CN102798221A - 一种化学链燃烧装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种化学链燃烧装置，其特征在于：包括空气反应器流化床和与之连接的旋风分离器，侧面下端设有螺旋进料器的燃料反应器通过第一流动密封阀连接旋风分离器；回料管上端口通过第二流动密封阀连接燃料反应器，回料管下端口连接空气反应器流化床。本发明还提供了该化学链燃烧装置的使用方法，其特征在于：使用固体燃料时，从螺旋进料器匀速加入燃料，从燃料反应器布风板下面的端口C通入水蒸气和/或CO₂；使用气体燃料时，直接从端口C通入气体燃料；通过调节栅板的倾斜度调节栅板上氧载体颗粒的流动速率。本发明提供的装置能灵活、有效地控制燃料反应器中颗粒停留时间，提高反应效率，且能实现固体燃料与氧载体的良好分离。

Description

一种化学链燃烧装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种化学链燃烧装置及其使用方法，属于化学链系统技术领域。

背景技术

化学链燃烧(Chemical looping combustion)技术是一种革命性的新型燃烧方式，它将传统的一步燃烧反应分解为两步分别在燃料反应器和空气反应器中进行，通过中间循环氧载体(通常为金属氧化物)将空气中的氧提供给燃料。在传统燃烧反应中，因为N₂的稀释，烟气中CO₂浓度仅13％左右，需要消耗大量的能量才能将其捕集；而在化学链燃烧过程中，燃料和空气是隔离的，因此在燃料反应器中产生的烟气不会被空气中的N₂稀释，其主要成分为CO₂和H₂O，经过简单的冷凝就可以得到高纯度的CO₂以便利用或封存。同时，它还能有效抑制其他污染物的产生，而且，因为能量的梯级利用，化学链燃烧方式可以提高系统的热效率。因此，化学链燃烧技术是一种高效、清洁的燃烧方式，目前也是国内外研究的热点方向。

化学链燃烧技术的燃料适应性很强，气体、液体、固体燃料均能适用。而针对不同燃料形式、氧载体类型的反应器设计一直是化学链技术研究领域的一项重要工作。2000年以前，化学链技术的相关研究主要集中在使用气体燃料方面，2000年后，各国研究者才逐渐开发燃用固体燃料(主要是煤、石油焦等)的化学链系统。燃用固体燃料比燃用气体燃料的化学链燃烧过程更复杂，更难以控制，主要原因是燃料反应器中的固-固反应速率比空气反应器中的气-固反应速率小2-3个数量级，在两个反应器的结构设计和运行控制上存在很大的困难。

目前设计的用于燃用固体燃料的化学链燃烧反应器主要是串型流化床反应器(Interconnected fluidized-bed)和双循环流化床反应器(Dual CFB)。串行流化床反应器形式类似于传统的循环流化床，由一个快速床的空气反应器和一个低速鼓泡床/湍流床的燃料反应器组成，两个反应器之间用流动密封阀隔绝，然而简单的低速鼓泡床/湍流床结构依然很难满足颗粒长停留时间的需求。双循环流化床反应器由两个循环流化床系统串接而成，这给系统设计、运行控制都带来了较大的困难，同时也会加大系统经济投资。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，能灵活、有效地控制燃料反应器中颗粒停留时间，且能实现固体燃料与氧载体的良好分离的化学链燃烧反应器及其使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是提供一种化学链燃烧装置，其特征在于：包括空气反应器流化床，旋风分离器与空气反应器流化床连接，燃料反应器通过第一流动密封阀连接旋风分离器，螺旋进料器设于燃料反应器的侧面下端；回料管上端口通过第二流动密封阀连接燃料反应器，回料管下端口连接空气反应器流化床。

优选地，所述空气反应器流化床包括空气反应主室，空气反应器布风板设于空气反应主室下方，空气反应器提升管通过空气反应器过渡段设于空气反应主室上方；空气反应主室与所述回料管连接，空气反应器提升管与所述旋风分离器连接。

优选地，所述风分离器包括气固分离器及设于其下方的旋风分离器下降管；气固分离器的入口与所述空气反应器提升管的上端出口水平连接，旋风分离器下降管的下端出口连接所述第一流动密封阀。

优选地，所述燃料反应器内设有“Z”字型栅板，栅板的上端通过轴与燃料反应器壁面连接；燃料反应器底部设有燃料反应器布风板，燃料反应器布风板隔板设于燃料反应器布风板与所述第二流动密封阀之间。

