CN103148480A - 一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法 - Google Patents

一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料的清洁燃烧和高效利用技术领域，具体涉及一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法。该装置包括料斗、进料系统、固体氧化反应系统、气体氧化反应系统、流化床空气反应器、气固分离系统；其中固体氧化反应系统包含多个旋风反应分离器，用于固体燃料与载氧体的氧化反应，并使固体燃料反应完全；气体氧化反应系统包含多个旋风反应分离器，用于可燃气与载氧体的氧化反应，并使可燃气完全反应而获得高纯度的CO2。该固体燃料直接化学链燃烧装置，通过引入多级旋风反应分离器，可针对固体燃料受热分解后形成的固体和气体产物，分别进行高效的氧化反应，从而实现固体燃料的完全燃烧并获得高纯度的CO2。

Description

一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法
技术领域
本发明属于燃料的清洁燃烧和高效利用技术领域，具体涉及一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法。
背景技术
温室气体排放带来的全球变暖已是一个世界性的难题，CO2作为最主要的温室气体，其减排或捕获技术的研究开发迫在眉睫；化学链燃烧是一种新型的燃烧技术，可有效捕获CO2，受到了国内外众多科研单位的广泛关注。化学链燃烧的基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧体的作用分解为2个气固反应：燃料与载氧体的反应（燃料被氧化，载氧体被还原）、载氧体与空气的反应（载氧体被氧化）；燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料中。针对化学链燃烧所需的条件，国内外各科研单位研发了多种不同类型的化学链燃烧装置，其中绝大多数都是基于流化床式的反应器。
流化床式的化学链燃烧装置针对气体燃料的化学链燃烧具有较好的适应性，但对于固体燃料的化学链燃烧却难以适用，其中一个重要的问题是固体燃料与载氧体的反应为固固反应，反应速度较为缓慢，在流化床反应器中难以充分反应，而且还难以与载氧体的氧化反应速度进行匹配；因此如何实现固体燃料与载氧体的高效充分反应，是固体燃料直接化学链燃烧技术面临的一个重要难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法。
本发明所述的固体燃料直接化学链燃烧装置采用的技术方案为：
该装置由料斗、进料系统、固体氧化反应系统、气体氧化反应系统、流化床空气反应器以及气固分离系统组成：
所述料斗的出口与进料系统的入口相连；流化床空气反应器的底部与鼓风机相连，直接供入空气，侧壁下端还有一个入口用于补充新载氧体；气固分离系统包括两级旋风分离器，其中第一级旋风分离器的进口与流化床反应器的出口相连，排气口与第二级旋风分离器的进口相连，第二级旋风分离器的出气口获得高温烟气，排料口与集灰箱相连，直接收集飞灰；
所述固体氧化反应系统包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自上而下串联，定义最上面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第一组第一单元，向下依次为旋风反应分离器第一组第二单元，······，旋风反应分离器第一组最末单元，其中，N为不小于2的整数；
所述气体氧化反应系统包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自下而上串联，定义最下面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第二组第一单元，向上依次为旋风反应分离器第二组第二单元，······，旋风反应分离器第二组最末单元，其中，n为不小于2的整数；
