CN104629803A - 一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，特别涉及一种利用二氧化碳或水蒸气作为化学工质与碳等含能载体进行反应而增加固体燃料气化过程燃气有效能的工艺。包括气化反应器、热管吸热段、热管、燃气-热源介质换热器、燃气燃烧应用装置、烟气-热源介质换热器、热源介质升温器、液态工质汽化器、液态工质泵、二氧化碳捕集器、热源介质压送器；本发明的优点是可以提高燃料气化后二次能源的值，其原理是将碳与化学工质在低于燃烧反应温度下进行吸热气化，增加产品气体燃料的有效能。

Description

一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统
技术领域：
本发明属于含碳固体燃料转化利用的技术，特别涉及一种利用二氧化碳、水蒸汽作为化学工质与含碳固体燃料进行气化反应的工艺与系统。
背景技术：
煤炭、生物质属于固体燃料。由于煤炭的储量大，生物质是可再生能源，因此在当前乃至将来相当长的时间内，固体燃料仍将是重要的能源。固体燃料的利用主要是燃烧热能的利用，由于固体燃料的燃烧和热能传递过程为熵增加的过程，存在有效能的损失，需要提高固体燃料利用过程的有效能效率。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于二氧化碳、水蒸气作为化学工质与固体燃料中碳进行气化反应的有效能效率高的固体燃料气化系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于化学工质循环的固体燃料气化系统，包括气化反应器、热管吸热段、热管、燃气-热源介质换热器、燃气燃烧应用装置、烟气-热源介质换热器、热源介质升温器、液态工质汽化器、液态工质泵、二氧化碳捕集器和热源介质压送器；所述气化反应器与热管换热段由中间的隔板组为一体，隔板上嵌套多根热管；气化反应器上部设有粗燃气出口管，与燃气-热源介质换热器连接；所述燃气-热源介质换热器的燃气出口管与燃气燃烧应用装置的进气口管连接；所述燃气燃烧应用装置的烟气排出管与烟气-热源介质换热器的烟气进口管连接；所述烟气-热源介质换热器烟气的出口管与二氧化碳捕集器的烟气进口管连接；所述二氧化碳捕集器回收的液态工质从液态工质出口管经液态工质泵与液态工质汽化器的工质侧进口管连接；所述液态工质汽化器的工质侧出口管与气化反应器的气态工质进口管连接；所述燃气-热源介质换热器进口设有低温热源介质管，出口为换热后的热源介质管，与热源介质升温器的进口管连接；所述热源介质升温器出口的高温热源介质管与热管吸热段的高温热源介质进口管连接；所述热管吸热段的出口热源介质管与液态工质汽化器热源介质侧的进口管连接，液态工质汽化器热源介质侧的热源介质出口管经热源介质压送器与燃气-热源介质换热器和烟气-热源介质换热器的热源介质进口管连接。
一种由上述基于化学工质循环的固体燃料气化系统实现的气化方法：
固体燃料在气化反应器中与进入气化反应器的气态工质二氧化碳进行气化反应；反应热由热管吸热段中的热管吸收热源介质的热量并传送到气化反应器中的热量提供，当热量不够时，可从补燃氧气管补充氧气与固体燃料燃烧提供热量；气化反应器中固体燃料与气态工质反应生成的粗燃气进入燃气-热源介质换热器，与换热盘管中的低温热源工质换热降温后进入燃气燃烧应用装置中；在燃气燃烧应用装置中，燃气燃烧利用产生的二次能源外供，产生的烟气送至烟气-换热介质换热器中；燃气-热源介质换热器和烟气-热源介质换热器中与粗燃气和烟气换热而升温后的热源介质一并进入热源介质升温器中，与补充热源换热后的高温热源介质进入热管换热段中，将热量传给热管并降温，降温后的热源介质进入工质汽化器中将液态工质加热气化后的低温热源介质经热源介质压送器压送到燃气-热源介质换热器和烟气-热源换热器，再被加热；烟气-热源介质换热器中降温后的烟气进入二氧化碳捕集器中，将燃烧产生的二氧化碳捕集并液化后经液态工质泵压送至工质汽化器；在工质汽化器中，将液态工质汽化为气态工质后，又进入气化反应器中进行反应，工质循环进行。
本发明与现有技术相比：
1、反应器的火用效率比常规气化炉的火用效率会有较大提高，具有较高的潜在节能效益。
2、由于二氧化碳工质循环利用，降低了二氧化碳的排放量，具有显著的二氧化碳减排效果。并由于二氧化碳工质的循环利用，提高了烟气中二氧化碳的浓度，显著降低了捕集二氧化碳的成本。
下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述：