优选地，所述栅板上设有骨架支撑及网面；所述栅板的下端设有凸头，设于燃料反应器壁面上的栅板滑动平台上设有滑道和与凸头对应的凹坑，凸头内设有弹簧，弹簧拉伸状态下栅板可在滑道内滑动，弹簧压缩状态下凸头卡在凹坑内。

为了解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是提供一种化学链燃烧装置的使用方法，其特征在于：使用固体燃料时，从螺旋进料器匀速加入燃料，从燃料反应器布风板下面的端口C通入水蒸气和/或CO₂作为流化风和气化剂；使用气体燃料时，直接从端口C通入气体燃料；

通过调节栅板的倾斜度调节栅板上氧载体颗粒的流动速率，在燃料反应器中，有以下4种可能的状况：

(A)氧载体颗粒在燃料反应器上端无法接触到CO、H₂而是接触到已经被氧化而生成的CO₂和H₂O；

(B)氧载体颗粒在流动到燃料反应器中段就已经全部被还原；

(C)氧载体颗粒在流入到第二流动密封阀中时仍有部分没有被还原；

(D)反应气体在通过最上层栅板后仍有部分没有被氧化成CO₂和H₂O。

对于状况(A)(C)，此时应减小栅板的倾斜度或者提高燃料供给速率；对于状况(B)(D)，此时应增大栅板的倾斜度或者降低燃料供给速率。

本发明提供的一种化学链燃烧装置的燃料反应器中有独特的“Z”字型交错布置栅板结构，氧载体从上面一块栅板的下端出口流入到下面一块栅板的上端，如此可以极大地延长氧载体颗粒在燃料反应器中的停留时间。另外，氧载体颗粒通过最下端的栅板直接流入到第二流动密封中，而不与燃料反应器内的固体燃料接触，从而避免了两者的分离问题。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)燃料反应器中独特的“Z”字型交错布置栅板结构可以灵活控制氧载体颗粒在燃料反应器中的停留时间，提高反应效率；

(2)栅板一端固定，而另一端可以灵活地偏转调整栅板的倾斜度，从而调节氧载体在栅板上的流动速率，控制氧载体还原反应的进程；

(3)氧载体颗粒通过最下层栅板后直接流入到第二流动密封阀中，不与固体燃料接触，避免了氧载体颗粒与固体燃料颗粒的分离难题；

(4)对固体燃料及气体燃料均能适用。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，结构简单，能灵活、有效地控制燃料反应器中颗粒停留时间，提高反应效率，且能实现固体燃料与氧载体的良好分离，对固体燃料及气体燃料均能适用。

附图说明

图1为本发明提供的一种化学链燃烧装置示意图；

图2为本实施例中燃料反应器中栅板位置调节结构示意图；

附图标记说明

1-空气反应器流化床；1-1-空气反应器布风板；1-2-空气反应主室；1-3-空气反应器过渡段；1-4-空气反应器提升管；2-旋风分离器；2-1-气固分离器；2-2-旋风分离器下降管；3-第一流动密封阀；4-燃料反应器；4-1-栅板；4-2-轴；4-3-燃料反应器布风板；4-4-燃料反应器布风板隔板；4-5-栅板滑动平台；4-6-凹坑；4-7-凸头；4-8-滑道；5-螺旋进料器；6-第二流动密封阀；7-回料管。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的一种化学链燃烧装置示意图，所述的一种化学链燃烧装置包括空气反应器流化床1，空气反应器流化床1的主体功能结构包括横截面积依次减小的空气反应主室1-2、空气反应器过渡段1-3和空气反应器提升管1-4。空气反应器布风板1-1位于空气反应主室1-2下方，空气反应器提升管1-4通过空气反应器过渡段1-3装在空气反应主室1-2上方。

旋风分离器2与空气反应器流化床1连接。旋风分离器2包括气固分离器2-1及位于其下方的旋风分离器下降管2-2，气固分离器2-1的入口与空气反应器提升管1-4的上端出口水平连接，旋风分离器下降管2-2的下端出口连接第一流动密封阀3。

燃料反应器4通过第一流动密封阀3连接旋风分离器2。燃料反应器4内呈“Z”字型交错布置若干栅板4-1，栅板4-1的上端通过轴4-2与燃料反应器4壁面连接；燃料反应器4底部，最下面一块栅板4-1之下，燃料反应器布风板隔板4-4将燃料反应器布风板4-3与第二流动密封阀6隔开。

结合图2，栅板4-1上装有骨架支撑及网面。栅板4-1的下端有凸头4-7，燃料反应器4壁面上开设了栅板滑动平台4-5，栅板滑动平台4-5上开设了滑道4-8和与凸头4-7对应的凹坑4-6，凸头4-7内设装有弹簧，弹簧拉伸状态下栅板4-1可在滑道4-8内滑动，弹簧压缩状态下凸头4-7卡在凹坑4-6内使栅板4-1固定。

