CN108546570A - 一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于节能减排及能源高效利用相关技术领域，其公开了一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，该返料脱炭一体化装置包括返料脱炭机构，该返料脱炭机构包括依次相连通的第一颗粒输送室、至少两个气化脱炭室及第一颗粒返料室，该第一颗粒输送室的顶部形成有入口，该入口用于连接燃料反应器的出口；该返料脱炭机构位于该气化脱炭室的位置形成有第一开口，该第一开口一端与该返料脱炭室相连通，另一端与该燃料反应器相连通；该第一颗粒返料室形成有溢流口，该溢流口与返料斜管相连通。本发明强化了未燃尽炭和物料的接触和传质过程；结构简单，简化了操作程序，提高了集成程度；提高了燃料转化效率及能源利用率。

Description

一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置
技术领域
本发明属于节能减排及能源高效利用相关技术领域，更具体地，涉及一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置。
背景技术
现阶段，循环流化床作为反应器广泛应用于能源化工领域，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如采用双循环流化床技术的化学链燃烧。化学链燃烧(chemicallooping combustion,简称CLC)具有无烟无氧的特性，且具备燃烧化学能梯级利用、抑制NOx生成、抑制有毒废气的生成和近零排放等优点，是实现节能减排和高效利用并且环境友好的重要革命性技术之一。化学链燃烧系统主要包空气反应器、燃料反应器、返料器和旋风分离器。针对固体燃料的化学链燃烧，由于固体燃料在燃料反应器内部通常转化不完全，因此常规设计方案是在燃料反应器出口处串联初级流动密封阀、脱炭器和次级流动密封阀来对未转化炭进行脱除和转化、固体氧载体的输运和两个反应器间气氛的隔绝，导致所述化学链燃烧系统的结构复杂，难以控制，体积较大，占用空间较多。相应地，本领域存在着发展一种系统集成度高且可柔性控制的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其基于现有化学链燃烧系统的工作特点，研究及设计了一种可柔性控制且集成度高的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置。所述返料脱炭一体化装置通入所述气化脱炭室的气化气对所述未转化炭进行气化以生成气化气，所述气化气自所述第一开口进入所述燃料反应器或者被所述氧载体进行就地转化，以实现所述氧载体与所述未转化炭的分离，同时，经脱炭纯化后的所述氧载体自所述气化脱炭室的底部进入所述第一颗粒返料室；进入所述第一颗粒返料室的氧载体经所述溢流口进入所述返料斜管，由此完成颗粒输送，同时具备脱碳及返料的功能，提高了结构紧凑度及载体利用率，柔性控制能力及性能较好。此外，所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体自上而下移动并自所述第一颗粒输送室的底部进入所述气化脱炭室，所述气化介质在所述第一颗粒返料室内自下向上移动，未转化炭的气化产物也因此由下向上移动，由此与由上向下移动的所述氧载体形成逆流移动床形式，强化了气固接触，提高了传热传质效率，提高了颗粒停留时间。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，所述返料脱炭一体化装置包括返料脱炭机构，所述返料脱炭机构包括依次相连通的第一颗粒输送室、至少两个气化脱炭室及第一颗粒返料室，所述第一颗粒输送室的顶部形成有入口，所述入口用于连接燃料反应器的出口；所述返料脱炭机构位于所述气化脱炭室的位置形成有第一开口，所述第一开口与所述返料脱炭室相连通；所述第一颗粒返料室形成有溢流口，所述溢流口与返料斜管相连通；
所述燃料反应器的燃烧产物经所述第一颗粒输送室的入口进入所述第一颗粒输送室，所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体在所述第一颗粒输送室内自上而下移动并自所述第一颗粒输送室的底部进入所述气化脱炭室；通入所述气化脱炭室的气化气用于对所述未转化炭进行气化以生成气化气，所述气化气自所述第一开口进入所述燃料反应器或者被所述氧载体进行就地转化，以实现所述氧载体与所述未转化炭的分离，同时，经脱炭纯化后的所述氧载体自所述气化脱炭室的底部进入所述第一颗粒返料室；进入所述第一颗粒返料室的氧载体经所述溢流口进入所述返料斜管，由此完成颗粒输送。
进一步地，所述第一颗粒返料室采用水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种作为松动介质及气化介质，所述气化介质在所述第一颗粒返料室内自下向上移动。
进一步地，所述第一颗粒输送室内的颗粒呈移动床，以形成料封。
进一步地，所述返料脱炭一体化装置还包括相串联的截止阀及背压阀，所述截止阀连接于所述第一开口，所述背压阀连接于所述燃料反应器的入口。
