CN105222129B - 一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离co2方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，在燃料反应器中，由水蒸气和少量氧气所组成的气化剂(B)从鼓泡床气化炉(1)的床层底部进入，床料(C)为粗颗粒惰性物料，在气化剂作用下进行流态化运动并形成密相区；细煤粉颗粒(A)从密相区加入鼓泡床气化炉(1)，与气化剂(B)发生气化反应，生成煤气和残炭(D)；载氧体颗粒(E)从提升管(2)底部进入，与煤气中的CO、H2和CH4等可燃成分发生反应，生成CO2和H2O。在二级旋风分离器(10)出口，由CO2、水蒸气、未燃尽可燃气体以及极少量的含炭细飞灰所组成的烟气进入燃烬室(13)，其中的可燃气体和细飞灰中的炭与从燃烬室氧气入口(14)处进入的氧气(J)发生燃烧反应，生成CO2和H2O。

Description

一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法
技术领域
本发明属于煤的清洁燃烧和高效利用领域，涉及一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法。
背景技术
工业革命以来，随着大气中温室气体排放的增多，温室效应不断增强。CO2是排放量最大的温室气体，占温室气体总辐射强度的份额也最大，因此研究燃煤CO2减排技术是应对温室效应的重中之重。化学链燃烧(Chemical Looping Combustion，简称CLC)是一种新型无焰燃烧技术，将传统的燃烧器分成两个独立的反应器(燃料反应器和空气反应器)，并选用一种合适的氧化物(载氧体)在两个反应器间交替循环。这样，传统燃烧中燃料与空气直接接触的一步燃烧反应被分解为两步化学反应：在空气反应器中，载氧体得到空气中的氧；而在燃料反应器中，载氧体释放出氧，对燃料进行氧化。整个反应中，燃料与空气并无直接接触，这样燃料反应器中燃料的燃烧产物不会被空气中的N2所稀释，产物成分仅包含CO2和水蒸气，通过简单的冷凝除水即可得到高纯度的CO2。由此可见，CLC技术具有在燃烧过程中自动分离CO2的天然优势，是国际公认的具有重要前景的CO2减排技术之一。
自1983年德国科学家提出化学链燃烧概念以来，国际上对其展开了广泛的研究。迄今为止，国内外对于气体燃料CLC工艺的研究已经比较成熟，但对以煤为主的固体燃料CLC的研究尚处于探索阶段，存在诸多难题，其中主要包括以下四个方面：
1、燃料反应器内，通常以水蒸气或水蒸气与CO2的混合物作为固体燃料的气化剂。反应过程中主要包括两个连续的反应：固体燃料和H2O/CO2的气化反应以及气化产物和载氧体的氧化还原反应，其中前者是强吸热反应，而后者是微放热反应。因此，燃料反应器整体上为吸热反应，反应所需的能量通常 来自于空气反应器所释放出的部分热量，并依靠载氧体循环传热的方式来实现。由于载氧体在循环过程中会产生热损失以及燃料反应器本身为吸热状态，导致燃料反应器与空气反应器之间不可避免地存在传热温差。然而，相比于空气反应器，燃料反应器内的反应速率较慢，是整个系统的速率控制步，因此，为了提升整个系统的反应速率及燃烧效率，对反应速率影响最大的燃料反应器温度必须得到保证。目前，一般采用提高空气反应器温度和载氧体循环倍率的方法来实现。但是，提高空气反应器温度容易导致空气反应器内出现结焦问题，而提高载氧体循环倍率则会大大增加运行成本和设备投资，两者均不利于燃煤CLC技术的工业化应用。综上所述，传统的燃煤CLC技术中，由于燃料反应器本身难以实现自热，因此仅靠载氧体循环传热很难维持燃料反应器在一个比较高的反应温度，进而限制了燃料反应器及整个系统的反应效率。