回料管7上端口通过第二流动密封阀6连接燃料反应器4，回料管7下端口连接空气反应器流化床1。

工作时，若选用固体燃料，从燃料反应器4下方的端口C通入流化气体水蒸气和/或CO₂将固体燃料气化，固体燃料由安装在燃料反应器4下端右侧的螺旋进料器5匀速给入，具体的反应为：

C+H₂O→H₂+CO

C+CO₂→2CO

生成的CO、H₂向上流动，穿过层层栅板4-1与栅板4-1网面上的氧载体发生反应，将氧载体还原，具体的反应为：

MeO+H₂→Me+H₂O

MeO+CO→Me+CO₂

反应生成的混合烟气中富含CO₂和H₂O，从燃料反应器4上方的端口G排出，经过简单的冷凝过程即可得到高浓度的CO₂。同时，可从得到的混合烟气中抽取一部分返回至燃料反应器布风板4-3下方的端口C作为燃料反应器4的流化气体。

氧载体从上面一块栅板4-1的下端出口流入到下面一块栅板4-1的上端，如此可以极大地延长氧载体颗粒在燃料反应器4中的停留时间。另外，氧载体颗粒通过最下端的栅板4-1直接流入到第二流动密封6中，而不与燃料反应器4内的固体燃料接触，从而避免了两者的分离问题。

同时，每一块栅板4-1的倾斜度均可以进行调节，这样就可以非常灵活地控制在每一块栅板4-1上氧载体颗粒的流动速率，从而可以有效地控制氧载体颗粒的还原反应的进程。氧载体颗粒以高价态的稳定状态(以MeO表示)进入燃料反应器4的最上层栅板4-1，其在向下折回流动的过程中被固体燃料气化所产生的合成气CO、H₂或者气态燃料(如CH₄)还原成金属单质或者低价态的金属氧化物，以Me表示，最后流入到第二流动密封阀6中。在燃料反应器4中，可能会出现如下几种状况：(A)氧载体颗粒MeO在燃料反应器4上端无法接触到CO、H₂而是接触到已经被氧化而生成的CO₂和H₂O；(B)氧载体颗粒MeO在流动到燃料反应器中段就已经全部被还原成Me；(C)氧载体颗粒MeO在流入到第二流动密封阀6中时仍有部分没有被还原成Me；(D)反应气体在通过最上层栅板4-1后仍有部分没有被氧化成CO₂和H₂O。对于状况(A)、(C)，此时应减小栅板4-1的倾斜度或者提高燃料供给速率；对于状况(B)、(D)，需要增大栅板4-1的倾斜度或者降低燃料供给速率。同时，反应气体的流通速度也需要很好地配合才能实现较高的系统反应性能。

值得指出的是，氧载体从进入燃料反应器4到通过所有的栅板4-1进入到第二流动密封阀6中，栅板4-1网面上氧载体的状态是存在着差别的，具体而言，氧载体颗粒越往下流动，其中所包含的还原态氧载体(金属或低价态金属氧化物)的比例是越高的，理想状态是氧载体颗粒在流入到第二流动密封阀6中时均能被还原；另一方面，产生的合成气CO、H₂越往上流动，它们被氧化而生成的CO₂和H₂O的比例就越高，而此时最理想的状态则是产生的合成气在离开最上面一层栅板4-1时能被全部转化成CO₂和H₂O。而根据气化反应以及氧载体的还原反应动力学规律，通过调节栅板4-1的倾斜度来控制氧载体流动速率，同时配合调节流化气体的流速可以灵活、有效地控制氧载体还原反应的进程，提高系统的CO₂捕集效率和浓度。

燃料反应器4下端设计排渣口E，用来排渣。在燃料反应4中设置一竖直燃料反应器布风板隔板4-4，在最下面一块栅板4-1之下，这样设计的优点有两个：1.彻底将氧载体颗粒与固体燃料颗粒隔离，避免了两者的分离问题；2.为第二流动密封阀6与燃料反应器4的分别送风提供可能。在第二流动密封阀6中，从其下方的端口D通入水蒸气作为流化风，同时起到良好的密封作用，然后将氧载体颗粒通过回料管7返回到空气反应器流化床1中。

