CN107687636A - 一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法 - Google Patents

一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法 Download PDF

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朱珉
赵正浩
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Abstract

本发明公开了一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法，该装置由底部固定床、中部鼓泡流化床、顶部快速流化床、旋风分离器、返料阀、排料管、风室和混合预热室构成，将碳氢燃料还原载氧体的过程分为重整、部分还原反应和完全反应三部分。碳氢燃料和水蒸汽经过混合预热及部分氧化后，从反应器底部进入，先与放置在固定床内的重整催化剂反应，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，然后，进入反应器中部鼓泡流化床参与还原Fe3O4/Fe2O3，最后，与快速流化床底部进入的Fe2O3反应，完全转化为H2O和CO2。本装置及方法可以有效改善燃料反应器内燃料转化率，避免碳氢燃料裂解积碳，提高铁基载氧体的还原效率。

Description

一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法
技术领域
本发明涉及一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法，属于鼓泡流化床反应器设计的技术领域。
背景技术
随着人类经济蓬勃发展，伴随而来的是人类对能源的需求日益增大，特别是对化石燃料的消耗不断增加，传统的能源利用技术在获得能源的同时也排放了大量的二氧化碳，加剧了“温室效应”，在燃烧过程中生成高浓度的或便于分离的气相混合物，同时消除其他污染物的生成与排放是一条有效途径。化学链燃烧正是具有上述特性的一种新型燃烧方式，基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧体的作用分解为两个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料中。我国是一个以煤炭为主的能源消耗大国，在这一基本国情下，未来半个世纪内，在能源的选择上，化石燃料仍将扮演着非常重要的角色。因此，在化石燃料消耗过程中，有效分离并固化CO2成为能否实现化石燃料规模清洁燃烧的关键之一。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器及反应方法，本发明能有效改善燃料反应器内燃料转化率，避免碳氢燃料裂解积碳，提高铁基载氧体的还原效率。
技术方案：本发明的一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器包括固定床、鼓泡流化床反应器、提升管、旋风分离器、下料管、返料阀、反应器排料管、固定床排料管、下布风板、上布风板、风室和混合预热室；在固定床底部设有风室、下布风板和固定床排料管，在固定床上部设有进料口和鼓泡流化床反应器，鼓泡流化床反应器的顶部接提升管，鼓泡流化床反应器的上部侧面设有溢流口，下部设有上布风板和反应器排料管，提升管下部侧面设有进料口，而提升管的上端与旋风分离器的上端相连，旋风分离器的下端通过下料管与返料阀相连，返料阀与鼓泡流化床反应器的下端相连。
所述的风室的下部分别设有燃料气、水蒸气和氧气的进口。
本发明的基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的燃烧反应方法为：燃料气和水蒸气通入固定床下部风室内，同时向风室内通入部分氧气，碳氢燃料与氧气反应放出热量，为固定床内的重整反应提供热量，重整催化剂从进料口进入固定床，燃料气和水蒸气进入固定床并发生重整反应，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，并进入鼓泡流化床反应器中，固体颗粒Fe3O4/Fe2O3从返料阀流入鼓泡反应器中，被固定床气体产物还原至FeO/Fe后，从溢流口流出，由于铁氧化物热力学限制，固定床气体产物在鼓泡流化床反应器中不能完全转化，鼓泡流化床反应器气体产物继续进入提升管中，作为载体和反应器，提升管的下端设有进料口，过量的Fe2O3从进料口进入提升管，与鼓泡流化床反应器气体产物完全反应，生成CO2和H2O，从旋风分离器的上端排出，过量的Fe2O3被还原为Fe3O4/Fe2O3，经旋风分离器分离后，通过返料阀进入鼓泡流化床反应器。
所述的碳氢燃料在进入燃烧反应器前，先经过混合预热室混合预热及部分氧化以提供重整反应所需热量，将重整催化剂置于反应器底部固定床，鼓泡流化床反应器和提升管内加入铁基载氧体。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的方法及其装置在实现碳氢燃料转化的同时能够分离CO2，实现CO2捕集。在反应器中部鼓泡流化床反应器，物料处于鼓泡流化状态，从进料口进入提升管底部的铁基载氧体，利用提升管的夹带作用，在提升管内床体横截面积的缩小使物料处在快速流化状态，同时，在反应器中部鼓泡流化床反应器未完全反应的燃料气上升至提升管中，燃料气在提升管中与过量的较高价态载氧体反应转化为二氧化碳水蒸气混合气，经过旋风分离器分离、冷凝后获得洁净的二氧化碳，而部分较高价态的载氧体则转化为较低价态的载氧体，未反应的较高价态的载氧体及反应后的较低价态的载氧体从旋风分离器底端通过返料阀进入鼓泡流化床反应器。在鼓泡流化床反应器内载氧体进一步与燃料气反应，转化为较低价态的载氧体。其优势在于，固体物料停留时间长，有充分的化学反应时间。
2、本装置涉及到的铁氧化物的还原过程：
铁基载氧体的还原次序是：
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
