CN103017155B - 煤脱硫脱碳燃烧方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤燃料脱硫脱碳方法,煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应生成包含煤灰、CaS、Cu和Cu2S的固体产物,以及包含CO2和水蒸气的气相产物;其中,气相产物冷凝分离后,得到高浓度的CO2;而固相产物混合物被逐级分离后,分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO,再利用CuO分解释放出的纯O2与Cu2S进行氧化反应,生成高浓度的SO2作为原料用于硫酸制备。本发明还提供了实现上述煤燃烧及定向脱碳脱硫方法的装置,主要由燃料反应器系统、硫的在线脱除系统以及空气反应器系统三部分组成。本发明能耗低,而且可以连续运行,并分别获得高浓度的CO2和SO2,在达到煤的高效利用的同时、实现煤中的碳及反应过程中产生的硫组分的定向脱除。

Description

煤脱硫脱碳燃烧方法和装置
技术领域
本发明属于煤燃烧领域,具体涉及一种煤脱硫脱碳燃烧方法和装置,用于煤燃烧过程中的碳捕获及煤燃烧时气、固硫组分的分离转化,实现煤的定向脱碳及脱硫。
背景技术
随着能源需求的快速增长和化石燃料使用量的急剧增加,导致温室气体CO2在自然界的累积量不断加大,控制化石燃料燃烧过程CO2的排放,对于应对温室效应和全球变暖具有重要的作用。特别是对于中国,鉴于其能源结构以煤为主的特点,CO2排放水平急剧增加并已经居于世界第一位的现状,开发高效的燃煤CO2减排技术,控制我国燃煤CO2排放水平,具有重大的社会意义和经济价值。
与其它各类燃煤CO2减排技术相比,直接以煤为燃料的化学链燃烧技术,以氧载体代替空气,实现煤的非混合无焰燃烧,具有显著的优点,不仅能在损失较小能量的情况下、实现煤燃烧过程中CO2的有效分离,而且避免了煤直接与空气燃烧过程中的不可逆损失,实现了系统内部热量的梯级利用,具有较高的燃烧效率;同时,还能有效的抑制煤燃烧过程中NOx的生成。
在各类煤化学链燃烧氧载体中,相对于CuO、NiO、Fe2O3等金属氧载体,CaSO4作为氧载体尽管分布广泛,价格低廉,而且理论氧容量为0.46,是上述各类金属氧载体的理论氧容量的二倍还多,具有显著的优势。但是,CaSO4作为氧载体,反应活性较低。最主要的是,反应过程会释放出大量的SO2,不仅造成严重的环境污染,而且掺混在煤燃烧反应尾气中的气相硫组分(以H2S为主),导致尾气中CO2分离的困难以及输送过程中严重的管路腐蚀,从而极大地限制了煤化学链燃烧过程中CaSO4作为氧载体的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脱碳脱硫的煤粉燃烧方法及装置,以CaSO4-CuO作为复合氧载体,基于煤的化学链燃烧技术,克服传统煤燃烧尾气脱硫方法成本高、系统复杂的缺点,在促进煤的有效转化的同时,实现煤利用过程中CO2的有效分离及各类硫组分的转化和脱除。
一种煤脱硫脱碳燃烧方法,具体为:
(1)在CO2流态化介质作用下,煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应,生成包含煤灰、CaS、Cu和Cu2S的固体产物,以及包含CO2和水蒸气的气相产物;
(2)步骤(1)得到的气相产物冷凝分离后得到纯CO2,固相产物通过三级分离过程逐级分离出煤灰、CaS、Cu和Cu2S;
(3)经过步骤(2)分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO;
(4)在水蒸气气氛下,步骤(3)氧化反应生成的CuO分解生成固相Cu2O和气相O2
(5)将步骤(4)生成的固体Cu2O与步骤(2)分离出的Cu2S混合,以步骤(4)得到的O2作为流态化介质及氧化剂,在纯O2气氛下,Cu2S、Cu2O与O2发生氧化反应,生成CuO固体和SO2
