CN104197323B - 一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，包括燃料反应器组件、待生返料组件、再生返料组件和空气反应器，燃料反应器组件包括混合室、提升管、沉降室、气固分离器、卷吸孔、排渣管和螺旋给料器，待生返料组件包括待生返料斜管和连接在待生返料斜管中的待生返料阀，再生返料组件包括再生返料斜管和连接在再生返料斜管中的再生返料阀，待生返料斜管的一端与沉降室相连，待生返料斜管的另一端与空气反应器的上部相连，空气反应器的下部与再生返料斜管的一端相连，再生返料斜管的另一端与混合室相连。该装置大大提高了煤的燃烧效率和二氧化碳捕集率，实现了煤灰与载氧体的高效分离，且结构紧凑、易于实现大型化。

Description

一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置

技术领域

本发明涉及能源转化技术领域，具体来说，涉及一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置。

技术背景

随着环境污染和生态破坏等问题的日益突出，减少化石能源开发利用过程中排放的大量二氧化碳已成为人们日益关注的焦点。目前传统的二氧化碳分离技术需要消耗大量能源，导致动力系统效率大幅降低（减小5%~15%）。因此，有必要开发一种低能耗分离二氧化碳的新型燃烧技术，化学链燃烧技术正是基于上述背景下提出的，是实现燃料清洁、高效利用的重要组成部分，具有广阔的发展前景。化学链燃烧技术将传统的燃料与空气直接接触式的燃烧方式，转变为借助于固体载氧体的供氧作用分解为两个气固反应的无焰燃烧技术，煤燃烧产生的气体产物只有二氧化碳和水蒸气，通过简单的冷凝之后便实现了二氧化碳气体的富集。

反应器是成功实现化学链燃烧技术应用的关键构件之一。化学链燃烧系统主要由燃料反应器和空气反应器组成。如何实现燃料反应器中煤颗粒与载氧体颗粒之间的良好接触，煤灰与载氧体之间的高效分离，载氧体颗粒在两个反应器之间的良好循环以及避免两个反应器之间的气体窜混是当前煤基化学链燃料反应器设计和选型过程中面临的主要难题。目前国内外大多化学链燃烧系统燃料反应器运行方式为鼓泡流化床，其主要不足是燃料与载氧体接触差、载氧体利用效率低、煤燃烧效率和二氧化碳捕集率不高、反应器放大困难等。为了提高煤的燃烧效率和实现煤灰与载氧体的分离，现有装置通过在燃料反应器出口引入外循环回路达到此目的，该方法一方面需要额外的能量去推动载氧体在燃料反应器与外循环回路之间的循环，同时在外循环回路上需要额外布置颗粒密封阀以调节载氧体颗粒的循环，由此带来的工艺过程非常繁琐且系统操作复杂程度增加；另一方面整个系统占地面积较大、建造和运行成本相应提高，不利于反应器系统的放大和大型化。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，该装置可解决现有煤基化学链燃料反应器系统中存在的不足，提高煤的燃烧效率和二氧化碳捕集率，实现煤灰与载氧体的高效分离。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，该装置包括燃料反应器组件、待生返料组件、再生返料组件和空气反应器；所述的燃料反应器组件包括混合室、提升管、沉降室、气固分离器、卷吸孔、排渣管和螺旋给料器，混合室的侧面与螺旋给料器的出料口相连，混合室的底端与排渣管相连，混合室上端与提升管的底端相连，提升管的顶端与气固分离器相连，沉降室的底端固定连接在提升管的外壁上，沉降室位于提升管的上部，沉降室与提升管同轴，提升管的壁面上设有卷吸孔，气固分离器和卷吸孔均位于沉降室内；所述的待生返料组件包括待生返料斜管和连接在待生返料斜管中的待生返料阀，所述的再生返料组件包括再生返料斜管和连接在再生返料斜管中的再生返料阀，待生返料斜管的一端与沉降室相连，待生返料斜管的另一端与空气反应器的上部相连，空气反应器的下部与再生返料斜管的一端相连，再生返料斜管的另一端与混合室相连；空气反应器的底端与空气反应器排渣管相连；所述的混合室的下端、沉降室的下端以及空气反应器的下端均布置风室和布风板。

