CN107270282A - 耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离co2方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，在多级塔式逆流移动床空气反应器(3)中，一级惯性分离器(2)分离下来的失氧载氧体颗粒(C)从上部进入反应器发生载氧反应，再生后从反应器下部离开。空气(E)从管式进风器(6)入口进入，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔(7)进入空气反应器(3)内部，空气(E)绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒(C)形成逆流接触，发生氧化还原反应。反应后的贫氧空气(F)进入防堵塞喷嘴(5)，接着从管式排风器(4)出口离开。载氧体颗粒(C)在自上而下平稳流动的过程中，是在各级管式排风器(4)和管式进风器(6)之间发生均匀载氧反应，从而实现失氧载氧体(C)的高效再生。

Description

耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法
技术领域
本发明涉及一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，属于燃料的清洁燃烧和高效利用技术领域。
背景技术
自工业革命以来，化石燃料的大量使用导致CO2排放量急剧增加，温室效应不断加强，高温、冰川融化等各种极端自然现象给世界造成了巨大的损失。化学链燃烧(ChemicalLooping Combustion，简称CLC)作为一种新型的无焰燃烧技术，具有在燃烧过程中自动分离CO2的天然优势，是目前国际公认的具有重要前景的CO2减排技术之一。该技术的原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧反应分解成两个反应，借助载氧体的循环作用在两个反应器(燃料反应器和空气反应器)内实现。在燃料反应器中，燃料被载氧体氧化生成CO2和水蒸气；在空气反应器中，失氧载氧体与空气发生载氧再生反应得到新鲜载氧体。由于燃料反应器中燃料与载氧体接触反应，燃烧产物未被空气中的N2稀释，通过简单的冷凝即可得到高纯度的CO2，从而实现高效低成本的CO2分离。
目前，国内外研究学者已经对化学链燃烧开展了广泛的研究，其中对于气体燃料CLC的研究已经比较成熟，但对固体燃料CLC的研究尚处于探索阶段，其中系统气固流动机制存在以下难题：
1、多动力源双流化床串行反应器运行可控性差以及流动与反应的关联耦合差。目前绝大多数的固体燃料化学链燃烧系统都选用了多动力源双流化床串行结构(即燃料反应器和空气反应器均为流化床)，通过利用流化床反应器良好的气固混合接触特性，从而有效地提升两反应器的反应性能。然而，这种气固流动机制通常要求形成两套独立的颗粒动力系统(燃料反应器动力系统和空气反应器动力系统)，彼此之间再通过返料实现载氧体颗粒的交换循环，整个系统运行过程繁琐、操作复杂程度较高、可控性较差，进而造成气固流动与反应的稳定性以及耦合性不够理想。
2、单动力源循环流化床/移动床反应器热功率规模受限，载氧效果不理想以及反应器间气体串混严重。一部分的固体燃料化学链燃烧装置采用了单动力源循环流化床/移动床反应器单环串行结构(即燃料反应器为循环流化床，空气反应器为移动床)，此种结构下移动床安置于循环流化床的下降管段，由此整个系统颗粒循环的动力仅来源于循环流化床，从而大大提升了系统结构的简洁性与运行的可控性，并且有效提升了气固流动与反应的稳定性以及耦合性。然而，此种气固流动机制也存在许多不足，(1)移动床的气体处理能力不足，从而导致单位截面积所允许的空气进气量以及系统的输入热功率大幅受限，或者相同气量下反应器的截面积过大，这两点情况均会造成反应器放大困难；(2)载氧过程中载氧体与空气的接触并不完全均匀充分，由此为了保证载氧体的再生效率会造成较高的氧气逃逸率；(3)由于两反应器直接相连通，难免存在两反应器间的气体泄漏与串混，造成CO2捕集浓度与捕集效率在一定程度上的降低。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，克服已有的CLC分离CO2方法所面临的多动力源双流化床串行反应器运行可控性差、流动与反应的关联耦合差，以及单动力源循环流化床/移动床反应器热功率规模受限、载氧效果不理想、反应器间气体串混严重的问题，达到空气反应器与燃料反应器耦合程度高、系统运行可控性好、系统热功率规模增加以及载氧再生效率高等有益效果。
技术方案：本发明的一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法具体为：
在多级塔式逆流移动床空气反应器中，一级惯性分离器分离下来的失氧的载氧体颗粒从上部进入多级塔式逆流移动床空气反应器发生载氧反应，再生完成后从该反应器下部离开，通过一级返料器再进入燃料反应器；空气从管式进风器入口进入，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔进入空气反应器内部，空气绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒形成逆流接触，发生氧化还原反应；反应后的贫氧空气进入防堵塞喷嘴，接着从管式排风器出口离开；载氧体颗粒在自上而下平稳流动的过程中，在各级管式排风器和管式进风器之间发生均匀载氧反应，从而实现载氧体颗粒的高效再生。
