CN103062910B - 一种集成化学链燃烧与co2捕集的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法及装置。煤在气化反应器内经水蒸气和氧气气化后产生水煤气，水煤气经布风板进入化学链燃烧的燃料反应器，NiO被水煤气还原为Ni，气体产物为CO₂和H₂O；Ni经返料器进入空气反应器，Ni被空气氧化为NiO，同时释放热量，NiO经返料器返回到燃料反应器内。煤气化后的焦炭经返料器进入煅烧反应器，焦炭与O₂完全燃烧产生CO₂，并放出大量的热量，CaCO₃受热分解为CaO和CO₂，煅烧反应器出口获得纯净的CO₂；CaO进入到碳酸化反应器，CaO吸收烟气中的低浓度的CO₂，产物为CaCO₃，实现CO₂的捕集。

Description

一种集成化学链燃烧与CO2捕集的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法和装置，特别是涉及一种基于NiO/Ni-CaCO₃/CaO双循环煤炭利用与CO₂捕集的方法和装置。 

背景技术

经济和社会的不断发展需要依赖能源的支撑，但传统能源利用过程中，在获得能量的同时会产生大量的温室气体，导致“温室效应”，CO₂又是最重要的温室气体，加强二氧化碳的捕集和封存显得尤其重要，迫切需要研究和发展新型的清洁高效能源利用方式。化学链燃烧不同于传统的直接燃烧技术，避免了燃料与空气的直接接触，通过载氧体将空气中的氧间接传输给燃料，无需在分离和回收CO₂时消耗大量的能量，可以提高系统的效率。化学链燃烧的燃料来源于固体燃料煤炭，煤炭仍然是我国主要的能量来源，也是存量最丰富的能源，以煤为主的能源格局在将来不会改变。煤炭经水蒸气和氧气部分气化后产生的水蒸气用于化学链燃烧，化学链燃烧对外输出能量，未气化的固体以焦炭的形式存在，用于烟气中CO₂的捕集，实现传统燃煤电站烟气中低浓度的CO₂的捕集，将煤炭的能量充分利用起来，也是高效清洁利用煤炭资源的方式之一。 

发明内容

技术问题：本发明提供了一种集成化学链燃烧与捕集CO₂的方法与装置，本发明在利用化学链燃烧技术获得能量的同时能够有效的分离出烟气中的CO₂。 

技术方案：本发明的集成化学链燃烧与捕集CO₂的方法，煤经螺旋给料器进入气化反应器，所述气化反应器的温度控制在1000～1200℃，在气化反应器的底部通入水蒸气和氧气，所述水蒸气的温度为400～500℃，气化反应器处于鼓泡流态化，气化反应产生水煤气，水煤气的主要成分为CO和H₂；水煤气经布风板进入化学链燃烧的燃料反应器内，从燃料反应器顶部的出气口一次性加入NiO，燃料反应器处于鼓泡流态化，温度稳定在900～950℃，NiO被CO和H₂还原为Ni，CO和H₂分别被NiO氧化为CO₂和水蒸气，CO₂和水蒸气从燃料反应器上部的出气口逸出，经冷凝可以得到纯净的 CO₂；Ni经第一返料器进入空气反应器，所述空气反应器的温度为950～1000℃，从空气反应器的底部通入空气，Ni被空气氧化成NiO，空气转变为贫氧空气，反应放出大量的热，经第一旋风分离器分离，贫氧空气从第一旋风分离器上部的贫氧空气出口排出，NiO经第二返料器返回燃料反应器内，实现载氧体NiO/Ni的循环； 