进一步，所述的卷吸孔靠近沉降室的底端。

进一步，所述的混合室的横截面直径大于提升管的直径，沉降室为上粗下细的锥形体。

进一步，所述的待生返料斜管与空气反应器之间的夹角、再生返料斜管与混合室之间的夹角均为45°~60°。

进一步，所述的卷吸孔以提升管中心轴为中心，呈圆环阵列对称式布置。

进一步，所述的气固分离器为斗笠型惯性分离器。

进一步，所述的待生返料阀和再生返料阀均为U型阀。

进一步，所述的混合室为湍流流化床；所述的提升管为快速流化床；所述的沉降室和空气反应器均为鼓泡流化床。

进一步，所述的燃料反应器混合室、提升管和沉降室运行温度为900~1000℃；所述的空气反应器的运行温度在950~1050℃。

进一步，所述的提升管、气固分离器、沉降室和卷吸孔形成的载氧体颗粒循环构成了整个系统的内循环回路；所述的混合室、提升管、沉降室、待生返料组件、空气反应器和再生返料组件形成的载氧体颗粒循环构成了整个系统的外循环回路。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）在燃料反应器组件中的混合室、提升管和沉降室内实现了煤与载氧体的多段式反应，有效提高了煤的燃烧效率以及二氧化碳捕集率。

（2）通过在提升管上设置卷吸孔，沉降室下部的载氧体颗粒被卷吸进入提升管，大大提高了提升管内载氧体颗粒的浓度，进而强化了气化产物与载氧体颗粒之间的气固反应，提高了二氧化碳气体浓度。

（2）燃料反应器下部设计成直径较大的混合室，且呈现为湍流流化床状态，与现有绝大多数装置燃料反应器密相区运行方式为鼓泡流化床相比，本装置能够显著提高煤颗粒与载氧体颗粒之间的混合，进而提高煤与载氧体的燃烧反应。提升管采用比混合室直径小的结构，有利于提高载氧体颗粒、煤灰以及未反应煤颗粒的上升速度，从而能够提高气固分离器的分离效率。

（3）燃料反应器沉降室为上粗下细的类锥形结构，采用直径较大的沉降室上端有利于降低密度较大的载氧体以及少量未反应煤颗粒的速度，使两种颗粒较易回落到沉降室下端，而密度较小的煤灰颗粒则被上升气流携带到燃料反应器出口，从而实现煤灰与载氧体以及少量未反应煤颗粒的高效分离；采用直径较小的沉降室下端可以保证颗粒在沉降室下端的充满度，防止气体通过待生返料组件窜混进入空气反应器。

（4）本发明中气固分离器采用斗笠型惯性分离器，与传统的旋风分离器相比，具有阻力小、结构简单、易于布置、造价低等优点。

（5）本发明装置中引入了与提升管为同轴圆环形设置的沉降室以及在提升管上部设置卷吸孔，不仅提高了煤的燃烧效率和二氧化碳捕集率以及煤灰与载氧体的高效分离，而且沉降室替代了现有装置中存在的复杂的燃料反应器外循环回路；与外循环回路相比，本发明的内循环回路直接依靠进入混合室和沉降室的气体推动载氧体颗粒的循环，不需要消耗额外的能量，因而降低了整个系统的能耗。同时，本发明也不需要额外设置机械密封阀调节载氧体的循环通量，使得整个化学链燃料反应器系统结构更加紧凑，操作更加简便，易于实现装置的放大和大型化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中包括：混合室1，提升管2，沉降室3，气固分离器4，卷吸孔5，排渣管6，螺旋给料器7，待生返料斜管8，再生返料斜管9，待生返料阀10，再生返料阀11，空气反应器12，空气反应器排渣管13，混合室气化剂入口A，沉降室气化剂入口B，空气反应器空气入口C，燃料反应器气体产物出口D，空气反应器气体产物出口E。