其中，
所述的多级塔式逆流移动床空气反应器中，采用管式进风器和管式排风器交错布置进行多级布风，载氧体颗粒在每级内与空气逆流接触反应，与常规的移动床空气反应器相比，载氧效率高，气体处理能力大，系统热功率规模显著提升。
所述的空气在各级管式进风器的风量采用上低下高的非均匀分配方式，调节各级风量即可实现系统热功率的灵活调节，同时，结合各级管式排风器出口合理的背压调节，可以充分抑制空气反应器和一级惯性分离器之间的串气以及空气反应器内部级间串气，实现高CO2捕集效率、高载氧再生效率以及低氧气逃逸率。
所述的空气是从管式进风器下侧面的小孔进入多级塔式逆流移动床空气反应器内部，此区域为载氧体颗粒自上而下流动时的“盲区”，有效防止气体夹带颗粒堵塞小孔。
空气是从管式排风器下侧面的防堵塞喷嘴离开多级塔式逆流移动床空气反应器内部，防止气体夹带颗粒堵塞防堵塞喷嘴。
残炭颗粒D经一级惯性分离器分离后送到二级旋风分离器，再由二级返料器送回燃料反应器。
有益效果：与现有的常规固体燃料化学链燃烧分离CO2方法相比，本发明具有如下的特色及优点：
1、本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法中，多级塔式逆流移动床空气反应器置于循环流化床燃料反应器的返料管中部，由此整个系统颗粒循环的动力仅来源于循环流化床。与常见的利用多动力源双流化床反应器串行装置分离CO2相比，颗粒循环稳定性高，两反应器气固流动与反应耦合性高，系统运行简洁以及操作可控性强。
2、本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法中，多级塔式逆流移动床空气反应器内采用多级布风方式，与传统移动床内单级布风相比，此空气反应器的气体处理能力大幅提升，载氧体从空气反应器输运到燃料反应器中的氧量显著增加，由此可以有效提升系统的热功率规模并减小设备尺寸；可以实现载氧体的分级载氧，使得载氧过程更加均匀充分，从而能够保证较高的载氧体再生效率并降低氧气的逃逸率；可以适当降低每层的进风量，由此能够允许选用较小粒径的载氧体以增加其反应比表面积，从而进一步提升空气反应器内载氧体的再生效率，同时也能够提升燃料反应器的反应效率并降低燃料反应器内颗粒循环所需的流化气量，从而可以在节约运行成本的同时获得更高的CO2捕集效率和燃料转化率。
3、本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法中，多级塔式逆流移动床空气反应器内采用风量上低下高的非均匀分配方式，可以实现风量与热功率的灵活调节；结合合理的反应器背压调节，可以有效减免空气反应器与燃料反应器因上部相互连通而产生的串气，实现理想的CO2捕集浓度与捕集效率。
4、本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法中，多级塔式逆流移动床空气反应器内采用多孔进风和排风，可以实现颗粒流动的稳定性和载氧再生的均匀性。气体分别是从进风器和排风器下侧面的小孔和防堵塞喷嘴进入和离开空气反应器内部，此区域为颗粒自上而下流动时的“盲区”，有效防止气体夹带颗粒堵塞小孔和喷嘴。
附图说明
图1是本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法的示意图，其中包括：燃料反应器1，一级惯性分离器2，多级塔式逆流移动床空气反应器3，管式排风器,4，防堵塞喷嘴5，管式进风器6，小孔7，一级返料器8，二级旋风分离器9，二级返料器10，气化剂A，固体燃料B，载氧体颗粒C，残炭颗粒D，空气E，贫氧空气F，燃烧气体产物G。
具体实施方式
流程可简述为：
在燃料反应器中，气化剂、固体燃料和载氧体颗粒分别从燃料反应器底部和侧面的入口进入，气化剂(同时作为流化介质)携带固体燃料和载氧体向上运动，在这个过程中，气化剂与固体燃料发生气化反应生成CO、H2和CH4等可燃成分，载氧体与可燃成分发生氧化还原反应生成CO2和H2O。燃料反应器出口烟气携带失氧载氧体和细残炭颗粒进入一级惯性分离器发生分离，分离下来的失氧载氧体进入多级塔式逆流移动床空气反应器。空气从管式进风器入口进入，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔进入反应器内部，气体绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒形成逆流接触，实现分级均匀载氧。反应后的贫氧空气进入防堵塞喷嘴，从管式排风器出口离开反应器，反应后的再生载氧体则经由一级返料器进入燃料反应器中发生反应。一级惯性分离器分离下来的烟气和细残炭颗粒进入二级旋风分离器发生二次分离，分离出来的细残炭颗粒经二级返料器返回燃料反应器进行二次反应。从二级旋风分离器出来的烟气(由CO2和水蒸气组成)从旋风分离器出口离开，经冷凝即可获得高纯度的CO2。
以下参照图1来详细说明本发明的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法。