(6)步骤(5)生成的CuO与步骤(2)分离出的CaS混合后,与空气发生氧化反应,生成CaSO4-CuO复合氧载体,返回步骤(1)进行下一次循环反应。
进一步地,所述CaSO4-CuO复合氧载体中的CuO与CaSO4质量比大于1:4。
进一步地,相对于煤,CaSO4-CuO复合氧载体氧过量系数取值为0.75~1,使煤处于弱贫氧燃烧状态。
一种煤脱硫脱碳燃烧装置,包括燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统;
燃料反应器系统包括鼓泡流化床、煤灰分离器、尾气分离器和飞灰捕集器;在线脱硫系统包括CaS分离器、Cu2S分离器、第一流化床反应器、第一CuO分离器、第二CuO分离器、第二流化床反应器、Cu2O分离器和第三流化床反应器;空气反应器系统包括空气反应器和CaSO4-CuO分离器;
鼓泡流化床的第一输出端、煤灰分离器的输入端、煤灰分离器的输出端、CaS分离器的输入端、CaS分离器的第一输出端、Cu2S分离器的输入端、Cu2S分离器的第一输出端、第一流化床反应器的输入端、第一流化床反应器的输出端、第一CuO分离器的输入端、第一CuO分离器的输出端、第二流化床反应器的输入端、第二流化床反应器的输出端、Cu2O分离器的输入端、Cu2O分离器的输出端、第三流化床反应器的第一输入端、第三流化床反应器的输出端、第二CuO分离器的输入端、第二CuO分离器的输出端、空气反应器的第一输入端、空气反应器的输出端、CaSO4-CuO分离器的输入端、CaSO4-CuO分离器的输出端以及鼓泡流化床1的输入端依次管道连通形成回路;CaS分离器的第二输出端管道连接空气反应器的第二输入端,Cu2S分离器的第二输出端管道连接第三流化床反应器的第二输入端,鼓泡流化床的第二输出端管道连接尾气分离器的输入端,尾气分离器3的输出端管道连接飞灰捕集器的输入端。
本发明的技术效果体现在:
(1)燃料适应性广,除了低硫高反应性优质煤及高硫低反应性无烟煤,还可以使用石油焦、污泥等其它含碳固体燃料。
(2)氧载体采用CaSO4-CuO复合氧载体,既有效的提高了CaSO4的反应性,也克服了CuO等金属氧载体氧容量低的不足。
(3)同时,CaSO4-CuO复合氧载体与煤进行还原反应时,CaSO4被逐步还原为CaS,CaSO4及CaS的熔点分别为:1460及2525℃。因此,随着CaSO4还原反应的进行,反应产物CaS的熔点不断升高,抗烧结能力不断增强;而CuO及还原产物Cu的熔点分别为1446及1085℃。随着CuO还原反应的进行,反应产物中所形成的Cu的含量的增加,固相反应产物的熔点不断降低,抗烧结能力不断下降。而当CaSO4及CuO有机结合,能够有效的改进CuO及其还原产物Cu抗烧结能力的不足,有利于反应过程中反应活性的保持。
(4)煤与复合氧载体中的CuO反应为放热反应,所释放出的热量能够有效的弥补煤与复合氧载体中CaSO4反应时所吸收的热量,实现煤利用过程中热量的自平衡。
(5)煤与CaSO4-CuO复合氧载体反应后,气相产物主要为CO2及水蒸气,冷凝分离后可以得到高浓度的CO2,便于后续存贮处理。
(6)煤与CaSO4-CuO复合氧载体反应后,固相产物主要为煤灰CaS、Cu、Cu2S等固体产物,当逐级分离后,Cu2S与系统产生的纯O2进行氧化反应,产生的主要为高浓度的SO2,不仅可以实现煤及CaSO4-CuO复合氧载体反应过程中有害硫组分的定向转化及分离,而且所制备的高浓度的SO2还可以作为化工原料,用于硫酸的制备。
(7)整个系统可以连续运行,而且通过运行条件优化,可以实现系统能量的自平衡。
附图说明
图1为本发明装置结构图;
图2为本发明装置工作流程图;
图3为煤燃烧过程中相关微观形貌图,其中,图3a为CuO与煤反应的微观形貌,图3b为CaSO4与煤反应的微观形貌,图3c为CaSO4-CuO复合氧载体与煤反应的微观形貌。