进一步地，至少两个所述气化脱炭室的数量为两个，两个所述气化脱炭室通过第二水平通孔相连通，且两个所述气化脱炭室之间设置有活动的第二隔板，所述第二隔板的顶端为所述第二水平通孔的孔壁。
进一步地，所述第二隔板通过上下移动来调节所述第二水平通孔的大小。
进一步地，所述第一颗粒输送室为移动床结构；所述气化脱炭室为鼓泡流化床结构或者湍动流化床结构；所述第一颗粒返料室为鼓泡流化床结构。
进一步地，所述气化脱炭室内还通入有流化介质，通过控制流化介质的速度使所述未转化炭与所述氧载体处于不同的床层高度，以实现所述未转化炭与所述氧载体的物理分离。
进一步地，所述气化脱炭室内的工作温度位于常温与1000℃之间。
进一步地，所述气化脱炭室内的流化介质为水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置主要具有以下有益效果：
1.通入所述气化脱炭室的气化气对所述未转化炭进行气化以生成气化气，所述气化气自所述第一开口进入所述燃料反应器或者被所述氧载体进行就地转化，以实现所述氧载体与所述未转化炭的分离，同时，经脱炭纯化后的所述氧载体自所述气化脱炭室的底部进入所述第一颗粒返料室；进入所述第一颗粒返料室的氧载体经所述溢流口进入所述返料斜管，由此完成颗粒输送，同时具备脱炭及返料的功能，提高了结构紧凑度及载体利用率，柔性控制能力高。
2.所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体自上而下移动并自所述第一颗粒输送室的底部进入所述气化脱炭室，所述气化介质在所述第一颗粒返料室内自下向上移动，未转化炭的气化产物也因此由下向上移动，由此与由上向下移动的所述氧载体形成逆流移动床形式，强化了气固接触，提高了传热传质效率，提高了颗粒停留时间。
3.所述第一颗粒输送室内的颗粒呈移动床输运形式，故可以克服所述燃料反应器及旋风分离器出口的压差，由此形成料封，实现了克服返料器与燃料反应器压差的作用。
4.通过调整所述第二隔板的高度来控制炭颗粒在所述气化脱炭室内的停留时间，以提高未燃尽炭颗粒和氧载体的分离效率。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置的结构示意图。
图2是本发明第二实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一颗粒输送室，2-第一气化脱炭室，3-第二气化脱炭室，4-第一颗粒返料室，5-燃料反应器，6-截止阀，7-背压阀，8-溢流口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明第一实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置同时具备脱炭器、返料器及流动密闭阀的功能，提高了装置的紧凑度及载体利用率，装置的柔性控制能力及性能均较高。
所述返料脱炭一体化装置包括返料脱炭机构、截止阀6及背压阀7。燃料反应器5的出口连接于所述返料脱炭机构的入口，同时所述返料脱炭机构的一个出口依次通过所述截止阀6及所述背压阀7连接于所述燃料反应器5的入口，由此，所述燃料反应器5内产生的燃烧产物进入所述返料脱炭机构，且经所述返料脱炭机构处理后得到的还原性气氛依次通过所述截止阀6及所述背压阀7进入所述燃料反应器5。
所述返料脱炭机构形成有第一颗粒输送室1、第一气化脱炭室2、第二气化脱炭室3及第一颗粒返料室4，且所述第一颗粒输送室1、所述第一气化脱炭室2、所述第二气化脱炭室3及所述第一颗粒返料室4依次相连通。本实施方式中，所述第一颗粒输送室1与所述第一气化脱炭室2之间设置有第一隔板，所述第一气化脱炭室2与所述第二气化脱炭室3之间设置有第二隔板，所述第二气化脱炭室3与所述第一颗粒返料室4之间设置有第三隔板，其中所述第二隔板活动地设置于所述第一气化脱炭室2与所述第二气化脱炭室3之间。
所述第一颗粒输送室1的上端形成有连接口，所述连接口连接于所述燃料反应器5，使得所述燃料反应器5与所述返料脱炭机构相连通。本实施方式中，所述连接口通过立管连接于所述燃料反应器5。所述第一隔板底部开设有第一水平通孔，所述第一水平通孔与所述第一颗粒输送室1及所述第一气化脱炭室2相连通。自所述燃料反应器5出来的未完全转化的固体燃料与氧载体通过所述立管进入所述第一颗粒输送室，所述第一颗粒输送室1内的物料颗粒和夹带的未燃尽炭颗粒(或者其他固态燃烧产物)自上向下移动，并经过所述第一水平通孔进入所述第一气化脱炭室2。
本实施方式中，所述第一颗粒输送室1为移动床输送结构，其采用水蒸气、二氧化碳或者两者的混合气体作为松动风介质，并同时作为未转化固体燃料的气化介质。在所述第一颗粒输送室1内，所述气化介质自下向上移动，未转化炭的气化产物也因此由下向上移动，由此与由上向下移动的所述氧载体形成逆流移动床形式，强化了气固接触，提高了传热传质效率，提高了颗粒停留时间。此外，由于所述第一颗粒输送室1内的颗粒呈堆积状态，故可以克服所述燃料反应器5及旋风分离器出口的压差，由此形成料封，实现了承担返料器克服压差的作用。