旋风反应分离器第一组第一单元的排料口与旋风反应分离器第一组第二单元的进料口相连，旋风反应分离器第一组第二单元的排气口与旋风反应分离器第一组第一单元的进气口相连；旋风反应分离器第一组第二单元的排料口与旋风反应/分离器第一组第三单元的进料口相连，旋风反应分离器第一组第三单元的排气口与旋风反应分离器第一组第二单元的进气口相连，依次类推至旋风反应分离器第一组最末单元；其中，旋风反应分离器第一组第一单元的侧部还有两个进料口，其中一个进料口与进料系统的出口相连，另一个进料口与气体氧化反应系统中旋风反应分离器第二组第一单元的排料口相连，旋风反应分离器第一组第一单元的排气口与气体氧化反应系统中旋风反应分离器第二组第一单元的进气口相连；旋风反应分离器第一组最末单元的排料口和进气口分别与流化床空气反应器的侧壁下端开口、气体氧化反应系统中旋风反应分离器第二组最末单位出气口相连；
旋风反应分离器第二组第一单元的排气口与旋风反应分离器第二组第二单元的进气口相连，旋风反应分离器第二组第二单元的排料口与旋风反应分离器第二组第一单元的进料口相连；旋风反应分离器第二组第二单元的排气口与旋风反应分离器第二组第三单元的进气口相连，旋风反应分离器第二组第三单元的排料口与旋风反应分离器第二组第二单元的进料口相连，依次类推至旋风反应分离器第二组最末单元；其中，旋风反应分离器第二组第一单元的进气口和排料口分别与固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组第一单元的排气口和进料口相连；旋风反应分离器第二组最末单元的进料口与气固分离系统中第一级旋风分离器的排料口相连，旋风反应分离器第二组最末单元的排气口分为两路，一路与固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组最末单元的进气口相连，另一路直接收集高温水蒸气和CO2。
所述进料系统为螺旋进料器。
所述流化床空气反应器内布置水冷壁换热装置。
一种基于上述装置的固体燃料直接化学链燃烧方法，具有以下步骤：
将固体燃料经料斗和进料系统送入固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组第一单元；同时，来自气体氧化反应系统中旋风反应分离器第二组第一单元的载氧体、旋风反应分离器第一组第二单元的高温气体一起进入旋风反应分离器第一组第一单元中；固体燃料在受热以及载气作用下发生分解生成固体焦炭和可燃气产物，其中固体焦炭和载氧体在固体氧化反应系统的多级旋风反应分离器中，自上而下运动并发生反应，最后获得还原态载氧体和灰分的混合物并进入流化床空气反应器中；
固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组第一单元排气口排出的气体为CO2、水蒸气和可燃气的混合气，该混合气进入气体氧化反应系统中旋风反应分离器第二组第一单元，同时，来自旋风反应分离器第二组第二单元的高温载氧体也一起进入旋风反应分离器第二组第一单元；可燃气在气体氧化反应系统的多级旋风反应分离器中自下而上运行，并和自上而下的载氧体发生反应，最后获得水蒸气和CO2的混合气，其中部分作为载气送入固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组最末单元循环使用，另外部分则经冷凝后获得高纯度CO2；
固体氧化反应系统中旋风反应分离器第一组最末单元获得的还原态载氧体和灰分的混合物送入流化床空气反应器中，其中的还原态载氧体与空气发生反应获得氧化态载氧体；
流化床空气反应器的反应产物进入气固分离系统中，其中第一级旋风分离器主要分离获得氧化态载氧体，并送入气体氧化反应系统的旋风反应分离器第二组最末单元中，用于固体燃料及其受热生成的可燃气的氧化反应；第二级旋风分离器主要分离获得灰分，同时获得高温的烟气用于后续的热电利用。
所述载氧体为铁基、镍基或铜基氧化物。
所述流化床空气反应器中的反应温度为800-1000℃。
本发明的有益效果为：
本发明所述的固体燃料直接化学链燃烧装置，解决了固体燃料直接化学链燃烧过程一个重要技术难题：固体燃料受热产生固体焦炭和可燃气两种产物，可燃气一般和载氧体接触时间较短而难以反应完全，固体焦炭一般和载氧体反应缓慢而难以反应完全。针对固体燃料受热分解产生固体焦炭和可燃气，本发明提出了基于多级旋风反应分离器的固体氧化反应系统和气体氧化反应系统，分别对固体焦炭和可燃气进行充分的反应，不仅实现了固体燃料的高效燃烧，而且可获得高纯度的CO2。