具体实施方式
本发明所提出的实现定向脱碳脱硫的煤粉燃烧装置,如结构图1所示,主要由燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统三部分组成。具体的,由鼓泡流化床1、煤灰分离器2、尾气分离器13及飞灰捕集器14连接组成燃料反应器系统;由CaS分离器3、Cu2S分离器4,第一级反应分离系统即快速流化床反应器5、CuO分离器6,第二级反应分离系统即流化床反应器7、Cu2O分离器8,第三级反应分离系统即流化床反应器9、分离器10依次连接组成在线脱硫系统;最后,由空气反应器11、CaSO4-CuO分离器12组成空气反应器系统。
本发明以煤等含碳固体及CaSO4-CuO复合氧载体为原料,进行一系列的反应过程,生成高纯的CO2和SO2,实现煤与CaSO4-CuO反应过程中碳及硫的定向转化及脱除。如流程示意图2所示,具体如下:
(1)首先,定量煤及CaSO4-CuO复合氧载体,分别进入还原反应器1中,在900℃左右的反应温度下及CO2流态化介质作用下,进行还原反应,复合氧载体中的CaSO4被还原为CaS,CuO被还原为Cu;被还原的Cu单质及其中的少量CuO,则与煤及CuO-CaSO4复合氧载体反应时释放出的硫组分反应,生成煤灰、CaS、Cu及Cu2S固相产物混合物及CO2和水蒸气气相产物。
(2)步骤(1)得到的气相产物(包括CO2和水蒸气及携带的飞灰)通过尾气分离器13,分离出的飞灰进入捕集器14进行捕获,而气相CO2和水蒸汽通过尾气分离器13排出,冷凝分离后就可以得到高浓度的CO2,便于后续处理;而步骤(1)得到的固相产物,包括煤灰、CaS、Cu、Cu2S等分别经过如下三级串联分离器予以逐级分离,具体为:通过第一级煤灰分离器2从煤灰、CaS、Cu、Cu2S四种固相混合物中分离出煤灰,然后通过第二级CaS分离器3从CaS、Cu、Cu2S三种固相混合物中分离出CaS;最后,通过第三级Cu2S分离器4从Cu和Cu2S两种混合物中分离出Cu和Cu2S;
(3)经过步骤(2)分离出的Cu进入快速流化床反应器5中,在600-900℃下,与空气氧化反应生成CuO,并引入CuO分离器6;
(4)由步骤(3)分离出的CuO再引入流化床反应器7中,在水蒸气气氛及800-900℃的反应温度下,分解生成Cu2O固体及O2,并引入Cu2O分离器8,分离出的O2及残余水蒸气,经冷凝处理后,即可得到高纯度的O2
(5)经过步骤(4)分离出的固体Cu2O引入流化床反应器9,与步骤(3)分离出的Cu2S混合,而步骤(4)得到的纯O2也作为流态化介质及氧化剂,引入流化床反应器9,在纯O2气氛和600-900℃下,Cu2S、Cu2O与O2进行氧化反应,生成CuO固体及高纯的SO2及少量O2气残余;并引入分离器10,其中所生成的气相高浓度的SO2及残余O2可以直接作为工业原料,用于硫酸的批量化制备;
(6)最后,由步骤(5)分离出的CuO再引入空气反应器11中,与步骤(2)分离出的CaS混合,在800-900℃的反应温度下,与空气进行氧化反应,生成CaSO4及CuO混合氧载体,然后再引入CaSO4-CuO分离器12,残余空气由CaSO4-CuO分离器12排气口排出,而CaSO4-CuO复合氧载体则引入燃料反应器1完成下一次循环反应。
