CN102865669A - 一种切换式化学链燃烧装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切换式化学链燃烧装置和方法。所述的化学链燃烧装置包括第一反应器及第二反应器，第二反应器置于第一反应器内，第一反应室与第一风室、第二反应室与第二风室之间设有一块布风板，布风板上设有均匀分布的风帽，风帽上设有开孔。方法为：布风板上均匀铺设氧载体颗粒，从两个风室通入的燃料气体和空气通过布风板上的风帽将氧载体颗粒流化并发生相应的化学反应；在反应室中通入燃料气和空气的间隔通入水蒸气进行清扫，同时，水蒸气与燃料气燃料反应产生的CO₂气体从同一端口排出。本发明对传统的切换式双固定床化学链燃烧反应器进行改进，采取嵌套式的反应器结构，并将颗粒的运行方式改进成流化床形式，可以实现两反应器间的换热。

Description

一种切换式化学链燃烧装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用化学链燃烧的装置和方法，尤其涉及一种切换式化学链燃烧装置和方法。

背景技术

化学链燃烧(Chemical looping combustion)技术是一种具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。

在化学链燃烧过程中，燃料适应性强，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。目前设计的用于化学链燃烧的反应器结构包括串型流化床反应器(Interconnected fluidized-bed)、双循环流化床反应器(Dual CFB)以及并行或切换式反应器等。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，两个反应床之间用流动密封阀隔绝；双循环流化床反应器由两个循环流化床系统串接而成。这两种设计结构均比较复杂，在系统运行、控制方面均存在较大的困难，同时也会加大系统经济投资。而通常设计的切换式反应器均是由两个固定床反应器组成，在两个反应器间切换气源，实现氧载体颗粒的氧化-还原循环反应。这种反应器结构的优点是结构简单，容易控制，但是同时也存在着反应效率较低、难以大型化等问题。

发明内容

本发明针对现有化学链燃烧系统结构和工艺过程复杂，自动化控制要求高或反应性能较低等问题，提供一种嵌套型的切换式化学链燃烧反应装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种切换式化学链燃烧装置，包括第一反应器及第二反应器，第一反应器包括第一反应室，第一反应室底部设有第一风室，第一反应室内上部设有第一金属网，第二反应器包括第二反应室，第二反应室底部设有第二风室，第二反应室内上部设有第二金属网，其特征在于，所述的第二反应器置于第一反应器内，第一反应室与第一风室、第二反应室与第二风室之间设有一块布风板，布风板上设有均匀分布的风帽，风帽上设有开孔。

优选地，所述的燃烧装置还包括第一总管路分别与第一支管路、第二支管路、第三支管路连通，第一支管路与第一风室连接，第二支管路与第二风室连接，第一总管路上设有阀门一，第一支管路上设有阀门二，第二支管路上设有阀门三；第二总管路分别与第四支管路、第五支管路、第六支管路连通，第四支管路与第一风室连接，第五支管路与第二风室连接，第二总管路上设有阀门四，第四支管路上设有阀门五，第五支管路上设有阀门六；第三总管路分别与第三支管路、第六支管路连通，第三总管路上设有阀门七；第一反应室顶部设有第四总管路，第四总管路分别与第七支管路、第八支管路连通；第二反应室顶部设有第五总管路，第五总管路分别与第九支管路、第十支管路连通；第八支管路、第九支管路分别通过管路与阀门十连通，阀门十还与第七支管路、第十支管路连通，第八支管路上设有阀门八，位于第七支管路及与阀门十连通的管路之间，第九支管路上设有阀门九，位于第十支管路及与阀门十连通的管路之间。

本发明还提供了一种切换式化学链燃烧方法，其特征在于，采用上述切换式化学链燃烧装置，布风板上均匀铺设氧载体颗粒，从第一风室和第二风室通入的燃料气体和空气通过布风板上的风帽将氧载体颗粒流化并发生相应的化学反应；当燃料气依次通过第一总管路、第一支管路/第二支管路进入第一反应室/第二反应室时，空气则依次通过第二总管路、第五支管路/第四支管路进入第二反应室/第一反应室，在反应室中通入燃料气和空气的间隔通入水蒸气进行清扫，同时，水蒸气与燃料气燃料反应产生的CO₂气体从同一端口排出。

优选地，阀门的控制方法为：阀门一与阀门四的开合一致，并与阀门七的开合相反；阀门二与阀门三的开合相反；阀门五与阀门六的开合相反，同时阀门二与阀门六的开合一致；阀门八与阀门九的开合一致，并与阀门十的开合相反；阀门八、阀门九的开合与阀门三、阀门五的开合保持一致。