2、以水蒸气或水蒸气与CO2的混合物作为燃料反应器的气化剂，气化速率较低，导致燃料反应器内很难实现碳的高效转化。目前，通常采用提高H2O/C摩尔比的方法来提高气化速率，但此法将会大幅增加水蒸气的制备成本和凝结成本，并显著降低系统热效率。
3、燃料反应器中气体转化率较低，出口处CO、CH4等可燃气体浓度过高，导致能量转换效率的降低并造成较高的排放污染，由此甚至需要进行CO2的二次提纯，从而大大增加了投资和运行成本，降低了化学链燃烧低能耗的优势。
4、为了达到更好的传热效率，载氧体颗粒通常加入燃料反应器底部的密相区，但这会大大增加载氧体的磨损，导致其使用寿命大幅降低。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，克服常规燃煤CLC系统中燃料反应器难以实现自热、无法维持较高反应温度的缺陷，解决燃料反应器内碳转化率偏低、系统出口CO等可燃气体浓度过高以及载氧体的磨损等问题，达到提升系统的燃烧效率及CO2捕集率，同时节省设备投资与运行成本的效果。
技术方案：本发明提出了一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，由燃料反应器、空气反应器、两级分离系统、返料系统、燃烬室以及冷凝器组成 的装置中实现。其中，燃料反应器包括底部的鼓泡床气化炉和上部的提升管；空气反应器为错流移动床；两级分离系统包括一级惯性分离器和二级旋风分离器；返料系统包括一级下降管、一级J型返料器、二级下降管以及二级J型返料器。
燃料反应器底部气化炉内实现煤的快速气化及热量自给，上部提升管内实现气化产物的高效燃烧；空气反应器内实现载氧体的载氧反应过程；两级分离系统实现载氧体颗粒、残炭颗粒以及烟气三者之间的分离；返料系统实现载氧体与残炭颗粒的再循环；燃烬室实现燃料反应器出口可燃气体和细飞灰中炭的完全燃烧。
流程可简述为：
在燃料反应器中，由水蒸气和少量氧气所组成的气化剂B从鼓泡床气化炉1的床层底部进入，床料C为粗颗粒惰性物料，在气化剂作用下进行流态化运动并形成密相区；细煤粉颗粒A从密相区加入鼓泡床气化炉1，与气化剂B发生气化反应，生成煤气和残炭D；载氧体颗粒E从提升管2底部进入，与煤气中的CO、H2和CH4等可燃成分发生反应，生成CO2和H2O。提升管2的出口烟气携带失氧载氧体E和细残炭颗粒D，进入一级惯性分离器3进行分离，分离下来的失氧载氧体E经一级下降管4进入错流移动床空气反应器5内，与空气F反应获得再生，之后经一级J型返料阀9返回燃料反应器提升管2继续参与燃烧反应。从一级惯性分离器3出来的烟气进一步进入二级旋风分离器10进行分离，分离下来的残炭颗粒D经二级下降管11以及二级J型返料阀12返回燃料反应器鼓泡床气化炉1，进行二次反应。从二级旋风分离器10出来的烟气(由CO2、水蒸气、未燃尽可燃气体以及极少量的含炭细飞灰所组成)进入燃烬室13，其中的可燃气体和细飞灰中的炭与从燃烬室氧气入口14处进入的氧气J发生燃烧反应，生成CO2和H2O，最后再经冷凝器16冷却除水，即可获得高纯度的CO2。
有益效果：与现有的燃煤CLC分离CO2方法相比，本发明具有如下的特色及优点：
1、在燃料反应器底部的鼓泡床气化炉中，通入10％-15％(氧碳摩尔比)的纯氧，和水蒸气一起充当气化剂，由于纯氧气化是放热反应，产生的热量能够提供整个气化过程所需的能量，从而确保燃料反应器可以达到反应所需的最佳温度，以提高燃料反应器的反应速率及碳的转化率。
2、在鼓泡床气化炉中，加入的气化剂由传统的水蒸气变为水蒸气和少量纯 氧的混合物，气化反应速率明显提升，水蒸气消耗量大大减少，从而显著降低了水蒸气制备所需的能耗。
3、载氧体颗粒直接从鼓泡床上部的提升管加入，避免了与密相区床料的混合接触所带来的磨损，可以大幅提高载氧体寿命，节省载氧体的使用成本。
4、解决了燃料反应器自热问题，因此无需再通过提高空气反应器温度来给燃料反应器供热，降低了空气反应器内由于温度过高而产生局部结焦的风险；另外也无需提高物料的循环倍率，这样可以减少载氧体颗粒的摩擦，提高其使用寿命，并降低系统的运行成本。
