CN103496672B - 基于化学链技术制备o2-co2混合气体的装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置及工艺。该装置包括快速流化床反应器、第一布风板、分布板、第一旋风分离器、第一返料机构、鼓泡床反应器、第二布风板、第二旋风分离器、第二返料机构和富氧燃烧装置；工艺步骤如下：载氧体颗粒在流化床反应器中释氧，经第一旋风分离器分离出O2-CO2混合气体和载氧体颗粒，载氧体颗粒经第一返料机构加入鼓泡床反应器中再生，再经第二旋风分离器分离再生载氧体颗粒和贫氧气体，载氧体颗粒通过第二返料机构输送至流化床反应器，形成循环系统。本发明能够实现O2-CO2的连续制取，具有操作稳定，工艺简单，可连续高效生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于化学链技术及混合气体制备技术领域，特别是一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置及工艺。
背景技术
使用化石燃料时产生的CO2是最主要的温室气体来源，引起了全球的气候恶化和生态破坏，减排CO2已成为当今世界研究的热点。碳捕集与封存技术被认为是降低大气中CO2浓度的有效手段之一，目前CO2捕集主要采用燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后分离3种技术，其中富氧燃烧采用O2-CO2混合气体循环燃烧，是一项非常有潜力的CO2捕集技术。我国是以煤发电为主的国家，O2-CO2混合气体循环燃烧在今后新建和改造热电厂循环流化床锅炉方面具有重要意义。
对于O2-CO2混合气体循环燃烧系统，O2-CO2混合气体循环燃烧需要氧气，但燃料燃烧所需并非是纯氧，而是O2-CO2混合气体，氧气的含量一般在20~40%的范围内，因此氧气的制备是一项非常关键的技术。空气分离是目前最主要的氧气分离技术，主要包括低温精馏、变压吸附和膜分离技术：（1）低温精馏技术是最常见也是最成熟的空气分离制取氧气技术，这种技术历史悠久，主要原理是利用空气中氮气和氧气的沸点不同，将空气液化后，进行低温精馏达到分离氮气和氧气的目的，所得产品纯度高、产量高、种类多，但是该方法投资大、成本高、能耗高，并且操作复杂；（2）变压吸附制取氧气是最近30年新兴的制氧技术，该方法设备启动快、操作简单、可以实现自动化、设备制造简单，但存在产能低和能耗高等缺点；（3）膜分离技操作简单，可在常温常压下进行，但存在膜材料制备难、成本高等问题。总之，目前分离氧气制取O2-CO2混合气体用于富氧燃烧的装置和工艺存在效率低、耗能高、操作复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种效率高、耗能低、操作简单的基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置及工艺。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置，包括快速流化床反应器、第一布风板、分布板、第一旋风分离器、第一返料机构、鼓泡床反应器、第二布风板、第二旋风分离器、第二返料机构和富氧燃烧装置；
所述快速流化床反应器底部设有第一布风板，分布板将快速流化床反应器内部腔体分为上下两部分，下部分为快速提升段，上部分为主要流化反应段；快速流化床反应器的出口与第一旋风分离器连接，第一旋风分离器的气体出口得到所制备的O2-CO2混合气体，第一旋风分离器的固体出口通过第一返料机构与鼓泡床反应器连接；鼓泡床反应器的底部设有第二布风板，并通过鼓泡床反应器的溢流口与第二返料机构连接，鼓泡床反应器的气体出口与第二旋风分离器连接，第二旋风分离器的固体出口接入第二返料机构，第二返料机构与快速流化床反应器相连；第一旋风分离器的气体出口与富氧燃烧装置连接，富氧燃烧装置的气体出口分为多条支路，其中一条支路接入快速流化床反应器的进气口。
一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，包括以下步骤：