附图说明
图1为本发明一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统示意图；
具体实施方式：
下面以二氧化碳工质为例，结合附图对发明作进一步的说明：
一种基于化学工质循环的固体燃料气化系统，参见图1，所述系统包括气化反应器1、热管吸热段2、热管3、燃气-热源介质换热器4、燃气燃烧应用装置5、烟气-热源介质换热器6、热源介质升温7器、液态工质汽化器8、液态工质泵9、二氧化碳捕集器10和热源介质压送器11；所述气化反应器1与热管换热段2由中间的隔板组为一体，隔板上嵌套多根热管3；气化反应器1上部设有粗燃气出口管，与燃气-热源介质换热器4连接；所述燃气-热源介质换热器4的燃气出口管与燃气燃烧应用装置5的进气口管连接；所述燃气燃烧应用装置5的烟气排出管与烟气-热源介质换热器6的烟气进口管连接；所述烟气-热源介质换热器6烟气的出口管与二氧化碳捕集器10的烟气进口管连接；所述二氧化碳捕集器10回收的液态工质从液态工质出口管经液态工质泵9与液态工质汽化器8的工质侧进口管连接；所述液态工质汽化器8的工质侧出口管与气化反应器1的气态工质进口管连接；所述燃气-热源介质换热器4进口设有低温热源介质管，出口为换热后的热源介质管，与热源介质升温器7的进口管连接；所述热源介质升温器7出口的高温热源介质管与热管吸热段3的高温热源介质进口管连接；所述热管吸热段3的出口热源介质管与液态工质汽化器8热源介质侧的进口管连接，液态工质汽化器8热源介质侧的热源介质出口管经热源介质压送器11与燃气-热源介质换热器4和烟气-热源介质换热器6的热源介质进口管连接。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述热管3为高温热管，其数量取决于气化反应器的处理能力；热管上部置于流化床气化反应器1中，下部置于热管吸热段2中。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述气化反应器1下部有锥形多孔分布板，分布板上面设有燃料进口管，分布板下面设有化学工质入口管。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述气化反应器1的固体进料的颗粒直径为10mm以下。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述燃气燃烧应用装置5中设有燃气燃烧、热能转换与二次能源输出设备。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述液态工质汽化器8与气化反应器1的连接管上设有补燃氧气管。
本实施例中，所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述热源介质升温器7工质的另一侧设有补充热源管。
根据上述基于化学工质循环的固体燃料气化系统，基于化学工质循环的固体燃料气化方法如下：
固体燃料在气化反应器1中与进入气化反应器1的气态工质二氧化碳进行气化反应；反应热由热管吸热段2中的热管3吸收热源介质的热量并传送到气化反应器1中的热量提供，当热量不够时，可从补燃氧气管补充氧气与固体燃料燃烧提供热量；气化反应器1中固体燃料与气态工质反应生成的粗燃气进入燃气-热源介质换热器4，与换热盘管中的低温热源工质换热降温后进入燃气燃烧应用装置5中；在燃气燃烧应用装置5中，燃气燃烧利用产生的二次能源外供，产生的烟气送至烟气-换热介质换热器6中；燃气-热源介质换热器4和烟气-热源介质换热器6中与粗燃气和烟气换热而升温后的热源介质一并进入热源介质升温器7中，与补充热源换热后的高温热源介质进入热管换热段2中，将热量传给热管并降温，降温后的热源介质进入工质汽化器8中将液态工质加热气化后的低温热源介质经热源介质压送器11压送到燃气-热源介质换热器4和烟气-热源换热器6，再被加热；烟气-热源介质换热器6中降温后的烟气进入二氧化碳捕集器10中，将燃烧产生的二氧化碳捕集并液化后经液态工质泵9压送至工质汽化器8；在工质汽化器8中，将液态工质汽化为气态工质后，又进入气化反应器1中进行反应，工质循环进行。
专利的原理如下：
碳气化反应为：
C+CO2＝2COΔH＝+172.24kJ/mol  (1)
C+H2O＝CO+H2ΔH＝+131.00kJ/mol  (2)
碳、一氧化碳和氢气燃烧反应为：
C+O2＝CO2ΔH＝-393.73kJ/mol  (3)