图3a为CuO与煤反应的微观形貌,图3b为CaSO4与煤反应的微观形貌,图3c为CaSO4-CuO复合氧载体与煤反应的微观形貌。从图3a固相产物微观形貌可见,单独采用CuO作为氧载体时,由于CuO及其还原产物Cu的熔点低,抗烧结能力比较差,固相产物已经严重团聚烧结;而从图3b可见,当以CaSO4作为氧载体时,由于CaSO4及其固相还原产物CaS的熔点比较高,抗烧结能力比较强,固相产物的微观形貌得以完好保存,呈现出块状,没有呈现出明显的烧结形态;因此,由图3c可见,当以CuO-CaSO4作为复合氧载体时,CuO及CaSO4不仅作为氧载体,提供煤燃烧所需要的原子氧,而且当CuO与煤反应时,CaSO4及其还原产物CaS具有很好的抗烧结能力,均匀分布在CuO及其还原产物Cu晶粒周围,有效的避免了CuO及其还原产物的熔融聚合及烧结,因此复合氧载体与煤反应时,不仅具有良好的反应性,而且还能有效抑制CuO及其还原产物的烧结。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤脱硫脱碳燃烧方法,具体为:
(1)在CO2流态化介质作用下,煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应生成包含煤灰、CaS、Cu和Cu2S的固体产物,以及包含CO2和水蒸气的气相产物;
(2)步骤(1)得到的气相产物冷凝分离后得到CO2,固相产物通过三级分离过程逐级分离出煤灰、CaS、Cu和Cu2S;
(3)经过步骤(2)分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO;
(4)在水蒸气气氛下,步骤(3)氧化反应生成的CuO分解生成固相Cu2O和气相O2
(5)将步骤(4)生成的固体Cu2O与步骤(2)分离出的Cu2S混合,以步骤(4)得到的O2作为流态化介质及氧化剂,在纯O2气氛下,Cu2S、Cu2O与O2发生氧化反应,生成CuO固体和SO2气体;
(6)步骤(5)生成的CuO与步骤(2)分离出的CaS混合后与空气发生氧化反应,生成CaSO4-CuO复合氧载体,返回步骤(1)进行下一次循环反应。
2.根据权利要求1所述煤脱硫脱碳燃烧方法,其特征在于,所述CaSO4-CuO复合氧载体中的CuO与CaSO4质量比大于1:4。
3.根据权利要求1或2所述煤脱硫脱碳燃烧方法,其特征在于,相对于煤,CaSO4-CuO复合氧载体氧过量系数取值为0.75~1。
4.一种煤脱硫脱碳燃烧装置,包括燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统;
燃料反应器系统包括鼓泡流化床(1)、煤灰分离器(2)、尾气分离器(13)和飞灰捕集器(14);在线脱硫系统包括CaS分离器(3)、Cu2S分离器(4)、第一流化床反应器(5)、第一CuO分离器(6)、第二CuO分离器(10)、第二流化床反应器(7)、Cu2O分离器(8)和第三流化床反应器(9);空气反应器系统包括空气反应器(11)和CaSO4-CuO分离器(12);
鼓泡流化床(1)的第一输出端、煤灰分离器(2)的输入端、煤灰分离器(2)的输出端、CaS分离器(3)的输入端、CaS分离器(3)的第一输出端、Cu2S分离器(4)的输入端、Cu2S分离器(4)的第一输出端、第一流化床反应器(5)的输入端、第一流化床反应器(5)的输出端、第一CuO分离器(6)的输入端、第一CuO分离器(6)的输出端、第二流化床反应器(7)的输入端、第二流化床反应器(7)的输出端、Cu2O分离器(8)的输入端、Cu2O分离器(8)的输出端、第三流化床反应器(9)的第一输入端、第三流化床反应器(9)的输出端、第二CuO分离器(10)的输入端、第二CuO分离器(10)的输出端、空气反应器(11)的第一输入端、空气反应器(11)的输出端、CaSO4-CuO分离器(12)的输入端、CaSO4-CuO分离器(12)的输出端以及鼓泡流化床(1)的输入端依次管道连通形成回路;CaS分离器(3)的第二输出端管道连接空气反应器(11)的第二输入端,Cu2S分离器(4)的第二输出端管道连接第三流化床反应器(9)的第二输入端,鼓泡流化床(1)的第二输出端管道连接尾气分离器(13)的输入端,尾气分离器(13)的输出端管道连接飞灰捕集器(14)的输入端。
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