反应过程中，若碳氢燃料直接与铁基载氧体反应，则存在Fe2O3到Fe的还原效率低的问题。本方法则加入重整过程，碳氢燃料首先与重整催化剂反应生成CO和H2，CO、H2及小分子碳氢化合物再与铁基载氧体反应，有效改善燃料反应器内燃料转化率，避免碳氢燃料裂解积碳，提高铁基载氧体的还原效率。
附图说明
图1为基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的装置图。
图2为利用本发明基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器链式制取氢气并捕集CO2示意图。
具体实施方式
如图1，基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器包括固定床3、鼓泡流化床反应器5、提升管6、旋风分离器7、下料管8、返料阀9、反应器排料管10、固定床排料管11、下布风板2、上布风板4、风室1和混合预热室12；在固定床3底部设有风室1、下布风板2和固定床排料管11，在固定床3上部设有进料口D和鼓泡流化床反应器5，鼓泡流化床反应器5的顶部接提升管6，鼓泡流化床反应器5的上部侧面设有溢流口E，下部设有上布风板4和反应器排料管10，提升管6下部侧面设有进料口F，而提升管6的上端与旋风分离器7的上端相连，旋风分离器7的下端通过下料管8与返料阀9相连，返料阀9与鼓泡流化床反应器5的下端相连。所述的风室1的下部分别设有燃料气A、水蒸气B和氧气C的进口。
基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的方法，将重整催化剂置于反应器底部固定床，燃料气和水蒸气经过混合预热及部分氧化后通入固定床底部，燃料气与重整催化剂反应式为：CxHy+H2O→CO+H2，CO+H2O→CO2+H2，CxHy+CO2→CO+H2，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，并进入鼓泡流化床反应器中，鼓泡流化床反应器与返料阀相连，固体颗粒Fe3O4/Fe2O3从返料阀流入鼓泡流化床反应器中，被固定床气体产物还原至FeO/Fe后，从溢流口流出，由于铁氧化物热力学限制，固定床气体产物在鼓泡流化床反应器中不能完全转化，鼓泡流化床反应器气体产物继续进入提升管中，作为载体和反应器，提升管的下端设有进料口，过量的Fe2O3从进料口进入提升管，与鼓泡流化床反应器气体产物完全反应，生成CO2和H2O，从旋风分离器的上端排出，过量的Fe2O3被还原为Fe3O4/Fe2O3，经旋风分离器分离后，通过返料阀进入鼓泡流化床反应器。实现了二氧化碳捕集与用于制氢的铁基载氧体的还原。
实施例1
基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的反应方法，重整催化剂从进料口D进入反应器底部固定床3，燃料气A和水蒸气B经过混合预热及部分氧化后通入固定床3底部，燃料气与重整催化剂反应式为：CxHy+H2O→CO+H2，CO+H2O→CO2+H2，CxHy+CO2→CO+H2，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，并进入鼓泡流化床反应器5中，鼓泡流化床反应器5与返料阀9相连，固体颗粒Fe3O4/Fe2O3从返料阀9流入鼓泡流化床反应器5中，被固定床3气体产物还原至FeO/Fe后，从溢流口E流出，由于铁氧化物热力学限制，固定床3气体产物在鼓泡流化床反应器5中不能完全转化，鼓泡流化床反应器5气体产物继续进入提升管6中，作为载体和反应器，提升管6的下端设有进料口，过量的Fe2O3从进料口F进入提升管6，与鼓泡流化床反应器5气体产物完全反应，生成CO2和H2O，从旋风分离器7的上端G排出，过量的Fe2O3被还原为Fe3O4/Fe2O3，经旋风分离器7分离后，通过返料阀9进入鼓泡流化床反应器5。实现了二氧化碳捕集与用于制氢的铁基载氧体的还原；如附图1。
实施例2
利用本发明基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器链式制取氢气并捕集CO2的方法，将铁或铁氧化物置于空气反应器2-1内，在空气反应器2-1下端H通入流化空气，空气反应器2-1运行温度可控制在800℃～1250℃左右，铁或铁氧化物与空气中的氧气反应后得到Fe2O3，再使气固两相经空气分离器2-3分离后的高温贫氧空气从空气分离器2-3的上端J排出，并经做功发电或余热利用；分离后通过进料槽2-4进入燃料反应器流化床；燃料反应器流化床的运行温度可控制在800℃～1200℃左右；燃料气A和水蒸气B经过混合预热室2-15后通入固定床2-12下部风室2-14内，同时向风室2-14内通入部分氧气C，碳氢燃料与氧气反应放出热量，为固定床2-12内的重整反应提供热量，重整催化剂从进料口D进入固定床2-12，燃料气和水蒸气进入固定床2-12并发生重整反应，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，并进入鼓泡流化床反应器中2-8，鼓泡流化床反应器2-8与返料阀2-9相连，固体颗粒Fe3O4/Fe2O3从返料阀2-9流入鼓泡流化床反应器2-8中，被固定床2-12气体产物还原至FeO/Fe后，从溢流口E流出，由于铁氧化物热力学限制，固定床2-12气体产物在鼓泡流化床反应器2-8中不能完全转化，鼓泡流化床反应器2-8气体产物继续进入提升管2-6中，作为载体和反应器，提升管2-6的下端设有进料口K，过量的Fe2O3从进料口K进入提升管2-6，与鼓泡流化床反应器2-8气体产物完全反应，生成CO2和H2O，从旋风分离器2-5的上端排出，并经做功发电或余热利用，凝结出水后得到纯净的二氧化碳。而Fe2O3/Fe3O4从二氧化碳分离器2-5的下端排出，经返料阀2-9进入反应器中部鼓泡流化床反应器2-8与固定床2-12的气体产物反应被还原为FeO/Fe。含有FeO和Fe的铁氧化物通过溢流槽2-17溢流到制氢反应器2-18，制氢反应器2-18温度控制在650℃～950℃左右，在制氢反应器2-18中水蒸气作为流化介质，并与FeO/Fe反应生成氢气，FeO/Fe被氧化为Fe3O4，再使气固两相经氢气分离器2-2分离，分离后的氢气水蒸气混合气从氢气分离器2-2上端I排出，经过余热利用，凝结出水后得到纯净的氢气，分离后的Fe3O4经过溢流槽2-19回到空气反应器流化床进一步氧化，实现循环使用；如附图2。