CO+0.5O2＝CO2ΔH＝-282.99kJ/mol  (4)
H2+0.5O2＝H2OΔH＝-241.75kJ/mol  (5)
专利涉及的方法是基于固体燃料中碳吸收热能与化学工质(二氧化碳、水蒸气)进行反应，转化为燃气的化学能。气化过程温度为800～1200℃，反应(1)和反应(2)吸收热量的有效能低于燃气化学能的有效能。使之得到燃气的有效能高于一次能源固体燃料的有效能。

Claims (8)

1.一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述系统包括气化反应器、热管吸热段、热管、燃气-热源介质换热器、燃气燃烧应用装置、烟气-热源介质换热器、热源介质升温器、液态工质汽化器、液态工质泵、二氧化碳捕集器和热源介质压送器；所述气化反应器与热管换热段由中间的隔板组为一体，隔板上嵌套多根热管；气化反应器上部设有粗燃气出口管，与燃气-热源介质换热器连接；所述燃气-热源介质换热器的燃气出口管与燃气燃烧应用装置的进气口管连接；所述燃气燃烧应用装置的烟气排出管与烟气-热源介质换热器的烟气进口管连接；所述烟气-热源介质换热器烟气的出口管与二氧化碳捕集器的烟气进口管连接；所述二氧化碳捕集器回收的液态工质从液态工质出口管经液态工质泵与液态工质汽化器的工质侧进口管连接；所述液态工质汽化器的工质侧出口管与气化反应器的气态工质进口管连接；所述燃气-热源介质换热器进口设有低温热源介质管，出口为换热后的热源介质管，与热源介质升温器的进口管连接；所述热源介质升温器出口的高温热源介质管与热管吸热段的高温热源介质进口管连接；所述热管吸热段的出口热源介质管与液态工质汽化器热源介质侧的进口管连接，液态工质汽化器热源介质侧的热源介质出口管经热源介质压送器与燃气-热源介质换热器和烟气-热源介质换热器的热源介质进口管连接。
2.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述热管为高温热管，其数量取决于气化反应器的处理能力；热管上部置于流化床气化反应器中，下部置于热管吸热段中。
3.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述气化反应器下部有锥形多孔分布板，分布板上面设有燃料进口管，分布板下面设有化学工质入口管。
4.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述气化反应器的固体进料的颗粒直径为10mm以下。
5.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述燃气燃烧应用装置中设有燃气燃烧、热能转换与二次能源输出设备。
6.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述液态工质汽化器与气化反应器的连接管上设有补燃氧气管。
7.根据权利要求1所述一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法与系统，其特征在于，所述热源介质升温器工质的另一侧设有补充热源管。
8.由权利要求1所述系统实现的一种基于化学工质循环的固体燃料气化方法，其特征在于，气化方法如下：固体燃料在气化反应器中与进入气化反应器的气态工质二氧化碳进行气化反应；反应热由热管吸热段中的热管吸收热源介质的热量并传送到气化反应器中的热量提供，当热量不够时，可从补燃氧气管补充氧气与固体燃料燃烧提供热量；气化反应器中固体燃料与气态工质反应生成的粗燃气进入燃气-热源介质换热器，与换热盘管中的低温热源工质换热降温后进入燃气燃烧应用装置中；在燃气燃烧应用装置中，燃气燃烧利用产生的二次能源外供，产生的烟气送至烟气-换热介质换热器中；燃气-热源介质换热器和烟气-热源介质换热器中与粗燃气和烟气换热而升温后的热源介质一并进入热源介质升温器中，与补充热源换热后的高温热源介质进入热管换热段中，将热量传给热管并降温，降温后的热源介质进入工质汽化器中将液态工质加热气化后的低温热源介质经热源介质压送器压送到燃气-热源介质换热器和烟气-热源换热器，再被加热；烟气-热源介质换热器中降温后的烟气进入二氧化碳捕集器中，将燃烧产生的二氧化碳捕集并液化后经液态工质泵压送至工质汽化器；在工质汽化器中，将液态工质汽化为气态工质后，又进入气化反应器中进行反应，工质循环进行。
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