气化反应器内不能完全气化的固体以焦炭的形式存在，焦炭经第三返料器进入煅烧反应器内，所述煅烧反应器的温度为900～1000℃，将CaCO₃加入煅烧反应器，从煅烧反应器的底部通入O₂，焦炭与O₂燃烧放热，CaCO₃受热分解为CaO和CO₂，经第二旋风分离器分离，CO₂从第二旋风分离器顶部的CO₂出口排出；CaO从第二旋风分离器的底部排出，并经第四返料器进入碳酸化反应器，碳酸化反应器温度控制在650～700℃，在碳酸化反应器的底部通入CO₂体积分数为10～15%的烟气，CaO吸收烟气中的CO₂产生CaCO₃，经第三旋风分离器分离，不含CO₂的烟气从第三旋风分离器上部的烟气出口逸出，实现CO₂的捕集，CaCO₃经第五返料器返回到煅烧反应器内，实现CaO/CaCO₃的循环。 

本发明方法中，燃料反应器和空气反应器内放置有载氧体NiO和Ni，煅烧反应器和碳酸化反应器内放置有CaCO₃和CaO。 

本发明的实现上述的集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法的装置，由化学链燃烧单元和CO₂捕集单元组成，化学链燃烧单元包括空气反应器、从下至上依次连接设置的气化反应器、布风板和燃料反应器、与气化反应器下段一侧连接的螺旋给料器、连接空气反应器下段与燃料反应器下段的第一返料器、连接空气反应器上部的第一旋风分离器、连接第一旋风分离器底端与燃料反应器中段的第二返料器，以及与气化反应器连接的第三返料器，空气反应器的底端还设置有空气进口，第一旋风分离器的顶端设置有贫氧空气出口，燃料反应器的顶端设置有出气口，气化反应器的底端设置有水蒸气进口和第一O₂进口； 

CO₂捕集单元包括煅烧反应器、碳酸化反应器、与煅烧反应器上部连接的第二旋风分离器、与碳酸化反应器上部连接的第三旋风分离器、连接煅烧反应器与第三旋风分离器底端的第五返料器，以及连接碳酸化反应器与第二旋风分离器底端的第四返料器，煅烧反应器底端还设置有第二O₂进口，第二旋风分离器顶端设置有CO₂出口，第三旋风分离器顶端设置有烟气出口，碳酸化反应器底端设置有烟气进口，煅烧反应器的下端还与第三返料器连接，从而将化学链燃烧单元和CO₂捕集单元连结为一体。 

本发明的实现上述的集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法的装置，布风板的结构与 实用新型专利“使用双层流化床制取氢气的装置”（公告号：CN201512409U）中的布风板的结构相同，布风板包括本体和设置在所述本体上的风帽，风帽上开有风帽小孔，气化反应器产生的水煤气可经风帽小孔进入燃料反应器内，而燃料反应器中的NiO和Ni不能进入气化反应器内，将气化反应器和燃料反应器分离开。 

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下的优点和显著进步： 

（1）传统的化学链燃烧技术大多采用的是气体燃料，气体燃料与载氧体的化学反应速率快，气体燃料的转化率较高，但是固体燃料在自然界中的储量远大于气体燃料，因此开发和利用固体燃料的化学链燃烧技术显得尤为重要。煤的化学链燃烧技术，也需要先将煤热解、气化产生合成气后才能与载氧体进行化学链燃烧，在传统的煤化学链燃烧技术中，部分设计将煤气化和燃料反应器合二为一，煤炭以及气化产生的水煤气直接接触载氧体，虽然反应器更加紧凑，但是负面效应也很严重，气化产生的灰分与载氧体的混合物一起排出炉外，难以分离，不能实现载氧体的回收和利用，造成载氧体的大量损失，并且大多数金属载氧体价格昂贵，增加了系统的操作成本，另一方面，对金属载氧体的后处理费用高，处理不好将对环境产生极大的危害；另一部分设计将煤气化和燃料反应器分离开来，设置煤气化和燃料反应器两个反应器，即先煤气化产生合成气，合成气再与载氧体进行化学链燃烧，避免了煤气化过程对载氧体的干扰，但是煤中活性差的焦炭没有利用起来，造成大量的能量损失，相比传统的化学链燃烧技术，本发明结合了煤气化和燃料反应器分离的优势，将不能完全气化的焦炭合理利用起来，用于捕集燃煤电站烟气中含有的低浓度CO₂，实现CO₂的捕集。 

