CN102966943A - 一种可变循环流化床化学链燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于清洁能源和高效利用领域，公开一种可变循环流化床化学链燃烧装置，包括双循环流化床(空气反应器和燃烧反应器)、提升管、旋风分离器、立管、双向流动密封阀。空气反应器，包括湍动流化床或者鼓泡流化床加提升管，出口与旋风分离器相连，旋风分离器物料出口端设有立管并与双向流动密封阀相连，双向流动密封阀通过返料斜管与燃烧反应器、空气反应器相连。燃烧反应器与空气反应器有相同配置结构。本装置用于气体和固体燃料的直接化学链燃烧，例如天然气、煤气化合成气、煤粉、生物质、石油焦、污泥等，通过两个双向流动密封阀平衡空气反应器和燃烧反应器内床料量，提高氧载体在空气反应器和燃烧反应器中停留时间，提高煤粉燃烧效率，尾气清洁易于CO2捕集利用并且尾气能量回收。

Description

一种可变循环流化床化学链燃烧装置
技术领域
本发明属于能源清洁能源和高效利用领域，涉及一种可变循环流化床化学链燃烧装置，适用于天然气(主要成分为甲烷)，煤气化合成气(主要成分为H2和CO混合气)等气体燃料，煤、生物质、石油焦、污泥等固体燃料和各种氧载体的化学链燃烧技术。
背景技术
化学链燃烧(chemical looping combustion，简称CLC)具有CO2高效低能耗回收、化学能梯级利用、抑制NOx生成和近零排放等优点，是解决能源高效利用与环境友好的重要技术之一。CLC系统由空气反应器和燃料反应器组成，通过循环利用的氧载体(一般为过渡金属氧化物)，在燃料反应器中释放活性晶格氧和在空气反应器中恢复活性晶格氧，将传统的燃料与空气直接接触反应的剧烈燃烧反应分解为两个相对较温和的氧化还原过程。可避免燃料氧化产生CO2与其他难分离组分(如空气燃烧中的N2)混合，燃烧反应器出口尾气仅含有CO2和水蒸气，水蒸气只需要通过简单的冷凝即可分离高纯度CO2，从而实现高效低能耗内分离CO2和能量的梯级利用，提高能源转化效率。由于反应温度较低，通常在1000℃左右，并且燃料反应器中气氛不含N2，所以不会有快速型和热力型NOX生成。
发明内容
本文的发明目的在于提供一种可变循环流化床化学链燃烧装置，该装置可以保证燃料(特别是固体燃料如煤粉)燃烧充分和高浓度CO2富集，提高能量循环利用效率。
本发明提供的一种可变循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，该装置包括串联的第一、第二流化床，第一流化床包括空气反应器，第一旋风分离器，第一流动密封阀，第一立管，以及第一、第二返料斜管；第二流化床包括燃烧反应器，第二、第三旋风分离器，第二流动密封阀，第二立管，以及第三、第四返料斜管；
空气反应器下端为湍动床或者鼓泡床，作为扩大段，空气反应器上端为快速床；第一旋风分离器的入口端与空气反应器上端的出口连接，旋风分离器的物料出口端与第一流动密封阀的进料室入口通过第一立管相连，第一返料斜管的一端与燃烧反应器下端相连，另一端与第一流动密封阀的第一返料室出口连接；
燃烧反应器下端为湍动床或者鼓泡床，同样作为扩大段，燃烧反应器上端为快速床；第二旋风分离器的入口端与燃烧反应器上端的出口连接，第二旋风分离器的物料出口端与第二流动密封阀的进料室入口通过第二立管相连，第三返料斜管的一端与空气反应器下端相连，另一端与第二流动密封阀的第一返料室出口连接；
第一流动密封阀的第二返料室出口与空气反应器下端连接，第二流动密封阀的第二返料室出口与燃烧反应器下端连接；
第一旋风分离器的气体出口与第一换热器相连；第二旋风分离器的气体出口通过管路与第三旋风分离器的入口连接。
本发明中空气反应器和燃烧反应器中的扩大段为湍动流化床或者鼓泡床，流化介质分别为空气和水蒸气(或者水蒸气和烟气的混合气)，操作温度为常温～1000℃，操作压力为常压。本发明中两个反应器均采用双流化床(即湍动流化床和快速床)的组合形式。这种结构能量转化率更高，CO2分离更纯，热量传递利用效率更高。这种结构既保证了氧载体的停留时间使其充分反应，强化传热传质过程，也保证了循环流化床中氧载体的颗粒循环速率；操作简单并可控调节范围广，控制反应器和流动密封阀的流化气速即可控制氧载体的循环流量，使得有充足的氧载体与煤粉的气化产物反应，保证煤粉燃烧充分和高浓度CO2(用于煤直接化学链燃烧时)；尾部烟气的能量回收，用于水蒸气的产生，提高能量循环利用效率。由于将通常燃料与空气的一步氧化还原过程分为相对温和的氧化和还原两个过程，提高能源利用效率。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一种具有高效低能耗捕集再利用CO2的煤直接化学链燃烧装置，主体采用双循环流化床串联配置，通过两个反应器和双向流动密封阀控制氧载体的循环速率。
如图1所示，本发明装置包括串联的第一、第二流化床，第一流化床包括空气反应器1和2，第一旋风分离器3，第一流动密封阀6，第一立管4，以及第一、第二返料斜管7，5。第二流化床包括燃烧反应器11和12，第二、第三旋风分离器15，16，第二流动密封阀9，第二立管13，以及第三、第四返料斜管8，10