在内、外反应器内的布风板上均铺设有氧载体颗粒，通入的气体通过风帽将氧载体颗粒流化并同时发生相应的化学反应，流化状态为鼓泡床或湍流床。当系统运行稳定后，内、外反应器内的氧载体颗粒的状态将会呈现出氧化或还原的两种相反状态。对反应器内的氧化态氧载体颗粒通入燃料气，同时对另一反应器中的还原态氧载体颗粒通入空气，以CH₄作为燃料，以MeO表示金属氧化物氧载体的氧化状态，Me表示相应的还原状态，则涉及的还原反应和氧化反应可以分别表示为：

还原反应：4MeO+CH₄→4Me+2H₂O+CO₂

氧化反应：4Me+2O₂→4MeO

通过对阀门的控制，使内反应器中通入的气体以燃料-水蒸气-空气-水蒸气的形式循环，相应地，外反应器中通入的气体则以空气-水蒸气-燃料-水蒸气的形式循环。同时，使燃料与氧载体反应生成的CO₂气体始终从同一出口排出以实现捕捉CO₂的连续性。为了实现这些功能，对系统中包含的10个阀门的控制是问题的关键。控制燃料和空气开关的主阀门是同时开启或关闭的，但是一个反应器中通入燃料的同时，另一个反应器中则通入空气；通入燃料、空气时，水蒸气阀门是关闭的，而水蒸气阀门开启的同时燃料、空气阀门关闭，通入水蒸气的作用一方面是对反应器进行清扫，起到密封的作用，提高CO₂捕捉效率和CO₂浓度，另一方面则是持续流化态过程。因为燃料还原氧载体反应速率较空气氧化氧载体反应速率要慢，因此控制燃料、空气开关的主阀门的切换点以燃料与氧载体颗粒发生的还原反应进程为准。

本发明对传统的切换式双固定床化学链燃烧反应器进行改进，采取嵌套式的反应器结构，并将颗粒的运行方式改进成流化床形式，可以实现两反应器间的换热。本发明提供的装置结构简单、易于操作、经济性能优良、且能达到良好的CO₂捕集效率和CO₂浓度，在结构、工艺较为简单的前提下实现高效的反应性能，同时便于系统的大型化。

本发明较现有技术的优点是：

1)反应器内氧载体颗粒不需要进行循环，只是发生状态的变化，这样可以避免很多在设计、运行方面的困难；两反应器采取嵌套式结构，彼此之间可以进行换热，这样可以更有效地利用热能，提高系统的热效率；

2)氧载体颗粒的流态化可以有效改进通入反应器中气体与氧载体颗粒的接触情况，提高系统反应性能；

3)产生的CO₂气体从固定的通道排出；

附图说明

图1为本发明提供的切换式化学链燃烧装置的结构示意图。

附图说明：

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1所示，为本发明提供的切换式化学链燃烧装置的结构示意图，包括第一反应器1及第二反应器2，第一反应器1包括第一反应室1-2，第一反应室1-2底部设有第一风室1-1，第一反应室1-2内上部设有第一金属网1-3，第二反应器2包括第二反应室2-2，第二反应室2-2底部设有第二风室2-1，第二反应室2-2内上部设有第二金属网2-3，第二反应器2置于第一反应器1内，第一反应室1-2与第一风室1-1、第二反应室2-2与第二风室2-1之间共用一块布风板3，布风板3上设有均匀分布的风帽4，风帽4上设有开孔，从中通过的气体将铺设在布风板3上的氧载体颗粒6流化并与其发生相应的化学反应。第一总管路L₁分别与第一支管路L_1-1、第二支管路L_1-2、第三支管路L_1-3连通，第一支管路L_1-1与第一风室1-1连接，第二支管路L_1-2与第二风室2-1连接，第一总管路L₁上设有阀门一5-1，第一支管路L_1-1上设有阀门二5-2，第二支管路L_1-2上设有阀门三5-3；第二总管路L₂分别与第四支管路L_2-1、第五支管路L_2-2、第六支管路L_2-3连通，第四支管路L_2-1与第一风室1-1连接，第五支管路L_2-2与第二风室2-1连接，第二总管路L₁上设有阀门四5-4，第四支管路L_2-1上设有阀门五5-5，第五支管路L_2-2上设有阀门六5-6；第三总管路L₃分别与第三支管路L_1-3、第六支管路L_2-3连通，第三总管路L₃上设有阀门七5-7；第一反应器1顶部设有第四总管路L₄，第四总管路L₄分别与第七支管路L_4-1、第八支管路L_4-2连通；第二反应器2顶部设有第五总管路L₅，第五总管路L₅分别与第九支管路L_5-1、第十支管路L_5-2连通；第八支管路L_4-2、第九支管路L_5-1分别通过管路与阀门十5-10连通，阀门十5-10还与第七支管路L_4-1、第十支管路L_5-2连通，第八支管路L_4-2上设有阀门八5-8，位于第七支管路L_4-1及与阀门十5-10连通的管路之间，第九支管路L_5-1上设有阀门九5-9，位于第十支管路L_5-1及与阀门十5-10连通的管路之间。