Claims (4)

1.一种基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器，其特征在于，该反应器包括固定床(3)、鼓泡流化床反应器(5)、提升管(6)、旋风分离器(7)、下料管(8)、返料阀(9)、反应器排料管(10)、固定床排料管(11)、下布风板(2)、上布风板(4)、风室(1)和混合预热室(12)；在固定床(3)底部设有风室(1)、下布风板(2)和固定床排料管(11)，在固定床(3)上部设有进料口D和鼓泡流化床反应器5，鼓泡流化床反应器(5)的顶部接提升管(6)，鼓泡流化床反应器(5)的上部侧面设有溢流口E，下部设有上布风板(4)和反应器排料管(10)，提升管(6)下部侧面设有进料口F，而提升管(6)的上端与旋风分离器(7)的上端相连，旋风分离器(7)的下端通过下料管(8)与返料阀(9)相连，返料阀(9)与鼓泡流化床反应器(5)的下端相连。
2.根据权利要求1所述的基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器，其特征在于，所述的风室(1)的下部分别设有燃料气A、水蒸气B和氧气C的进口。
3.一种如权利要求1所述的基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的燃烧反应方法，其特征在于，燃料气A和水蒸气B通入固定床(3)下部风室(1)内，同时向风室(1)内通入部分氧气C，碳氢燃料与氧气反应放出热量，为固定床3内的重整反应提供热量，重整催化剂从进料口D进入固定床(3)，燃料气和水蒸气进入固定床(3)并发生重整反应，生成气体产物H2、CO、CO2和小分子碳氢化合物，并进入鼓泡流化床反应器中(5)，固体颗粒Fe3O4/Fe2O3从返料阀(9)流入鼓泡反应器(5)中，被固定床(3)气体产物还原至FeO/Fe后，从溢流口E流出，由于铁氧化物热力学限制，固定床(3)气体产物在鼓泡流化床反应器(5)中不能完全转化，鼓泡流化床反应器(5)气体产物继续进入提升管(6)中，作为载体和反应器，提升管(6)的下端设有进料口F，过量的Fe2O3从进料口F进入提升管(6)，与鼓泡流化床反应器(5)气体产物完全反应，生成CO2和H2O，从旋风分离器(7)的上端排出，过量的Fe2O3被还原为Fe3O4/Fe2O3，经旋风分离器(7)分离后，通过返料阀(9)进入鼓泡流化床反应器(5)。
4.根据权利要求3所述的基于叠式流化床的碳氢气体燃烧反应器的燃烧反应方法，其特征在于，所述的碳氢燃料在进入燃烧反应器前，先经过混合预热室(12)混合预热及部分氧化以提供重整反应所需热量，将重整催化剂置于反应器底部固定床(3)，鼓泡流化床反应器(5)和提升管(6)内加入铁基载氧体。
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