（2）在传统含碳气体燃料的化学链燃烧中，存在载氧体活性下降或者失活的现象，这是因为载氧体的表面发生了积碳现象，积碳现象表现为含碳气体化合物析出的碳堆积在载氧体的外表面，阻碍了气体与载氧体的接触，降低反应速率，甚至造成载氧体的失活，积碳反应也被称为“布多尔反应”，化学方程式为： 

2CO=C+CO₂

本发明中气化反应器产生的水煤气含有部分水蒸气，即使发生积碳反应，水蒸气与NiO/Ni表面上的碳反应生成气体产物CO和H₂，反应方程如下： 

C+H₂O=CO+H₂

NiO的活性不会下降，化学反应速率不受影响，同时从热力学上，NiO/Ni几乎不会与水蒸气发生反应，不用考虑副反应的影响。 

附图说明

图1是本发明方法所采用装置的流程和结构示意图； 

图中有：1-1.空气反应器；1-2.第一旋风分离器；1-3.第二返料器；1-4.第一返料器；1-5.螺旋给料器；1-6.燃料反应器；1-7.布风板；1-8.气化反应器；1-9.第三返料器；2-1.煅烧反应器；2-2.第四返料器；2-3.第二旋风分离器；2-4.第三旋风分离器；2-5.第五返料器；2-6.碳酸化反应器。 

A.空气进口；B.水蒸气进口；C.第一O₂进口；D.第二O₂进口；E.烟气进口；F.烟气出口；G.CO₂出口；H.出气口；I.贫氧空气出口。 

图2是本发明方法所采用布风板的结构示意图； 

a.风帽；b.风帽小孔。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。 

实施例1： 

本发明集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法，具体流程如下：煤经螺旋给料器1-5进入气化反应器内1-8，气化反应器1-8的温度控制在1000～1200℃，在气化反应器1-8的底部通入水蒸气和氧气，水蒸气与氧气的比例范围为5～10kg/m³，水蒸气的进口温度为400～500℃，煤在水蒸气与氧气的气氛下发生气化反应，气化反应产生水煤气，水煤气主要成分为CO和H₂；水煤气经布风板1-7进入燃料反应器1-6内，燃料反应器1-6的温度为900～950℃，从燃料反应器1-6顶部的出气口H一次性加入NiO，布风板1-7可使得NiO不能进入气化反应器1-8内，NiO与CO和H₂发生氧化还原反应，NiO被CO和H₂还原为Ni，CO和H₂分别被NiO氧化为CO₂和水蒸气，生成的CO₂和水蒸气从燃料反应器1-6上部的出气口H逸出，冷凝出水蒸气，得到纯净的CO₂；还原后的金属Ni经第一返料器1-4进入空气反应器1-1中，空气反应器1-1的温度控制在950～1000℃，在空气反应器1-1的底部通入空气，Ni被空气氧化生成NiO，空气转变为贫氧空气，经第一旋风分离器1-2分离，贫氧空气从第一旋风分离器1-2上部的贫氧空气出口I排出，NiO经第二返料器1-3返回燃料反应器1-6内，实现载氧体NiO/Ni的循环。 

气化反应器1-8内未完全气化的焦炭经第三返料器1-9进入煅烧反应器2-1内，煅烧反应器2-1温度控制在900～1000℃，从煅烧反应器2-1底部的第二O₂进口D通入O₂，焦炭与O₂完全燃烧生成CO₂，放出大量的热量，CaCO₃受热分解为CaO和CO₂， 气固两相产物经第二旋风分离器2-3分离，CO₂从第二旋风分离器2-3顶部的CO₂出口G排出，CaO从第二旋风分离器2-3的底部排出，并经第四返料器2-2进入碳酸化反应器2-6，碳酸化反应器2-6温度控制在650～700℃，从碳酸化反应器2-6底部的烟气进口E通入含有体积分数为10～15%CO₂的烟气，CaO吸收烟气中的CO₂生成CaCO₃，气固两相经第三旋风分离器2-4分离，不含CO₂的烟气从第三旋风分离器2-4上部的烟气出口F逸出，CaCO₃从第三旋风分离器2-4的底部排出，并经第五返料器2-5返回到煅烧反应器2-1内，实现CO₂钙基吸收剂CaCO₃/CaO的循环。 