工作过程：

在布风板3上(包括第一反应室1-2和第二反应室2-2内)均匀铺设氧载体颗粒6，从第一风室1-1和第二风室2-1通入的气体通过布风板3上的风帽4将氧载体颗粒6流化并发生相应的化学反应。当燃料气依次通过第一总管路L₁、第一支管路L_1-1/第二支管路L_1-2进入第一反应室1-2/第二反应室2-2时，空气则依次通过第二总管路L₂、第五支管路L_2-2/第四支管路L_2-1进入第二反应室2-2/第一反应室1-2，在反应室中通入燃料气和空气的间隔通入水蒸气进行清扫。以上过程通过阀门的切换来实现，同时实现燃料反应产生的CO₂气体始终从同一端口排出。

阀门的具体控制方法为：阀门一5-1与阀门四5-4的开合一致，并与阀门七5-7的开合相反；阀门二5-2与阀门三5-3的开合相反；阀门五5-5与阀门六5-6的开合相反，同时阀门二5-2与阀门六5-6的开合一致；阀门八5-8与阀门九5-9的开合一致，并与阀门十5-10的开合相反；阀门八5-8、阀门九5-9的开合与阀门三5-3、阀门五5-5的开合保持一致。

系统运行稳定后，第一反应器1和第二反应器2中氧载体颗粒6的状态是相反的，当第二反应器2中氧载体颗粒6是氧化态MeO时，第一反应器1中氧载体颗粒6是还原态Me。此时，阀门一5-1、阀门三5-3、阀门四5-4、阀门五5-5开启，联动地，阀门二5-2、阀门六5-6、阀门七5-7关闭，此时，燃料气体CH₄依次通过第一总管路L₁和第二支管路L_1-2进入第二反应室2-2，将氧载体6还原，化学反应表示为：

4MeO+CH₄→4Me+2H₂O+CO₂

相应的，空气依次通过第二总管路L₂和第四支管路L_2-1进入第一反应室1-2，将氧载体6氧化，化学反应表示为：

4Me+2O₂→4MeO

此时，阀门八5-8和阀门九5-9开启，联动地，阀门十5-10关闭，因此第二反应器2中产生的CO₂和水蒸气从第九支路L_5-1的端口排出，而富含N₂的烟气从第八支路L_4-2的端口排出。

当第二反应器2中燃料与氧载体6的还原反应进行完全后，开启水蒸气阀门七5-7，联动地，阀门一5-1和阀门四5-4同时关闭，此时水蒸气分别通过阀门三5-3和阀门五5-5进入第二反应器2和第一反应器1对两反应器进行清扫，气体分别从第九支路L_5-1和第八支路L_4-2的端口排出。

清扫完毕后，关闭水蒸气阀门七5-7，联动地，阀门一5-1和阀门四5-4同时开启；并将阀门二5-2和阀门六5-6开启，联动地，阀门三5-3和阀门五5-5关闭；将阀门十5-10开启，联动地，阀门八5-8和阀门九5-9关闭。此时，燃料气体CH₄依次通过第一总管路L₁和第一支管路L_1-1进入第一反应室1-2，将氧载体6还原；而空气依次通过第二总管路L₂和第五支管路L_2-2进入第二反应室2-2，将氧载体6氧化。此时，第一反应器1中产生的CO₂和水蒸气同样从第九支路L_5-1的端口排出，而第二反应器2中产生的富含N₂的烟气同样从第八支路L_4-2的端口排出。

类似的，当第一反应器1中燃料与氧载体6的还原反应进行完全后，开启水蒸气阀门七5-7，联动地，阀门一5-1和阀门四5-4同时关闭，此时水蒸气分别通过阀门二5-2和阀门六5-6进入第一反应器1和第二反应器2对两反应器进行清扫，气体分别从第九支路L_5-1和第八支路L_4-2的端口排出。清扫完毕后，关闭水蒸气阀门七5-7，联动地，阀门一5-1和阀门四5-4同时开启；并将阀门三5-3和阀门五5-5开启，联动地，阀门二5-2和阀门六5-6关闭；阀门十5-10关闭，联动地，阀门八5-8和阀门九5-9开启，至此，实现一次循环。