具体实施方式

下面将参照附图和实例，对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，包括燃料反应器组件、待生返料组件、再生返料组件和空气反应器12。燃料反应器组件包括混合室1、提升管2、沉降室3、气固分离器4、卷吸孔5、排渣管6和螺旋给料器7。作为优选，气固分离器4为斗笠型惯性分离器。混合室1的侧面与螺旋给料器7的出料口相连，混合室1的底端与排渣管6相连，混合室1上端与提升管2的底端相连，提升管2的顶端与气固分离器4相连，沉降室3的底端固定连接在提升管2的外壁上，沉降室3位于提升管2的上部，沉降室3与提升管2同轴，提升管2的壁面上设有卷吸孔5，气固分离器4和卷吸孔5均位于沉降室3内。待生返料组件包括待生返料斜管8和连接在待生返料斜管8中的待生返料阀10。再生返料组件包括再生返料斜管9和连接在再生返料斜管9中的再生返料阀11。待生返料斜管8的一端与沉降室3相连，待生返料斜管8的另一端与空气反应器12的上部相连。空气反应器12的下部与再生返料斜管9的一端相连，再生返料斜管9的另一端与混合室1相连。空气反应器12的底端与空气反应器排渣管13相连。混合室1的下端、沉降室3的下端以及空气反应器12的下端均布置风室和布风板。

进一步，所述的卷吸孔5靠近沉降室3的底端。沉降室底部载氧体颗粒多，属于密相区域，可以防止提升管内的气体通过卷吸孔进入沉降室底部，因而可以降低沉降室底部密相区的载氧体颗粒进入提升管内部的阻力。卷吸孔5以提升管2中心轴为中心，呈圆环阵列对称式布置。这可以保证沉降室3底部的载氧体颗粒均匀进入提升管内部，降低载氧体颗粒对提升管内气流的扰动，从而使整个系统能够平稳运行。

进一步，所述的混合室1的横截面直径大于提升管2的直径，沉降室3为上粗下细的锥形体。当混合室1和提升管2视为一体时，整体呈下粗上细的锥形体。

进一步，所述的待生返料斜管8与空气反应器12之间的夹角、再生返料斜管9与混合室1之间的夹角均为45°~60°。夹角设置在该范围内，保证载氧体颗粒的良好循环，如果角度太小，载氧体颗粒容易堆积在待生返料斜管和再生返料斜管管子的底部，不利于载氧体颗粒的循环。

进一步，所述的待生返料阀10和再生返料阀11均为U型阀。混合室1为湍流流化床。提升管2为快速流化床。沉降室3和空气反应器12均为鼓泡流化床。燃料反应器混合室1、提升管2和沉降室3运行温度为900~1000℃。空气反应器12的运行温度在950~1050℃。

本发明的装置中，在燃料反应器内实现煤颗粒与载氧体颗粒之间的燃烧反应；在空气反应器12内实现被还原载氧体的氧化再生；气固分离器4实现煤灰与载氧体的高效分离；燃料反应器和空气反应器12内产生的气体产物经各自排出口排出，燃料反应器气体产物出口D排出的气体产物为二氧化碳和水蒸气的混合物，经简单冷凝去除水蒸气后实现二氧化碳气体的富集。

本发明的装置中，由提升管2、气固分离器4、沉降室3和卷吸孔5形成的载氧体颗粒循环构成了整个装置系统的内循环回路。在待生返料斜管8和再生返料斜管9上分别安装待生返料阀10和再生返料阀11，以调节载氧体的循环流量。空气反应器12上端通过待生返料组件与沉降室3相连，空气反应器12下端通过再生返料组件与混合室1相连，空气反应器12底端与空气反应器排渣管13相连。由混合室1、提升管2、沉降室3、待生返料组件、空气反应器12和再生返料组件形成的载氧体颗粒循环构成了整个装置系统的外循环回路。