实施例2： 

本发明的装置由化学链燃烧单元1和CO₂捕集单元2组成，化学链燃烧单元1包括螺旋给料器1-5、气化反应器1-8、布风板1-7、燃料反应器1-6、第一返料器1-4、空气反应器1-1、第一旋风分离器1-2、第二返料器1-3和第三返料器1-9；CO₂捕集单元2包括煅烧反应器2-1、第四返料器2-2、第二旋风分离器2-3、第三旋风分离器2-4、第五返料器2-5和碳酸化反应器2-6；气化反应器1-8、布风板1-7和燃料反应器1-6按从下到上的顺序依次连接，气化反应器1-8的底部设有水蒸气进口B和第一O₂进口C，气化反应器1-8下段的一侧与螺旋给料器1-5连接，气化反应器1-8中段连接第三返料器1-9的上端，气化反应器1-8的顶部通过布风板1-7连接燃料反应器1-6的底部；布风板1-7的本体上设有风帽a，风帽上开有风帽小孔b，气化反应器1-8产生的水煤气可通过风帽小孔b进入燃料反应器1-6，而燃料反应器1-6内的NiO和Ni不能进入气化反应器1-8；燃料反应器1-6的下段与第一返料器1-4的上端连接，第一返料器1-4的下端连接空气反应器1-1的下段，空气反应器1-1底部设有空气进口A，空气反应器1-1的上部连接第一旋风分离器1-2，第一旋风分离器1-2的顶端设置有贫氧空气出口I，第一旋风分离器1-2的底端经第二返料器1-3连接燃料反应器1-6的中段，燃料反应器1-6的顶部设有出气口H。 

第三返料器1-9的下端连接煅烧反应器2-1的下部，煅烧反应器2-1底部设有第二O₂进口D，煅烧反应器2-1的上部连接第二旋风分离器2-3，第二旋风分离器2-3的顶部设有CO₂出口G，第二旋风分离器2-3的底部通过第四返料器2-2连接碳酸化反应器2-6的下部；碳酸化反应器2-6的底部设有烟气进口E，碳酸化反应器2-6的上部连接第三旋风分离器2-4，第三旋风分离器2-4的顶部设有烟气出口F，第三旋风分离器2-4的底部经第五返料器2-5连接煅烧反应器2-1的下部。 

Claims (4)

1.一种集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法，该方法的具体流程如下：

煤经螺旋给料器（1-5）输送进入气化反应器（1-8），所述气化反应器（1-8）的温度控制在1000～1200℃，分别从气化反应器（1-8）底部的水蒸气进口（B）和第一O₂进口（C）通入水蒸气和氧气，所述水蒸气的温度为400～500℃，气化反应器（1-8）处于鼓泡流态化，气化反应产生主要成分为CO和H₂的水煤气；所述水煤气经布风板（1-7）进入化学链燃烧的燃料反应器（1-6）内，燃料反应器（1-6）的顶部设有出气口（H），从出气口（H）一次性加入NiO，燃料反应器（1-6）处于鼓泡流态化，燃料反应器（1-6）的温度控制在900～950℃，NiO被CO和H₂还原为Ni，CO转化为CO₂，H₂转化为水蒸气，CO₂和水蒸气从燃料反应器（1-6）上部的出气口（H）逸出，冷凝出水蒸气后得到纯净的CO₂；Ni经第一返料器（1-4）进入空气反应器（1-1）中，空气反应器（1-1）的温度控制在950～1000℃，从空气反应器（1-1）底部的空气进口（A）通入空气，Ni在空气中被氧化生成NiO，空气转变为贫氧空气，反应放出大量的热量，气固两相产物经第一旋风分离器（1-2）分离，贫氧空气从第一旋风分离器（1-2）上部的贫氧空气出口（I）排出，NiO经第二返料器（1-3）返回燃料反应器（1-6）内，实现载氧体NiO/Ni的循环利用；