Claims (4)

1.一种切换式化学链燃烧装置，包括第一反应器(1)及第二反应器(2)，第一反应器(1)包括第一反应室(1-2)，第一反应室(1-2)底部设有第一风室(1-1)，第一反应室(1-2)内上部设有第一金属网(1-3)，第二反应器(2)包括第二反应室(2-2)，第二反应室(2-2)底部设有第二风室(2-1)，第二反应室(2-2)内上部设有第二金属网(2-3)，其特征在于，所述的第二反应器(2)置于第一反应器(1)内，第一反应室(1-2)与第一风室(1-1)、第二反应室(2-2)与第二风室(2-1)之间设有一块布风板(3)，布风板(3)上设有均匀分布的风帽(4)，风帽(4)上设有开孔。

2.根据权利要求1所述的一种切换式化学链燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧装置还包括第一总管路(L₁)分别与第一支管路(L_1-1)、第二支管路(L_1-2)、第三支管路(L_1-3)连通，第一支管路(L_1-1)与第一风室(1-1)连接，第二支管路(L_1-2)与第二风室(1-2)连接，第一总管路(L₁)上设有阀门一(5-1)，第一支管路(L_1-1)上设有阀门二(5-2)，第二支管路(L_1-2)上设有阀门三(5-3)；第二总管路(L₂)分别与第四支管路(L_2-1)、第五支管路(L_2-2)、第六支管路(L_2-3)连通，第四支管路(L_2-1)与第一风室(1-1)连接，第五支管路(L_2-2)与第二风室(1-2)连接，第二总管路(L₁)上设有阀门四(5-4)，第四支管路(L_2-1)上设有阀门五(5-5)，第五支管路(L_2-2)上设有阀门六(5-6)；第三总管路(L₃)分别与第三支管路(L_1-3)、第六支管路(L_2-3)连通，第三总管路(L₃)上设有阀门七(5-7)；第一反应器(1)顶部设有第四总管路(L₄)，第四总管路(L₄)分别与第七支管路(L_4-1)、第八支管路(L_4-2)连通；第二反应器(2)顶部设有第五总管路(L₅)，第五总管路(L₅)分别与第九支管路(L_5-1)、第十支管路(L_5-2)连通；第八支管路(L_4-2)、第九支管路(L_5-1)分别通过管路与阀门十(5-10)连通，阀门十(5-10)还与第七支管路(L_4-1)、第十支管路(L_5-2)连通，第八支管路(L_4-2)上设有阀门八(5-8)，位于第七支管路(L_4-1)及与阀门十(5-10)连通的管路之间，第九支管路(L_5-1)上设有阀门九(5-9)，位于第十支管路(L_5-1)及与阀门十(5-10)连通的管路之间。

3.一种切换式化学链燃烧方法，其特征在于，采用权利要求2所述的切换式化学链燃烧装置，布风板(3)上均匀铺设氧载体颗粒(6)，从第一风室(1-1)和第二风室(2-1)通入的燃料气体和空气通过布风板(3)上的风帽(4)将氧载体颗粒(6)流化并发生相应的化学反应；当燃料气依次通过第一总管路(L₁)、第一支管路(L_1-1)/第二支管路(L_1-2)进入第一反应室(1-2)/第二反应室(2-2)时，空气则依次通过第二总管路(L₂)、第五支管路(L_2-2)/第四支管路(L_2-1)进入第二反应室(2-2)/第一反应室(1-2)，在反应室中通入燃料气和空气的间隔通入水蒸气进行清扫，同时，水蒸气与燃料气燃料反应产生的CO₂气体从同一端口排出。

4.根据权利要求3所述的一种切换式化学链燃烧方法，其特征在于，阀门的控制方法为：阀门一(5-1)与阀门四(5-4)的开合一致，并与阀门七(5-7)的开合相反；阀门二(5-2)与阀门三(5-3)的开合相反；阀门五(5-5)与阀门六(5-6)的开合相反，同时阀门二(5-2)与阀门六(5-6)的开合一致；阀门八(5-8)与阀门九(5-9)的开合一致，并与阀门十(5-10)的开合相反；阀门八(5-8)、阀门九(5-9)的开合与阀门三(5-3)、阀门五(5-5)的开合保持一致。

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