空气反应器流化床1底部设计端口A，通入空气作为流化气体将还原态的氧载体颗粒流化，在空气反应主室1-2内发生氧载体颗粒的氧化反应，当流化颗粒经过空气反应器过渡段1-3，空气反应器的横截面积迅速减小，颗粒的流化形式从湍流流化状态转换成快速流化状态，流化气体将氧载体颗粒迅速提升、输送的同时将氧载体颗粒进一步氧化至稳定状态。在旋风分离器2中，氧载体颗粒与产生的烟气被分离，烟气中富含N₂，从旋风分离器2上端被排出，而氧载体颗粒通过旋风分离器下降管2-2进入第一流动密封阀3内，从第一流动密封阀3端口B通入水蒸气作为流化风，起到密封作用，氧载体颗粒进一步被输送至燃料反应器4内的最上层栅板4-1，完成一次氧载体颗粒的循环。

若选用气体燃料，如CH₄，则将气体燃料直接从燃料反应器布风板4-3下方的端口C通入，无需螺旋进料器5，气体燃料在燃料反应器4中的流动速度是可以根据反应特性灵活调整的，以CH₄为例，此时氧载体颗粒发生的还原反应为：

4MeO+CH₄→4Me+2H₂O+CO₂

本发明提供的装置结构简单，能灵活、有效地控制燃料反应器中颗粒停留时间，提高反应效率，且能实现固体燃料与氧载体的良好分离，对固体燃料及气体燃料均能适用。

Claims (6)

1.一种化学链燃烧装置，其特征在于：包括空气反应器流化床(1)，旋风分离器(2)与空气反应器流化床(1)连接，燃料反应器(4)通过第一流动密封阀(3)连接旋风分离器(2)，螺旋进料器(5)设于燃料反应器(4)的侧面下端；回料管(7)上端口通过第二流动密封阀(6)连接燃料反应器(4)，回料管(7)下端口连接空气反应器流化床(1)。

2.如权利要求1所述的一种化学链燃烧装置，其特征在于：所述空气反应器流化床(1)包括空气反应主室(1-2)，空气反应器布风板(1-1)设于空气反应主室(1-2)下方，空气反应器提升管(1-4)通过空气反应器过渡段(1-3)设于空气反应主室(1-2)上方；空气反应主室(1-2)与所述回料管(7)连接，空气反应器提升管(1-4)与所述旋风分离器(2)连接。

3.如权利要求1所述的一种化学链燃烧装置，其特征在于：所述风分离器(2)包括气固分离器(2-1)及设于其下方的旋风分离器下降管(2-2)；气固分离器(2-1)的入口与所述空气反应器提升管(1-4)的上端出口水平连接，旋风分离器下降管(2-2)的下端出口连接所述第一流动密封阀(3)。

4.如权利要求1所述的一种化学链燃烧装置，其特征在于：所述燃料反应器(4)内设有“Z”字型栅板(4-1)，栅板(4-1)的上端通过轴(4-2)与燃料反应器(4)壁面连接；燃料反应器(4)底部设有燃料反应器布风板(4-3)，燃料反应器布风板隔板(4-4)设于燃料反应器布风板(4-3)与所述第二流动密封阀(6)之间。

5.如权利要求4所述的一种化学链燃烧装置，其特征在于：所述栅板(4-1)上设有骨架支撑及网面；所述栅板(4-1)的下端设有凸头(4-7)，设于燃料反应器(4)壁面上的栅板滑动平台(4-5)上设有滑道(4-8)和与凸头(4-7)对应的凹坑(4-6)，凸头(4-7)内设有弹簧，弹簧拉伸状态下栅板(4-1)可在滑道(4-8)内滑动，弹簧压缩状态下凸头(4-7)卡在凹坑(4-6)内。

6.一种化学链燃烧装置的使用方法，其特征在于：使用固体燃料时，从螺旋进料器(5)匀速加入燃料，从燃料反应器布风板(4-3)下面的端口C通入水蒸气和/或CO₂作为流化风和气化剂；使用气体燃料时，直接从端口C通入气体燃料；

通过调节栅板(4-1)的倾斜度调节栅板(4-1)上氧载体颗粒的流动速率，在燃料反应器(4)中，有以下4种可能的状况：

(A)氧载体颗粒在燃料反应器(4)上端无法接触到CO、H₂而是接触到已经被氧化而生成的CO₂和H₂O；

(B)氧载体颗粒在流动到燃料反应器中段就已经全部被还原；

(C)氧载体颗粒在流入到第二流动密封阀(6)中时仍有部分没有被还原；

(D)反应气体在通过最上层栅板(4-1)后仍有部分没有被氧化成CO₂和H₂O。

对于状况(A)(C)，此时应减小栅板(4-1)的倾斜度或者提高燃料供给速率；对于状况(B)(D)，此时应增大栅板(4-1)的倾斜度或者降低燃料供给速率。

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