步骤1、根据快速流化床反应器的工作温度选择载氧体，并通过装料口将载氧体加入快速流化床反应器内；
步骤2、将富氧燃烧装置产生的部分烟气通过一条支路送入快速流化床反应器中，使载氧体在再循环烟气氛围下发生分解反应，释放氧气；
步骤3、从快速流化床反应器的出口排出的气固混合物进入第一旋风分离器进行分离：释氧后的载氧体颗粒收集到第一返料机构，生成的O2-CO2混合气体由第一旋风分离器的气体出口排出进入富氧燃烧装置；
步骤4、第一返料机构将收集到的载氧体颗粒送入鼓泡床反应器，同时向鼓泡床反应器的气体进口输入空气，载氧体颗粒吸收氧气生成贫氧空气和再生载氧体，再生后的载氧体颗粒经鼓泡床反应器溢流口收集到第二返料机构；
步骤5、从鼓泡床反应器的气体出口排出的贫氧气体和载氧体颗粒进入第二旋风分离器进行分离：分离得到的载氧体颗粒收集到第二返料机构，得到的贫氧废气通过第二旋风分离器的气体出口排出；
步骤6、第二返料机构中收集到的载氧体颗粒输送至快速流化床反应器内，并将富氧燃烧装置产生的一部分烟气从快速流化床反应器的气体入口引入，然后返回执行步骤2，实现O2-CO2气体的连续制取。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）使用再循环烟气直接制取适合富氧燃烧的O2-CO2混合气体，简化了深冷空分等工艺先制氧再混合过程；（2）载氧体对空气中的氧气具有绝对的选择性，O2的吸收和释放受温度和压力的影响，O2-CO2混合气体中的O2的含量易于控制；（3）载氧体在循环流化床中进行释氧反应时所需的热量由富氧燃烧装置提供，无需额外的热源设备；（4）由于采用双流化床，流化床内处于紊流状态，设备内传热传质效率高于固定床；（5）整个装置构成简单、运行方便，降低了O2-CO2混合气体制取的成本，可以连续循环生产，提高生产效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1 为本发明基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图1，本发明基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置，包括快速流化床反应器1、第一布风板2、分布板3、第一旋风分离器4、第一返料机构5、鼓泡床反应器6、第二布风板7、第二旋风分离器8、第二返料机构9和富氧燃烧装置10；
所述快速流化床反应器1底部设有第一布风板2，分布板3将快速流化床反应器1内部腔体分为上下两部分，下部分为快速提升段，上部分为主要流化反应段；快速流化床反应器1的出口与第一旋风分离器4连接，第一旋风分离器4的气体出口得到所制备的O2-CO2混合气体，第一旋风分离器4的固体出口通过第一返料机构5与鼓泡床反应器6连接；鼓泡床反应器6的底部设有第二布风板7，并通过鼓泡床反应器的溢流口与第二返料机构9连接，鼓泡床反应器6的气体出口与第二旋风分离器8连接，第二旋风分离器8的固体出口接入第二返料机构9，第二返料机构9与快速流化床反应器1相连；第一旋风分离器4的气体出口与富氧燃烧装置10连接，富氧燃烧装置10的气体出口分为多条支路，其中一条支路接入快速流化床反应器1的进气口。
如图1所示，制备的O2-CO2混合气体经管路A输送至富氧燃烧装置10，并通过管路B向富氧燃烧装置10输送燃料，富氧燃烧装置10产生的高温烟气一部分经管路C引入流化床反应器1内作为再循环烟气，并为流化床内反应提供热量，另一部分高温烟气经管路D用于工业生产。
利用上述装置制备O2-CO2混合气体的工艺，包括以下步骤：
步骤1、根据快速流化床反应器1的工作温度选择载氧体，并通过装料口将载氧体加入快速流化床反应器1内；
所述的载氧体为Cu、CuO、Cu2O、Co、Co3O4、Co2O3、CoO、Mn、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、Cr、CrO2、Cr2O3、CrO3、Pb、PbO2、Pb2O3、PbO、V、V2O5、VO2、V2O3或VO，并且载氧体的粒径范围为100μm~500μm。上述载氧体可以单独使用、复合使用或担载在固体载体上使用。载氧体的进料量为100~500g/min