附图说明
图1为本发明所述的固体燃料直接化学链燃烧装置结构示意图；
图中标号：
1-料斗；2-进料系统；3-固体氧化反应系统；4-气体氧化反应系统；5-流化床空气反应器；6-气固分离系统。
具体实施方式
本发明提供了一种固体燃料直接化学链燃烧的装置与方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
各实施例中的装置结构相同，如图1所示。
料斗1的出口与进料系统2的入口相连；流化床空气反应器5的底部与鼓风机相连，直接供入空气，侧壁下端还有一个入口用于补充新载氧体；气固分离系统6包括两级旋风分离器，其中第一级旋风分离器a的进口与流化床反应器5的出口相连，排气口与第二级旋风分离器b的进口相连，第二级旋风分离器b的出气口获得高温烟气，排料口与集灰箱相连，直接收集飞灰。
固体氧化反应系统3包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自上而下串联，定义最上面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第一组第一单元I，向下依次为旋风反应分离器第一组第二单元II，······，旋风反应分离器第一组最末单元N，其中，N为不小于2的整数；气体氧化反应系统4包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自下而上串联，定义最下面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第二组第一单元i，向上依次为旋风反应分离器第二组第二单元ii，······，旋风反应分离器第二组最末单元n，其中，n为不小于2的整数。
旋风反应分离器第一组第一单元I的排料口与旋风反应分离器第一组第二单元II的进料口相连，旋风反应分离器第一组第二单元II的排气口与旋风反应分离器第一组第一单元I的进气口相连；旋风反应分离器第一组第二单元II的排料口与旋风反应/分离器第一组第三单元III的进料口相连，旋风反应分离器第一组第三单元III的排气口与旋风反应分离器第一组第二单元II的进气口相连，依次类推至旋风反应分离器第一组最末单元N；其中，旋风反应分离器第一组第一单元I的侧部还有两个进料口，其中一个进料口与进料系统2的出口相连，另一个进料口与气体氧化反应系统4中旋风反应分离器第二组第一单元i的排料口相连，旋风反应分离器第一组第一单元I的排气口与气体氧化反应系统4中旋风反应分离器第二组第一单元i的进气口相连；旋风反应分离器第一组最末单元N的排料口和进气口分别与流化床空气反应器5的侧壁下端开口、气体氧化反应系统4中旋风反应分离器第二组最末单位n出气口相连。
旋风反应分离器第二组第一单元i的排气口与旋风反应分离器第二组第二单元ii的进气口相连，旋风反应分离器第二组第二单元ii的排料口与旋风反应分离器第二组第一单元i的进料口相连；旋风反应分离器第二组第二单元ii的排气口与旋风反应分离器第二组第三单元iii的进气口相连，旋风反应分离器第二组第三单元iii的排料口与旋风反应分离器第二组第二单元ii的进料口相连，依次类推至旋风反应分离器第二组最末单元n；其中，旋风反应分离器第二组第一单元i的进气口和排料口分别与固体氧化反应系统3中旋风反应分离器第一组第一单元I的排气口和进料口相连；旋风反应分离器第二组最末单元n的进料口与气固分离系统6中第一级旋风分离器a的排料口相连，旋风反应分离器第二组最末单元n的排气口分为两路，一路与固体氧化反应系统3中旋风反应分离器第一组最末单元N的进气口相连，另一路直接收集高温水蒸气和CO2。
流化床空气反应器5为循环流化床反应器，流化床空气反应器5内可布置水冷壁换热装置。进料系统2为螺旋进料器。
下述实施例中的百分含量，如无特殊说明均为质量百分含量，s表示秒。
实施例1
采用上述装置以Fe2O3为载氧体、煤为原料进行化学链燃烧实验。将煤送入含有4个旋风反应分离器的固体氧化反应系统，进料量为100kg/h，固体物质在固体氧化反应系统中反应后得到880℃的还原态载氧体（Fe3O4/FeO/Fe）和灰分的混合物，并送入一内径为300mm、高度为6m的流化床空气反应器中；固体氧化反应系统生成的混合气（CO2、水蒸气和可燃气的混合气）进入含有3个旋风反应分离器的气体氧化反应系统，可燃气在气体氧化反应系统中反应后得到920℃的CO2和水蒸气的混合气，经冷凝后获得的CO2纯度为99.9%。