气化反应器（1-8）内未完全气化的固体以焦炭的形式存在，焦炭经第三返料器（1-9）进入煅烧反应器（2-1）内，所述煅烧反应器（2-1）温度控制在900～1000℃，将CaCO₃加入煅烧反应器（2-1），同时从煅烧反应器（2-1）底部的第二O₂进口（D）通入O₂，焦炭与O₂反应生成CO₂，放出大量的热，CaCO₃受热分解为CaO和CO₂，气固两相产物经第二旋风分离器（2-3）分离后，CO₂从第二旋风分离器（2-3）顶部的CO₂出口（G）排出，CaO从第二旋风分离器（2-3）的底部排出，并经第四返料器（2-2）进入碳酸化反应器（2-6）；所述碳酸化反应器（2-6）温度控制在650～700℃，从碳酸化反应器（2-6）底部的烟气进口（E）通入CO₂体积分数为10～15%的烟气，CaO吸收烟气中的CO₂产生CaCO₃，气固两相经第三旋风分离器（2-4）分离后，不含CO₂的烟气从第三旋风分离器（2-4）上部的烟气出口（F）逸出，实现CO₂的捕集，生成的CaCO₃经第五返料器（2-5）返回到煅烧反应器（2-1）内，实现CaO/CaCO₃的循环。

2.根据权利要求1所述的集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法，其特征在于，所述燃料反应器（1-6）和空气反应器（1-1）内放置有载氧体NiO和Ni，所述煅烧反应器（2-1）和碳酸化反应器（2-6）内放置有CaCO₃和CaO。

3.一种实现权利要求1所述的集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法的装置，其特征在于，该装置由化学链燃烧单元（1）和CO₂捕集单元（2）组成，所述化学链燃烧单元（1）包括空气反应器（1-1）、从下至上依次连接设置的气化反应器（1-8）、布风板（1-7）和燃料反应器（1-6）、与所述的气化反应器（1-8）下段一侧连接的螺旋给料器（1-5）、连接所述空气反应器（1-1）下段与燃料反应器（1-6）下段的第一返料器（1-4）、连接空气反应器（1-1）上部的第一旋风分离器（1-2）、连接第一旋风分离器（1-2）底端与燃料反应器（1-6）中段的第二返料器（1-3），以及与气化反应器（1-8）连接的第三返料器（1-9），空气反应器（1-1）的底端还设置有空气进口（A），第一旋风分离器（1-2）的顶端设置有贫氧空气出口（I），燃料反应器（1-6）的顶端设置有出气口（H），气化反应器（1-8）的底端设置有水蒸气进口（B）和第一O₂进口（C）；

所述CO₂捕集单元（2）包括煅烧反应器（2-1）、碳酸化反应器（2-6）、与所述煅烧反应器（2-1）上部连接的第二旋风分离器（2-3）、与所述碳酸化反应器（2-6）上部连接的第三旋风分离器（2-4）、连接煅烧反应器（2-1）与第三旋风分离器（2-4）底端的第五返料器（2-5），以及连接碳酸化反应器（2-6）与第二旋风分离器（2-3）底端的第四返料器（2-2），煅烧反应器（2-1）底端还设置有第二O₂进口（D），第二旋风分离器（2-3）顶端设置有CO₂出口（G），第三旋风分离器（2-4）顶端设置有烟气出口（F），碳酸化反应器（2-6）底端设置有烟气进口（E），煅烧反应器（2-1）的下端还与第三返料器（1-9）连接，从而将化学链燃烧单元（1）和CO₂捕集单元（2）连结为一体。

4.根据权利要求3所述的实现集成化学链燃烧与CO₂捕集的方法的装置，其特征在于，所述布风板（1-7）包括本体和设置在所述本体上的风帽（a），所述风帽（a）上开有风帽小孔（b）。