5、在二级旋风分离器出口增加通有氧气的燃烬室，由CO2、水蒸气、未燃尽可燃气体以及极少量的含炭细飞灰所组成的烟气进入燃烬室，其中的可燃气体和细飞灰中的炭在燃烬室中再燃烧，生成CO2和H2O，从而大幅提高CO2的浓度及燃烧效率。
6、整个系统在燃料反应器底部的气化炉以及燃烬室中加入了少量纯氧，增加了制氧成本，但是其明显小于CO2捕集浓度增加、燃料转化率提高以及载氧体使用寿命延长所带来的收益，因此，此新型燃煤CLC系统具有很好的应用前景。
附图说明
图1是一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法的示意图。
其中包括：鼓泡床气化炉1，提升管2，一级惯性分离器3，一级下降管4，错流移动床空气反应器5，空气反应器受热面6，空气反应器空气入口7，空气反应器尾气出口8，一级J型返料阀9，二级旋风分离器10，二级下降管11，二级J型返料阀12，燃烬室13，燃烬室氧气入口14，燃烬室受热面15，冷凝器16，细煤粉颗粒A，气化剂B，床料C，残炭D，载氧体颗粒E，空气F，空气反应器排气G，一级流化风H，二级流化风I，氧气J，燃料反应器系统排气K。
具体实施方式
以下参照图1来详细说明本发明的耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离 CO2方法。
所述的燃料反应器由下部的鼓泡床气化炉1和上部的提升管2组成，提升管2的上部通过一级惯性分离器3的上部接二级旋风分离器10的上部，二级旋风分离器10顶部的出口通过管道接燃烬室13，燃烬室13的底部出口接冷凝器16；二级旋风分离器10的下部出口通过二级下降管11和二级J型返料阀12接鼓泡床气化炉1的下部；一级惯性分离器3的下部出口通过一级下降管4接错流移动床空气反应器5，错流移动床空气反应器5的的上部设有空气反应器尾气出口8，错流移动床空气反应器5的的中部设有空气反应器受热面6，下部设有空气反应器空气入口7，错流移动床空气反应器5的底部出口通过一级J型返料阀9接提升管2的下部。
具体方法为：
1)燃料反应器鼓泡床气化炉1底部布置布风板，为气化剂B(水蒸气和氧气混合物)的入口，在气化炉下部两侧分别连接煤粉A进口和二级J型返料阀12，在燃料反应器提升管2底部连接一级J型返料阀9。用水蒸气和氧气的混合物作为气化剂和流化介质，其中氧气的量可以根据实际情况调节。气化剂B进入鼓泡床气化炉1后，粗颗粒床料C仅在底部进行流态化运动并形成密相区，细煤粉颗粒A从密相区加入气化炉1，与气化剂B发生气化反应，生成煤气和残炭D，残炭D在煤气的携带下向上进入提升管2。载氧体颗粒E从提升管2底部进入，与煤气中的CO、H2、CH4等可燃成分发生反应，生成CO2和H2O，载氧体E失去部分氧。
2)提升管2出口处，反应后的固体颗粒(失氧载氧体E和残炭D)被烟气带出，进入一级惯性分离器3，大部分失氧载氧体颗粒E被分离至一级下降管4并进入空气反应器5，烟气携带少部分失氧载氧体颗粒E和细残炭颗粒D进入二级旋风分离器10。
3)在空气反应器5内，一级惯性分离器3分离出的失氧载氧体E进行载氧反应。失氧载氧体E从空气反应器5的顶部进入，空气F从位于空气反应器5下部的空气入口7进入，两者错流接触发生氧化还原反应，失氧载氧体E被空气F氧化再生，而反应后的尾气G从空气反应器尾气出口8排出。在空气反应器5的周围布置受热面6，输出热量并防止空气反应器5由于温度过高发生烧结。 再生后的载氧体E进入一级J型返料阀9，在一级流化风H(水蒸气)的携带下，返回至燃料反应器提升管2。
错流移动床空气反应器5内的载氧过程是强烈的放热反应，载氧体颗粒E从错流移动床空气反应器5出来，作为氧和热的载体，依次经过了一级下降管4-一级J返料阀9-燃料反应器提升管2-一级惯性分离器3-一级下降管4，构成了一级返料循环。