流化床空气反应器内的反应温度为980℃，反应后获得的Fe2O3送入气体氧化反应系统中用于煤的化学链燃烧，同时获得980℃的烟气用于后续热/电利用。
实施例2
采用与实施例1结构相同的装置，以NiO为载氧体、煤为原料进行化学链燃烧实验。煤进料量为100kg/h，固体物质在固体氧化反应系统中反应后得到760℃的还原态载氧体（NiO/Ni）和灰分的混合物；可燃气在气体氧化反应系统中反应后得到800℃的CO2和水蒸气的混合气，经冷凝后获得的CO2纯度为99.9%。流化床空气反应器内的温度为830℃，反应获得的NiO送入气体氧化反应系统中用于煤的化学链燃烧，同时获得温度为830℃的烟气用于后续热/电利用。
实施例3
与实施例1采用的装置相比，气体氧化反应系统的旋风反应分离器的个数改为4个，其余结构相同；以Fe2O3为载氧体、玉米秆为原料进行化学链燃烧实验。玉米秆进料量为100kg/h，固体物质在固体氧化反应系统中反应后得到870℃的还原态载氧体（Fe3O4/FeO/Fe）和灰分的混合物；可燃气在气体氧化反应系统中反应后得到920℃的CO2和水蒸气的混合气，经冷凝后获得的CO2纯度为99.9%。流化床空气反应器内的温度为960℃，反应获得的NiO送入气体氧化反应系统中用于玉米秆的化学链燃烧，同时获得温度为960℃的烟气用于后续热/电利用。
实施例4
采用与实施例3结构相同的装置，以NiO为载氧体、棉花秆为原料进行化学链燃烧实验。棉花秆进料量为100kg/h，固体物质在固体氧化反应系统中反应后得到770℃的还原态载氧体（NiO/Ni）和灰分的混合物；可燃气在气体氧化反应系统中反应后得到820℃的CO2和水蒸气的混合气，经冷凝后获得的CO2纯度为99.9%。流化床空气反应器内的温度为860℃，反应获得的NiO送入气体氧化反应系统中用于棉花秆的化学链燃烧，同时获得温度为860℃的烟气用于后续热/电利用。

Claims (6)

1.一种固体燃料直接化学链燃烧装置，由料斗（1）、进料系统（2）、固体氧化反应系统（3）、气体氧化反应系统（4）、流化床空气反应器（5）以及气固分离系统（6）组成，其特征在于：
所述料斗（1）的出口与进料系统（2）的入口相连；流化床空气反应器（5）的底部与鼓风机相连，直接供入空气，侧壁下端还有一个入口用于补充新载氧体；气固分离系统（6）包括两级旋风分离器，其中第一级旋风分离器（a）的进口与流化床反应器（5）的出口相连，排气口与第二级旋风分离器（b）的进口相连，第二级旋风分离器（b）的出气口获得高温烟气，排料口与集灰箱相连，直接收集飞灰；
所述固体氧化反应系统（3）包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自上而下串联，定义最上面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第一组第一单元（I），向下依次为旋风反应分离器第一组第二单元（II），······，旋风反应分离器第一组最末单元（N），其中，N为不小于2的整数；
所述气体氧化反应系统（4）包括多个旋风反应分离器；所述的多个旋风反应分离器自下而上串联，定义最下面的旋风反应分离器为旋风反应分离器第二组第一单元（i），向上依次为旋风反应分离器第二组第二单元（ii），······，旋风反应分离器第二组最末单元（n），其中，n为不小于2的整数；
旋风反应分离器第一组第一单元（I）的排料口与旋风反应分离器第一组第二单元（II）的进料口相连，旋风反应分离器第一组第二单元（II）的排气口与旋风反应分离器第一组第一单元（I）的进气口相连；旋风反应分离器第一组第二单元（II）的排料口与旋风反应/分离器第一组第三单元（III）的进料口相连，旋风反应分离器第一组第三单元（III）的排气口与旋风反应分离器第一组第二单元（II）的进气口相连，依次类推至旋风反应分离器第一组最末单元（N）；其中，旋风反应分离器第一组第一单元（I）的侧部还有两个进料口，其中一个进料口与进料系统（2）的出口相连，另一个进料口与气体氧化反应系统（4）中旋风反应分离器第二组第一单元（i）的排料口相连，旋风反应分离器第一组第一单元（I）的排气口与气体氧化反应系统（4）中旋风反应分离器第二组第一单元（i）的进气口相连；旋风反应分离器第一组最末单元（N）的排料口和进气口分别与流化床空气反应器（5）的侧壁下端开口、气体氧化反应系统（4）中旋风反应分离器第二组最末单位（n）出气口相连；