本发明的装置中，混合室1下端设有混合室气化剂入口A，沉降室3下端设有沉降室气化剂入口B，空气反应器12下端设有空气反应器空气入口C，燃料反应器的上部设有燃料反应器气体产物出口D，空气反应器的上部设有空气反应器气体产物出口E。混合室1下端通过混合室气化剂入口A通入水蒸气作为气化介质，沉降室3下端通过沉降室气化剂入口B通入水蒸气作为气化介质，空气反应器12下端通过空气反应器空气入口C通入空气，使载氧体氧化再生。燃料反应器的气体产物经燃料反应器气体产物出口D排出。空气反应器的气体产物经空气反应器气体产物出口E排出。

本发明的装置中，燃料反应器组件为多段式反应系统且为环隙流化床结构，包括混合室1、提升管2和沉降室3。煤颗粒依次经混合室1、提升管2和沉降室3实现了煤的分段转化和完全燃烧。载氧体和煤灰颗粒经气固分离器4实现了煤灰与载氧体颗粒的高效分离。该装置大大提高了煤的燃烧效率和二氧化碳捕集率，实现了煤灰与载氧体的高效分离，且结构紧凑、易于实现大型化。

下面具体介绍本装置的工作过程。

以铁矿石作为载氧体，其主要成分为三氧化二铁。正常运行时，反应器内部加入一定量的铁矿石载氧体颗粒，水蒸气通过混合室1底部的混合室气化剂入口A和沉降室3底部的沉降室气化剂入口B的布风板通入。水蒸气一方面作为煤气化反应的气化介质，另一方面作为载氧体和煤颗粒的流化介质，保证载氧体与煤颗粒之间的充分接触以及载氧体颗粒的正常循环。煤颗粒通过燃料反应器混合室1侧面的螺旋给料器7加入后，被来自于再生返料斜管9的灼热的铁矿石载氧体颗粒加热，首先发生煤与水蒸气的气化反应，生成气化产物（主要成分为CO和H₂）。同时，气化产物与铁矿石载氧体颗粒发生还原反应，生成气体产物二氧化碳和水蒸气，铁矿石颗粒由于参与了反应“释氧”而被还原成四氧化三铁。在混合室1内，绝大部分的煤颗粒被转化，少部分煤颗粒由于停留时间较短来不及参与反应被上升气流携带至提升管2中，同时被携带的还包括铁矿石载氧体颗粒以及煤灰颗粒。在提升管2内，除了由混合室1携带至提升管2的载氧体颗粒参与反应外，从沉降室3底端通过卷吸孔5卷吸进入的载氧体颗粒提高了提升管2内的载氧体颗粒浓度，加强了气化产物与载氧体之间的还原反应，生成更多的二氧化碳气体。随后载氧体、煤灰以及少量未反应的煤颗粒在快速流化状态下撞击气固分离器4实现载氧体、煤颗粒与煤灰之间的分离。载氧体颗粒以及煤颗粒由于密度较大，较易落入沉降室3的下端继续参与反应，而煤灰颗粒由于密度较小则被上升气流携带至燃料反应器气体产物出口D，从而完成煤灰与载氧体的分离。在混合室1、提升管2和沉降室3内生成的气体产物二氧化碳和水蒸气经燃料反应器气体产物出口D排出，经冷凝装置去除水蒸气后实现二氧化碳气体的富集。在混合室1内残留的部分煤灰以及部分失活的载氧体颗粒经排渣管6排出。为了保持整个系统的物料守恒，一定量的新鲜的铁矿石颗粒经螺旋给料器7加入到混合室1参与反应。被还原的铁矿石载氧体颗粒从沉降室3下端经待生返料斜管8和待生返料阀10进入空气反应器12，铁矿石载氧体颗粒的循环流量通过控制待生返料阀10的松动风和流化风实现。进入空气反应器12的载氧体颗粒与来自于空气反应器底部的空气反应器空气入口C的空气接触“吸氧”，实现载氧体的氧化再生，重新生成三氧化二铁。空气反应器12的气体产物主要为含有少量氧气的贫氧空气，经空气反应器气体产物出口E排出，部分失活的载氧体颗粒经空气反应器排渣管13排出。在空气反应器12内完成氧化再生的铁矿石载氧体颗粒经再生返料斜管9和再生返料装置11进入混合室1，参与下一个煤基化学链燃烧还原氧化循环反应过程。