1)在燃料反应器中，气化剂A从床体底部进入，固体燃料B和载氧体颗粒C从床体侧面进入，气化剂A(同时充当流化介质)携带固体燃料B和载氧体颗粒C向上运动。在这个过程中，气化剂A与固体燃料B发生气化反应生成CO、H2和CH4等可燃成分，可燃成分与载氧体颗粒C发生氧化还原反应生成CO2和H2O。
2)燃料反应器1出口烟气携带失氧载氧体颗粒C和细残炭颗粒D，进入与燃料反应器1相连的一级惯性分离器2发生分离，分离下来的失氧载氧体C进入多级塔式逆流移动床空气反应器3，而细残炭颗粒D则随烟气进入二级旋风分离器9。
3)一级惯性分离器2分离下来的失氧载氧体C，从上部进入多级塔式逆流移动床空气反应器3，空气E则从管式进风器6入口进入反应器内部。由于空气反应器3本体呈上窄下宽的塔式结构，因此各级气量呈上低下高的非均匀分配方式，同时各级进气量可根据系统热功率要求灵活调节。空气E进入管式进风器6后，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔7进入空气反应器3内部，空气E绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒C形成逆流接触，发生氧化还原反应。反应后的贫氧空气F进入防堵塞喷嘴5，接着从管式排风器4出口离开空气反应器3。载氧体颗粒C在自上而下平稳流动的过程中，在各级管式排风器4和管式进风器6之间获得分级均匀载氧再生，再生载氧体颗粒C经由一级返料器8进入燃料反应器1中发生反应。物料在燃料反应器1-一级惯性分离器2-多级塔式逆流移动床空气反应器3-一级返料器8-燃料反应器1之间循环运动，构成一级返料循环。
4)烟气携带一级惯性分离器2分离下来的细残炭颗粒D进入二级旋风分离器9发生二次分离，分离出来的细残炭颗粒D经二级返料器10返回燃料反应器1进行二次反应。物料在燃料反应器1-一级惯性分离器2-二级旋风分离器9-二级返料器10-燃料反应器1之间运动，构成二级返料循环。燃烧气体产物G从二级旋风分离器9出口排出，经冷凝即可获得高纯度的CO2。

Claims (6)

1.一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于该方法具体为：
在多级塔式逆流移动床空气反应器(3)中，一级惯性分离器(2)分离下来的失氧的载氧体颗粒(C)从上部进入多级塔式逆流移动床空气反应器(3)发生载氧反应，再生完成后从该反应器下部离开，通过一级返料器(8)再进入燃料反应器(1)；空气(E)从管式进风器(6)入口进入，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔(7)进入空气反应器(3)内部，空气(E)绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒(C)形成逆流接触，发生氧化还原反应；反应后的贫氧空气(F)进入防堵塞喷嘴(5)，接着从管式排风器(4)出口离开；载氧体颗粒(C)在自上而下平稳流动的过程中，在各级管式排风器(4)和管式进风器(6)之间发生均匀载氧反应，从而实现载氧体颗粒(C)的高效再生。
2.根据权利要求1所述的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于所述的多级塔式逆流移动床空气反应器(3)中，采用管式进风器(6)和管式排风器(4)交错布置进行多级布风，载氧体颗粒(C)在每级内与空气逆流接触反应，与常规的移动床空气反应器相比，载氧效率高，气体处理能力大，系统热功率规模显著提升。
3.根据权利要求1所述的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于所述的空气(E)在各级管式进风器(6)的风量采用上低下高的非均匀分配方式，调节各级风量即可实现系统热功率的灵活调节，同时，结合各级管式排风器(4)出口合理的背压调节，可以充分抑制空气反应器(3)和一级惯性分离器(2)之间的串气以及空气反应器(3)内部级间串气，实现高CO2捕集效率、高载氧再生效率以及低氧气逃逸率。
4.根据权利要求1所述的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于所述的空气(E)是从管式进风器(6)下侧面的小孔(7)进入多级塔式逆流移动床空气反应器(3)内部，此区域为载氧体颗粒(C)自上而下流动时的“盲区”，有效防止气体夹带颗粒堵塞小孔(7)。
5.根据权利要求1所述的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于空气(E)是从管式排风器(4)下侧面的防堵塞喷嘴(5)离开多级塔式逆流移动床空气反应器(3)内部，防止气体夹带颗粒堵塞防堵塞喷嘴(5)。
6.根据权利要求1所述的耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法，其特征在于残炭颗粒D经一级惯性分离器(2)分离后送到二级旋风分离器(9)，再由二级返料器(10)送回燃料反应器(1)。
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