CN102818259A - 一种旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：包括圆柱形外壳，布风板设于圆柱形外壳的上层和下层之间，齿轮轴承设于布风板上部中心，固定轴承设于布风板下部中心，轴心一端通过齿轮连接齿轮轴承，轴心另一端连接固定轴承；旋转叶片设于齿轮轴承上，固定叶片设于固定轴承上。本发明提供的一种旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法克服了现有技术的不足，通过切换式分级反应，能达到较高的C02捕集效率和浓度，提高了系统的热效率，且结构简单、易于操作、经济性能好。

Description

一种旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法，属于燃烧反应器技术领域。
背景技术
目前，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。目前的化学链燃烧反应器主要是串型流化床反应器(Interconnectedfluidized-bed)和双循环流化床反应器(Dual CFB)。这两种反应器虽然可以实现较高的CO2减排效率，但是结构和工艺过程非常复杂，且需要很好的控制自动化技术与其匹配，同时也使得加工成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、易于操作、经济性能好、且能达到较高的CO2捕集效率和浓度的旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法。
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旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：包括圆柱形外壳，布风板设于圆柱形外壳的上层和下层之间，齿轮轴承设于布风板上部中心，固定轴承设于布风板下部中心，轴心一端通过齿轮连接齿轮轴承，轴心另一端连接固定轴承；旋转叶片设于齿轮轴承上，固定叶片设于固定轴承上。
优选地，所述旋转叶片下平面和圆周均设有金属网。
优选地，所述圆柱形外壳的上层被所述旋转叶片分隔成面积相等的N块，N＞6；所述圆柱形外壳的下层被所述固定叶片分隔成4块，分别为气体燃料区、第一水蒸气区、空气区和第二水蒸气区。
优选地，所述第一水蒸气区和第二水蒸气区的横截面积均与所述圆柱形外壳的上层被所述旋转叶片分隔成的每一小块的横截面积相等。
优选地，所述气体燃料区和空气区对应的上层空间均设有排气通道。
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旋转型化学链燃烧反应器装置使用方法，其特征在于：首先，在布风板上层旋转叶片之间铺设氧载体；然后，分别从圆柱形外壳下层的气体燃料区、第一水蒸气区、空气区和第二水蒸气区下部通入气体燃料、水蒸气、空气和水蒸气；最后，用电机连接轴心，带动齿轮轴承和旋转叶片匀速转动。
优选地，所述气体燃料为天然气或合成气。
本发明提供的一种旋转型化学链燃烧反应器装置的燃料不与空气接触燃烧，而是通过氧载体的循环转动发生交替的氧化-还原反应，实现燃料的燃烧过程，即：当氧载体转动到气体燃料区上方时，发生还原反应，氧载体被还原成金属单质或低价态的金属氧化物，同时燃料被氧化生成CO2和H2O，生成的气体被排出，通过冷凝即可捕集到高浓度的CO2。旋转叶片继续转动，此部分氧载体慢慢经过第一水蒸气区，经过水蒸气的吹扫使得此部分氧载体中不再含有CO2，然后继续转动到达空气区，发生氧化反应，氧载体被空气中的氧气氧化成原始状态，富含N2和部分O2、H2O的烟气被排出，此部分氧载体继续转动经过第二水蒸气区后，包含的烟气被水蒸气吹扫干净，再转动进入气体燃料区进行下一次循环。
相比现有技术，本发明提供的一种旋转型化学链燃烧反应器装置具有如下有益效果：
(1)切换式分级反应，可以将燃料和空气隔离，是一种高效的CO2减排技术；
(2)分级反应可以实现能量的梯级利用，有效提高系统的热效率；
(3)结构简单，操作方便，不需要复杂的自动化控制与其匹配，相应的投资成本和运行维护费用均能降低；
(4)能实现良好的密封性能，达到较高的CO2捕集效率和较高的CO2浓度。
本发明提供的一种旋转型化学链燃烧反应器装置及其使用方法克服了现有技术的不足，通过切换式分级反应，能达到较高的CO2捕集效率和浓度，提高了系统的热效率，且结构简单、易于操作、经济性能好。
附图说明
图1为本发明提供的一种旋转型化学链燃烧反应器装置示意图；
图2为本实施例中圆柱形外壳下层区域平面结构示意图；
附图标记说明
1-圆柱形外壳；2-旋转叶片；3-布风板；4-固定叶片；5-齿轮轴承；6-固定轴承；7-气体燃料区；8-第一水蒸气区；9-空气区；10-第二水蒸气区。
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旋转型化学链燃烧反应器装置示意图，所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置包括圆柱形外壳1，圆柱形外壳1内分上、下两层，布风板3装在圆柱形外壳1的上层和下层之间，将两层空间隔绝。齿轮轴承5装在布风板3上部中心，固定轴承6装在布风板3下部中心，旋转叶片2装在齿轮轴承5上，固定叶片4装在固定轴承6上。轴心一端连接固定轴承6，轴心另一端与齿轮轴承5通过齿轮连接从而带动齿轮轴承5和旋转叶片2转动。在旋转叶片2下平面和圆周(即与圆柱形外壳1内表面连接处)安装金属网。
圆柱形外壳1的上层被旋转叶片2分隔成面积相等的N块，N＞6。结合图2，圆柱形外壳1的下层被固定叶片4分隔成4块，分别为气体燃料区7、第一水蒸气区8、空气区9和第二水蒸气区10。第一水蒸气区8和第二水蒸气区10的横截面积均与圆柱形外壳1的上层被旋转叶片2分隔成的每一小块的横截面积相等。气体燃料区7和空气区9对应的上层空间均设置排气通道。
使用时，在布风板3上层旋转叶片2之间铺设氧载体，分别从圆柱形外壳1下层的气体燃料区7、第一水蒸气区8、空气区9和第二水蒸气区10下部通入气体燃料(天然气或合成气)、水蒸气、空气和水蒸气，用电机连接轴心，带动齿轮轴承5和旋转叶片2匀速转动，从圆柱形外壳1下层通入的气体燃料、水蒸气、空气通过布风板3使铺设在旋转叶片2之间的氧载体流化，流化模型为鼓泡床或湍流床，产生的烟气通过独立的排气通道排出，实现高浓度CO2的捕集。
铺设在圆柱形外壳1的上层布风板3上各小区域的氧载体依次通过气体燃料区7、第一水蒸气区8、空气区9和第二水蒸气区10，经历的过程依次是还原反应-清洗-氧化反应-清洗，不断循环。以CH4作为燃料，以MeO表示金属氧化物，还原反应和氧化反应过程式如下：
还原反应：4MeO+CH4→4Me+2H2O+CO2
氧化反应：4M+2O2→4MeO
第一水蒸气区8和第二水蒸气区10通入水蒸气有两个作用：一是作为惰性气体清洗氧载体中残留的烟气，可以使还原反应产生的CO2不被空气中的N2稀释，有效捕集CO2，以便封存或利用；二是起到流化作用。
当氧载体转动到气体燃料区7和第一水蒸气区8交界处时，同一小块的氧载体一部分在气体燃料区7，一部分在第一水蒸气区8，此部分的氧载体发生还原反应产生的CO2被通入的水蒸气不断吹走，通过上部的排气通道排出。直到此部分氧载体完全经过空气区9，到达第二水蒸气区10，开始发生氧化反应，得到的富含N2的烟气从空气区9上方的排气通道排出，当继续转动到空气区9和第二水蒸气区10交界处时，通入的水蒸气会将此部分含有的N2吹扫干净，然后进入气体燃料区7。因此，第一水蒸气区8和第二水蒸气区10中通入水蒸气可以起到良好的密封作用，达到较高的CO2捕集效率以及CO2浓度。