步骤2、将富氧燃烧装置10产生的部分烟气通过一条支路送入快速流化床反应器1中，从富氧燃烧器10中引入流化床反应器1中的再循环烟气的流量为5 L/min，使载氧体在再循环烟气氛围下发生分解反应，释放氧气，其中反应温度为300~1200℃，操作压力为0.1~0.2Mpa。
步骤3、从快速流化床反应器1的出口排出的气固混合物进入第一旋风分离器4进行分离：释氧后的载氧体颗粒收集到第一返料机构5，生成的O2-CO2混合气体由第一旋风分离器4的气体出口排出进入富氧燃烧装置10；
步骤4、第一返料机构5将收集到的载氧体颗粒送入鼓泡床反应器6，同时向鼓泡床反应器6的气体进口输入空气，载氧体颗粒吸收氧气生成贫氧空气和再生载氧体，再生后的载氧体颗粒经鼓泡床反应器溢流口收集到第二返料机构8；其中鼓泡床反应器6的反应温度为300~700℃，从鼓泡床反应器6气体进口输入的空气流量为1L/min，操作压力为0.1MPa。
步骤5、从鼓泡床反应器6的气体出口排出的贫氧气体和载氧体颗粒进入第二旋风分离器8进行分离：分离得到的载氧体颗粒收集到第二返料机构9，得到的贫氧废气通过第二旋风分离器的气体出口排出；
步骤6、第二返料机构9中收集到的载氧体颗粒输送至快速流化床反应器1内，并将富氧燃烧装置10产生的一部分烟气从快速流化床反应器的气体入口引入，然后返回执行步骤2，实现O2-CO2气体的连续制取。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
使用的载氧体颗粒为喷雾干燥法制备的CuO/TiO2颗粒，其中CuO的质量分数为60%，颗粒的粒径为100μm~150μm，载氧体的进料量为100g/min，从富氧燃烧器中引入流化床反应器中的再循环烟气的流量为5 L/min，流化床反应器内反应温度为1000~1200℃，操作压力为0.1~0.2MPa。流化床反应器出口处测得O2-CO2混合气体中O2含量为31.4%。鼓泡床反应器反应温度为600~700℃，从鼓泡床反应器气体进口输入的空气流量为1L/min，操作压力为0.1MPa。
实施例2
使用的载氧体颗粒为Mn2O3和Co2O3复合载氧体，其中Mn2O3的质量分数为50%，Co2O3的质量分数为50%。颗粒的粒径为200μm~300μm，载氧体的进料量为200g/min，从富氧燃烧器中引入流化床反应器中的再循环烟气的流量为5 L/min，流化床反应器内反应温度为750~850℃，操作压力为0.1~0.2MPa。流化床反应器出口处测得O2-CO2混合气体中O2含量为21.9%。鼓泡床反应器反应温度为400~500℃，从鼓泡床反应器气体进口输入的空气流量为1L/min，操作压力为0.1MPa。
实施例3
使用的载氧体为PbO2颗粒，颗粒的粒径为450μm~500μm，载氧体的进料量为500g/min，从富氧燃烧器中引入流化床反应器中的再循环烟气的流量为5 L/min，流化床反应器内反应温度为300~350℃，操作压力为0.1~0.2MPa。流化床反应器出口处测得O2-CO2混合气体中O2含量为7.2%。鼓泡床反应器反应温度为300~350℃，从鼓泡床反应器气体进口输入的空气流量为1L/min，操作压力为0.1MPa。
本发明与现有制备O2-CO2混合气体工艺相比，使用再循环烟气直接一步制取适合富氧燃烧的O2-CO2混合气体，简化了深冷空分等工艺先制氧再混合的两步过程；载氧体对空气中的氧气具有绝对的选择性，O2的吸收和释放受温度和压力的影响，O2-CO2混合气体中的O2的含量易与控制；载氧体在循环流化床中进行释氧反应时所需的热量由富氧燃烧装置提供，无需额外的热源设备；由于采用双流化床，流化床内处于紊流状态，设备内传热传质效率高于固定床；整个装置构成简单，设备投资低，运行方便，降低了O2-CO2混合气体制取的成本，提高了生产效率。
Claims (6)