Claims (6)

1.一种内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于,该装置包括燃料反应器组件、待生返料组件、再生返料组件和空气反应器（12）；

所述的燃料反应器组件包括混合室（1）、提升管（2）、沉降室（3）、气固分离器（4）、卷吸孔（5）、排渣管（6）和螺旋给料器（7），

混合室（1）的侧面与螺旋给料器（7）的出料口相连，混合室（1）的底端与排渣管（6）相连，混合室（1）上端与提升管（2）的底端相连，提升管（2）的顶端与气固分离器（4）相连，沉降室（3）的底端固定连接在提升管（2）的外壁上，沉降室（3）位于提升管（2）的上部，沉降室（3）与提升管（2）同轴，提升管（2）的壁面上设有卷吸孔（5），气固分离器（4）和卷吸孔（5）均位于沉降室（3）内；所述的卷吸孔（5）靠近沉降室（3）的底端；所述的卷吸孔（5）以提升管（2）中心轴为中心，呈圆环阵列对称式布置；

所述的待生返料组件包括待生返料斜管（8）和连接在待生返料斜管（8）中的待生返料阀（10），所述的再生返料组件包括再生返料斜管（9）和连接在再生返料斜管（9）中的再生返料阀（11），待生返料斜管（8）的一端与沉降室（3）相连，待生返料斜管（8）的另一端与空气反应器（12）的上部相连，空气反应器（12）的下部与再生返料斜管（9）的一端相连，再生返料斜管（9）的另一端与混合室（1）相连；空气反应器（12）的底端与空气反应器排渣管（13）相连；所述的待生返料斜管（8）与空气反应器（12）之间的夹角、再生返料斜管（9）与混合室（1）之间的夹角均为45°~60°；

所述的混合室（1）的下端、沉降室（3）的下端以及空气反应器（12）的下端均布置风室和布风板；

由提升管（2）、气固分离器（4）、沉降室（3）和卷吸孔（5）形成的载氧体颗粒循环构成了整个装置系统的内循环回路；由混合室（1）、提升管（2）、沉降室（3）、待生返料组件、空气反应器（12）和再生返料组件形成的载氧体颗粒循环构成了整个装置系统的外循环回路。

2.根据权利要求1所述的内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于，所述的混合室（1）的横截面直径大于提升管（2）的直径，沉降室（3）为上粗下细的锥形体。

3.根据权利要求1所述的内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于，所述的气固分离器（4）为斗笠型惯性分离器。

4.根据权利要求1所述的内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于，所述的待生返料阀（10）和再生返料阀（11）均为U型阀。

5.根据权利要求1所述的内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于，所述的混合室（1）为湍流流化床；所述的提升管（2）为快速流化床；所述的沉降室（3）和空气反应器（12）均为鼓泡流化床。

6.根据权利要求1所述的内外循环耦合的煤基化学链燃烧分离二氧化碳的装置，其特征在于，所述的燃料反应器混合室（1）、提升管（2）和沉降室（3）运行温度为900~1000℃；所述的空气反应器（12）的运行温度在950~1050℃。