Claims (7)

1.一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：包括圆柱形外壳(1)，布风板(3)设于圆柱形外壳(1)的上层和下层之间，齿轮轴承(5)设于布风板(3)上部中心，固定轴承(6)设于布风板(3)下部中心，轴心一端通过齿轮连接齿轮轴承(5)，轴心另一端连接固定轴承(6)；旋转叶片(2)设于齿轮轴承(5)上，固定叶片(4)设于固定轴承(6)上。
2.如权利要求1所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：所述旋转叶片(2)下平面和圆周均设有金属网。
3.如权利要求1所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：所述圆柱形外壳(1)的上层被所述旋转叶片(2)分隔成面积相等的N块，N＞6；所述圆柱形外壳(1)的下层被所述固定叶片(4)分隔成4块，分别为气体燃料区(7)、第一水蒸气区(8)、空气区(9)和第二水蒸气区(10)。
4.如权利要求4所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：所述第一水蒸气区(8)和第二水蒸气区(10)的横截面积均与所述圆柱形外壳(1)的上层被所述旋转叶片(2)分隔成的每一小块的横截面积相等。
5.如权利要求5所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置，其特征在于：所述气体燃料区(7)和空气区(9)对应的上层空间均设有排气通道。
6.一种旋转型化学链燃烧反应器装置使用方法，其特征在于：首先，在布风板(3)上层旋转叶片(2)之间铺设氧载体；然后，分别从圆柱形外壳(1)下层的气体燃料区(7)、第一水蒸气区(8)、空气区(9)和第二水蒸气区(10)下部通入气体燃料、水蒸气、空气和水蒸气；最后，用电机连接轴心，带动齿轮轴承(5)和旋转叶片(2)匀速转动。
7.如权利要求7所述的一种旋转型化学链燃烧反应器装置使用方法，其特征在于：所述气体燃料为天然气或合成气。
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