旋风反应分离器第二组第一单元（i）的排气口与旋风反应分离器第二组第二单元（ii）的进气口相连，旋风反应分离器第二组第二单元（ii）的排料口与旋风反应分离器第二组第一单元（i）的进料口相连；旋风反应分离器第二组第二单元（ii）的排气口与旋风反应分离器第二组第三单元（iii）的进气口相连，旋风反应分离器第二组第三单元（iii）的排料口与旋风反应分离器第二组第二单元（ii）的进料口相连，依次类推至旋风反应分离器第二组最末单元（n）；其中，旋风反应分离器第二组第一单元（i）的进气口和排料口分别与固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组第一单元（I）的排气口和进料口相连；旋风反应分离器第二组最末单元（n）的进料口与气固分离系统（6）中第一级旋风分离器（a）的排料口相连，旋风反应分离器第二组最末单元（n）的排气口分为两路，一路与固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组最末单元（N）的进气口相连，另一路直接收集高温水蒸气和CO2。
2.根据权利要求1所述的固体燃料直接化学链燃烧装置，其特征在于：所述进料系统（2）为螺旋进料器。
3.根据权利要求1所述的固体燃料直接化学链燃烧装置，其特征在于：所述流化床空气反应器（5）内布置水冷壁换热装置。
4.一种基于权利要求1-3任一项装置的固体燃料直接化学链燃烧方法，其特征在于，具有以下步骤：
将固体燃料经料斗（1）和进料系统（2）送入固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组第一单元（I）；同时，来自气体氧化反应系统（4）中旋风反应分离器第二组第一单元（i）的载氧体、旋风反应分离器第一组第二单元（II）的高温气体一起进入旋风反应分离器第一组第一单元（I）中；固体燃料在受热以及载气作用下发生分解生成固体焦炭和可燃气产物，其中固体焦炭和载氧体在固体氧化反应系统（3）的多级旋风反应分离器中，自上而下运动并发生反应，最后获得还原态载氧体和灰分的混合物并进入流化床空气反应器（5）中；
固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组第一单元（I）排气口排出的气体为CO2、水蒸气和可燃气的混合气，该混合气进入气体氧化反应系统（4）中旋风反应分离器第二组第一单元（i），同时，来自旋风反应分离器第二组第二单元（ii）的高温载氧体也一起进入旋风反应分离器第二组第一单元（i）；可燃气在气体氧化反应系统（4）的多级旋风反应分离器中自下而上运行，并和自上而下的载氧体发生反应，最后获得水蒸气和CO2的混合气，其中部分作为载气送入固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组最末单元（N）循环使用，另外部分则经冷凝后获得高纯度CO2；
固体氧化反应系统（3）中旋风反应分离器第一组最末单元（N）获得的还原态载氧体和灰分的混合物送入流化床空气反应器（5）中，其中的还原态载氧体与空气发生反应获得氧化态载氧体；
流化床空气反应器（5）的反应产物进入气固分离系统（6）中，其中第一级旋风分离器（a）主要分离获得氧化态载氧体，并送入气体氧化反应系统（4）的旋风反应分离器第二组最末单元（n）中，用于固体燃料及其受热生成的可燃气的氧化反应；第二级旋风分离器（b）主要分离获得灰分，同时获得高温的烟气用于后续的热电利用。
5.根据权利要求4所述的固体燃料直接化学链燃烧方法，其特征在于：所述载氧体为铁基、镍基或铜基氧化物。
6.根据权利要求4所述的固体燃料直接化学链燃烧方法，其特征在于：所述流化床空气反应器（5）中的反应温度为800-1000℃。
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