应区与空气反应区的载氧体分别经历失氧和得氧，反应完全后反应能力丧失，需要将其交替更新，驱动机构即可实现此功能。

驱动机构可以采用轴驱动方式，亦可采用曲柄连杆机构或齿轮传动机构等其他方式，本实施例中驱动机构包括变频调速电机14、减速器15和联轴器16等。驱动机构将变频调速电机14的转动转化为固定床回转运动的驱动力，带动固定床1在上端盖3、下端盖4之间匀速转动。变频调速电机的转速可根据工况进行调节，满足反应装置的不同工况需求。

该装置气体燃料的化学链燃烧反应过程如下：气体燃料经气体管5进入燃料反应区22，与其中的载氧体21颗粒发生气固反应，气体燃料被氧化后转变为CO₂和水蒸气，经排气管6进入透平机做功或换热器释热，然后经冷凝器将水分去除后成为CO₂纯度较高的气体，最后将其压缩变成干冰或封存处理；空气经气体管5进入空气反应区23与失氧后的载氧体颗粒发生气固反应，载氧体21颗粒被氧化重新获得氧，而失氧后的空气经排气管6进入透平机做功或换热器释热。这样，气体燃料和空气的燃烧化学反应被分解成燃料反应器22和空气反应器23中的两个气固反应，而化学反应热被反应后气体带走，进入透平机做功或换热器释热。

Claims (5)

1. 一种回转式固定床化学链燃烧反应装置，其特征在于，该装置包括机架（20）、固定床（1），篦板（2）、上端盖（3）、下端盖（4）、气体管（5）、排气管（6）、隔板（7）、驱动轴（8）驱动机构和密封机构（17）；

所述驱动机构由变频调速电机（14）、减速器（15）和联轴器（16）组成；

其中，所述固定床呈圆柱形，其内部由燃料反应区（22）、空气反应区（23）和密封区（24）三部分组成，所述密封区（24）设置在所述燃料反应区（22）与空气反应区（23）之间，所述燃料反应区（22）和空气反应区（23）内均设置有若干隔板（7），所述隔板（7）将所述燃料反应区（22）和空气反应区（23）分为多个体积相等扇形区域，每个所述扇形区域内部均填充有载氧体（21），所述固定床（1）的底部设有篦板（2），外沿接触面设有滑动轨道，圆心设置有所述驱动轴（8）；

所述上端盖（3）的下端面的直径与所述固定床（1）的直径相等，其内部由上端盖隔板（11）分为体积相等的两个腔体，每个腔体的顶端均开有管孔，每个所述管孔上均设有所述排气管（6）；所述上端盖隔板的下端对称设置与所述扇形区域端面大小相等的扇形密封板（13），

所述下端盖（4）的上端面的直径与所述固定床（1）的直径相等，其内部由下端盖隔板（12）分为体积相等的两个腔体，每个腔体的顶端均开有下端盖管孔，每个所述管孔上均设有所述气体管（5）；所述下端盖隔板（12）的上端对称设置与所述扇形区域端面大小相等的扇形密封板（13）；所述下端盖（4）的上端面外沿上设置支撑轨道（18），所述支撑轨道（18）内设有滚珠（19）；

所述上端盖（3）和下端盖（4）同心安装于所述固定床（1）的上端和下端，所述固定床（1）与所述上端盖（3）和下端盖（4）的连接处外侧和接触面的边沿上均设有所述密封结构（17），所述上端盖（3）和下端盖（4）均固定安装在所述机架（20）上，所述驱动轴（8）通过所述联轴器（16）与减速器（15）和所述变频调速电机（14）联接，所述支撑轨道和滚珠（19）与所述滑动轨道（18）配合可以保持所述变频调速电机（14）驱动所述固定床（1）转动时的工作轴线，避免转动跑偏，并减小摩擦阻力和动力消耗。

2.根据权利要求1所述的回转式固定床化学链燃烧反应装置，其特征在于，设置在固定床（1）与上端盖（3）、下端盖（4）间的外部的密封机构（17）为水封，水封采用上部圆形密封刀浸入下部圆形密封水槽，浸入深度根据燃料气和空气间的压差而定；

设置在所述固定床（1）与所述上端盖（3）和下端盖（4）的接触面的边沿上的密封机构（17）为动密封，所述动密封为气封或迷宫密封实现扇形密封板底面和所述固定床的扇形区域上端和下端平面之间的密封，防止燃料反应区和空气反应区之间的串气。

3.根据权利要求1所述的回转式固定床化学链燃烧反应装置，其特征在于，所述气体管（5）和出气管（6）上分别设置阀门（9）和流量控制器（10）以调节气体流量。

4.根据权利要求1所述的回转式固定床化学链燃烧反应装置，其特征在于，所述固定床（1）、上端盖（3）、下端盖（4）、隔板（7）、上端盖隔板（11）、下端盖隔板（12）和扇形密封板（13）的内衬为耐火材料；所述气体管（5）和排气管（6）的管外覆有保温材料。

5.根据权利要求1所述的回转式固定床化学链燃烧反应装置，其特征在于，所述载氧体（21）根据气体燃料的种类填充金属氧化物载氧体或硫酸盐非金属载氧体。

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