1.一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的装置，其特征在于：包括快速流化床反应器（1）、第一布风板（2）、分布板（3）、第一旋风分离器（4）、第一返料机构（5）、鼓泡床反应器（6）、第二布风板（7）、第二旋风分离器（8）、第二返料机构（9）和富氧燃烧装置（10）；
所述快速流化床反应器（1）底部设有第一布风板（2），分布板（3）将快速流化床反应器（1）内部腔体分为上下两部分，下部分为快速提升段，上部分为主要流化反应段；快速流化床反应器（1）的出口与第一旋风分离器（4）连接，第一旋风分离器（4）的气体出口得到所制备的O2-CO2混合气体，第一旋风分离器（4）的固体出口通过第一返料机构（5）与鼓泡床反应器（6）连接；鼓泡床反应器（6）的底部设有第二布风板（7），并通过鼓泡床反应器的溢流口与第二返料机构（9）连接，鼓泡床反应器（6）的气体出口与第二旋风分离器（8）连接，第二旋风分离器（8）的固体出口接入第二返料机构（9），第二返料机构（9）与快速流化床反应器（1）相连；第一旋风分离器（4）的气体出口与富氧燃烧装置（10）连接，富氧燃烧装置（10）的气体出口分为多条支路，其中一条支路接入快速流化床反应器（1）的进气口。
2.一种基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据快速流化床反应器（1）的工作温度选择载氧体，并通过装料口将载氧体加入快速流化床反应器（1）内；
步骤2、将富氧燃烧装置（10）产生的部分烟气通过一条支路送入快速流化床反应器（1）中，使载氧体在再循环烟气氛围下发生分解反应，释放氧气；
步骤3、从快速流化床反应器（1）的出口排出的气固混合物进入第一旋风分离器（4）进行分离：释氧后的载氧体颗粒收集到第一返料机构（5），生成的O2-CO2混合气体由第一旋风分离器（4）的气体出口排出进入富氧燃烧装置（10）；
步骤4、第一返料机构（5）将收集到的载氧体颗粒送入鼓泡床反应器（6），同时向鼓泡床反应器（6）的气体进口输入空气，载氧体颗粒吸收氧气生成贫氧空气和再生载氧体，再生后的载氧体颗粒经鼓泡床反应器溢流口收集到第二返料机构（9）；
步骤5、从鼓泡床反应器（6）的气体出口排出的贫氧气体和载氧体颗粒进入第二旋风分离器（8）进行分离：分离得到的载氧体颗粒收集到第二返料机构（9），得到的贫氧废气通过第二旋风分离器的气体出口排出；
步骤6、第二返料机构（9）中收集到的载氧体颗粒输送至快速流化床反应器（1）内，并将富氧燃烧装置（10）产生的一部分烟气从快速流化床反应器的气体入口引入，然后返回执行步骤2，实现O2-CO2气体的连续制取。
3.根据权利要求2所述的基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，其特征在于，步骤1所述的载氧体为Cu、CuO、Cu2O、Co、Co3O4、Co2O3、CoO、Mn、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、Cr、CrO2、Cr2O3、CrO3、Pb、PbO2、Pb2O3、PbO、V、V2O5、VO2、V2O3或VO，并且载氧体的粒径范围为100μm~500μm。
4.根据权利要求2或3所述的基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，其特征在于，所述载氧体单独使用、复合使用或担载在固体载体上使用。
5.根据权利要求2所述的基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，其特征在于，步骤2所述快速流化床反应器（1）中载氧体分解反应的温度为300~1200℃，操作压力为0.1~0.2Mpa。
6.根据权利要求2所述的基于化学链技术制备O2-CO2混合气体的工艺，其特征在于，步骤4所述鼓泡床反应器（6）的反应温度为300~700℃，从鼓泡床反应器（6）气体进口输入的空气流量为1L/min，操作压力为0.1MPa。
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