4)二级旋风分离器10内，烟气中的少量失氧载氧体颗粒E和残炭颗粒D被分离后依次进入二级下降管11和二级J型返料阀12，在二级流化风I(水蒸气)的携带下，返回至鼓泡床气化炉1进行二次反应。物料在鼓泡流化床气化炉1-提升管2-一级惯性分离器3-二级旋风分离器10-二级下降管11-二级J型返料阀12之间的循环运动构成了二级返料循环。
5)在二级旋风分离器10出口，由CO2、水蒸气、未燃尽的可燃气体以及极少量的细飞灰所组成的烟气进入燃烬室13，其中的可燃气体和细飞灰与从燃烬室氧气入口14处进入的氧气L发生燃烧反应生成CO2和H2O，释放的热量通过燃烬室受热面15加以利用，实现燃料转化率的提高及热量的最大化利用。从燃烬室13出来的含有高纯度CO2及水蒸气的混合气进入冷凝器16，去除其中的H2O，即可获得高浓度的CO2。

Claims (4)

1.一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于该方法具体如下：
1)在燃料反应器中，由水蒸气和少量氧气所组成的气化剂(B)从鼓泡床气化炉(1)的床层底部进入，床料(C)为粗颗粒惰性物料，在气化剂作用下进行流态化运动并形成密相区；细煤粉颗粒(A)从密相区加入鼓泡床气化炉(1)，与气化剂(B)发生气化反应，生成煤气和残炭(D)，残炭在煤气的携带下向上进入提升管(2)；载氧体颗粒(E)从提升管(2)底部进入，与煤气中的CO、H2和CH4可燃成分发生反应，生成CO2和H2O，载氧体颗粒(E)失去部分氧；
2)在二级旋风分离器(10)出口，由CO2、水蒸气、未燃尽可燃气体以及极少量的含炭细飞灰所组成的烟气进入燃烬室(13)，其中的可燃气体和细飞灰中的炭与从燃烬室氧气入口(14)处进入的氧气(J)发生燃烧反应，生成CO2和H2O；
所述的燃料反应器由下部的鼓泡床气化炉(1)和上部的提升管(2)组成，提升管(2)的上部通过一级惯性分离器(3)的上部接二级旋风分离器(10)的上部，二级旋风分离器(10)顶部的出口通过管道接燃烬室(13)，燃烬室(13)的底部出口接冷凝器(16)；二级旋风分离器(10)的下部出口通过二级下降管(11)和二级J型返料阀(12)接鼓泡床气化炉(1)的下部；一级惯性分离器(3)的下部出口通过一级下降管(4)接错流移动床空气反应器(5)，错流移动床空气反应器(5)的上部设有空气反应器尾气出口(8)，错流移动床空气反应器(5)的中部设有空气反应器受热面(6)，空气反应器空气入口(7)，错流移动床空气反应器(5)的底部出口通过一级J型返料阀(9)接提升管(2)的下部。
2.根据权利要求1所述的耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于燃料反应器内按照不同的颗粒尺寸配置细煤粉颗粒(A)、床料(C)以及载氧体颗粒(E)；其中，细煤粉颗粒(A)为小尺寸的细颗粒，不易被一级惯性分离器(3)分离；床料(C)为大尺寸的粗颗粒，仅在鼓泡床气化炉(1)底部进行流化运动，形成密相区；载氧体颗粒(E)为中等尺寸的小颗粒，进入提升管(2)后只向上运动，而不落入密相区，不会与粗颗粒的床料(C)相接触，并且能够被一级惯性分离器有效分离。
3.根据权利要求1所述的耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于所述的所述的鼓泡床气化炉(1)中通入的气化剂(B)的成分除水蒸气外还包含少量的氧气，氧气与细煤粉颗粒(A)反应释放出的热量能够提供整个气化过程所需的能量。
4.根据权利要求1所述的耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于在燃料反应器出口设置燃烬室(13)，将残存的可燃气体燃尽。
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