空气反应器下端1为湍动床或者鼓泡床，作为扩大段，空气反应器上端2为快速床，作为提升管。第一旋风分离器3的入口端与空气反应器上端2的出口连接，旋风分离器3的物料出口端与第一流动密封阀6的进料室入口通过第一立管4相连，第一返料斜管7的一端与燃烧反应器下端11相连，另一端与流动密封阀6的第一返料室出口连接。
燃烧反应器下端11也为湍动床或者鼓泡床，同样作为扩大段，燃烧反应器上端12为快速床，同样作为提升管。第二旋风分离器15的入口端与燃烧反应器上端12的出口连接，第二旋风分离器15的物料出口端与第二流动密封阀9的进料室入口通过第二立管13相连，第三返料斜管8的一端与空气反应器下端1相连，另一端与第二流动密封阀9的第一返料室出口连接。
第一流动密封阀6的第二返料室出口与空气反应器下端1通过第二返料管5连接，第二流动密封阀9的第二返料室出口与燃烧反应器下端11通过第四返料管10连接。
第一旋风分离器3的气体出口与第一换热器17相连。
第二旋风分离器15的气体出口通过管路与第三旋风分离器16的入口连接，第三旋风分离器16的物料出口安装有收灰装置14(如灰斗)，第三旋风分离器16的气体出口分为二路，其中一路通过循环烟气管路21与燃烧反应器的进气室连接，循环烟气管路21上安装有第一高温截止阀18和烟气流量计22。第三旋风分离器16的气体出口的另一路通过管路及第二高温截止阀19与第二换热器20连接。
工作时，氧载体在空气反应器中进行氧化反应，生成高氧势氧载体。控制反应器的操作气速，反应器下端可以为鼓泡床或者湍动床，以强化氧载体与空气的氧化反应和氧载体的停留时间。通过旋风分离器3，氧载体分离后靠重力进入立管4流入流动密封阀6，氧载体经流动密封阀6分为二路，一路通过返料斜管7进入燃烧反应器与煤粉反应，另一路通过返料斜管5进入空气反应器与空气反应，进一步氧化。在燃烧反应器中，采用水蒸气或者水蒸气和循环烟气的混合物进行流化，同时水蒸气还可以将煤粉气化。高氧势氧载体与煤粉的气化产物进行还原反应，生成低氧势氧载体。低氧势氧载体和煤灰先进入第二级旋风分离器15进行分离，密度较大的低氧势氧载体在第二旋风分离器15分离出来，密度较小的煤灰经第二级旋风分离器15的气体出口进入第三旋风分离器16，进行再分离。
低氧势氧载体通过立管13进入流动密封阀9，经流动密封阀9分为二路，其中一路进入返料斜管8返回空气反应器1再次进行氧化反应，另一路进入返料斜管10返回燃烧反应器11再次进行还原反应。如此循环完成煤粉燃烧过程并通过两个双向流动密封阀调节反应器间的床料平衡，颗粒停留时间，氧载体的氧化还原程度。
在燃烧反应器的第三旋风分离器16气体出口主要包含CO2和水蒸气。通过选择第一、第二高温截止阀18、19的开合，燃烧反应器尾气有二种方式进行处理。其中一种办法是通过高温截止阀18和烟气流量计22再次进入燃烧反应器11作为流化气并且将其中未燃尽的煤气化气体再次补燃，提高能量利用；另一种办法是通过燃料反应器换热器20冷凝水蒸气，获得高浓度CO2，用于资源化利用和地质封存等，其中燃烧反应器和空气反应器高温烟气的能量可以用于产生水蒸气。
如果尾气中未燃尽的可燃气体较少，可直接进行冷凝得到高纯CO2，不必通过循环烟气管路21返回燃烧反应器11进行补燃。
双向流动密封阀还可以扩充为具有三个或者四个返料室的流动密封阀。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种可变循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，该装置包括串联的第一、第二流化床，第一流化床包括空气反应器，第一旋风分离器，第一流动密封阀，第一立管，以及第一、第二返料斜管；第二流化床包括燃烧反应器，第二、第三旋风分离器，第二流动密封阀，第二立管，以及第三、第四返料斜管；
空气反应器下端为湍动床或者鼓泡床，作为扩大段，空气反应器上端为快速床；第一旋风分离器的入口端与空气反应器上端的出口连接，旋风分离器的物料出口端与第一流动密封阀的进料室入口通过第一立管相连，第一返料斜管的一端与燃烧反应器下端相连，另一端与第一流动密封阀的第一返料室出口连接；
燃烧反应器下端为湍动床或者鼓泡床，同样作为扩大段，燃烧反应器上端为快速床；第二旋风分离器的入口端与燃烧反应器上端的出口连接，第二旋风分离器的物料出口端与第二流动密封阀的进料室入口通过第二立管相连，第三返料斜管的一端与空气反应器下端相连，另一端与第二流动密封阀的第一返料室出口连接；
第一流动密封阀的第二返料室出口与空气反应器下端连接，第二流动密封阀的第二返料室出口与燃烧反应器下端连接；
第一旋风分离器的气体出口与第一换热器相连；第二旋风分离器的气体出口通过管路与第三旋风分离器的入口连接。
2.根据权利要求1所述的可变循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，第三旋风分离器的气体出口分为二路，其中一路通过循环烟气管路与燃烧反应器的进气室连接，循环烟气管路上安装有第一高温截止阀和烟气流量计；第三旋风分离器的气体出口的另一路通过管路及第二高温截止阀与第二换热器连接。
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