本实施方式中，当颗粒通过所述第一水平通孔时，根据氧载体及未转化颗粒不同的物性参数来设计流过所述第一水平通孔的气速及氧载体处于鼓泡流化床的气速操作区间，而转化颗粒处于湍流流化床操作区间，使得密度小和颗粒粒径小的未转化炭经由所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3顶部的第一开口进入所述燃料反应器5而再次进行转化，提高了固体燃料的转化率。此过程中，未完全转化炭同时经历了气化过程和颗粒输送过程。本实施方式中，所述第一开口与所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3均相连通。
所述第一气化脱炭室2与所述第二气化脱炭室3之间形成有第二水平通孔，所述第二水平通孔的大小可以通过调整所述第二隔板的高度来进行调节，所述第二隔板的上端为所述第二水平通孔的孔壁。
本实施方式中，所述第一气化脱炭室2可以为鼓泡流化床或者湍动流化床，可以采用水蒸气、二氧化碳或者两者的混合气作为流化介质，所述第一气化脱炭室2内的工作温度为常温～1000℃，工作压力为常压。
所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3之间的所述第二隔板可以根据未燃尽炭的气化特性和物性参数来进行调整，从而控制炭颗粒在所述第一气化脱炭室2内的停留时间，以提高未燃尽炭颗粒和氧载体的分离效率。本实施方式中，所述第二隔板可以设计为上端颗粒流通、下端颗粒流通，或者上下端颗粒都可以流通，同时匹配整体双循环流化床的固体循环流量范围。
所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3用于对夹带有未转化炭的氧载体进行炭和氧载体的分离。通过操作气速可以使未转化炭及氧载体处于不同的床层高度，进而进行物理分离；通过水蒸气和二氧化碳对附着在氧载体颗粒表面或者空隙内部的未转化炭进行气化，生成的气化气(还原性气)通过所述第一开口进入所述燃料反应器5或者被所述氧载体进行就地转化，使得所述氧载体与未转化炭进行化学分离。此外，经所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3脱炭纯化后的氧载体通过所述第二气化脱炭室3及所述第一颗粒返料室4之间的第三水平通孔进入所述第一颗粒返料室4。本实施方式中，所述第三水平通孔形成于所述第三隔板的底部。
本实施方式中，所述第一气化脱炭室2及所述第二气化脱炭室3之间的所述第二隔板的高度和位置可以根据氧载体颗粒及未转化炭的不同床层高度，并结合未转化炭的完全气化所需的停留时间来进行调整。
所述截止阀6及所述背压阀7相串联，所述截止阀6连接于所述第一开口，所述背压阀7通过所述竖管连接于所述燃料反应器5。所述截止阀5用于控制还原性气体返回所述燃料反应器5的开启或者关闭。本实施方式中，所述第一开口为背压口。所述背压阀7用于控制所述返料脱炭机构内部的压力，以使所述返料脱炭机构内部的压力与整个所述返料脱炭一体化装置的压力相匹配。
所述第一颗粒返料室4为鼓泡流化床结构，其用于将脱炭纯化后的氧载体进行输送，以完成颗粒输运过程。所述第一颗粒返料室4的一侧设置有溢流口8，所述溢流口8与返料斜管相连通，经脱炭纯化后的氧载体经由所述溢流口8进入所述返料斜管，由此完成颗粒输运。
在所述返料脱炭一体化装置内，氧载体及未转化的炭颗粒同时完成了颗粒输运及脱炭过程，并且所述返料脱炭一体化装置同时还克服了不同反应器间的压差，起到了建立整个所述返料脱炭一体化装置压力平衡的作用，提高了系统集成程度，降低了操作难度，优化了操作方式，提高了固体燃料转化效率及能源利用效率，柔性控制度较高，快速启动稳定性较好。
在其他实施方式中，若所述返料脱炭一体化装置不能克服其两端压差，则可以单独增加所述第一颗粒输送室1的高度或者配合联通的立管使用，以提高料封能力。
请参阅图2，本发明第二实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置与本发明第一实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置基本相同，不同点在于气化脱炭室的数量，本发明第二实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置的气化脱炭室的数量为三个。可以理解，在其他实施方式中，气化脱炭室的数量可以根据实际需要增加或者减少。本发明第二实施方式提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置适用于未转化炭为难以完全气化物质的转化。
本发明提供的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，所述返料脱炭一体化装置通入所述气化脱炭室的气化气对所述未转化炭进行气化以生成气化气，所述气化气自所述第一开口进入所述燃料反应器或者被所述氧载体进行就地转化，以实现所述氧载体与所述未转化炭的分离，同时，经脱炭纯化后的所述氧载体自所述气化脱炭室的底部进入所述第一颗粒返料室；进入所述第一颗粒返料室的氧载体经所述溢流口进入所述返料斜管，由此完成颗粒输送，同时具备脱炭及返料的功能，提高了结构紧凑度及载体利用率，柔性控制能力及性能较好。此外，所述燃烧产物携带的未燃尽炭及氧载体自上而下移动并自所述第一颗粒输送室的底部进入所述气化脱炭室，所述气化介质在所述第一颗粒返料室内自下向上移动，未转化炭的气化产物也因此由下向上移动，由此与由上向下移动的所述氧载体形成逆流移动床形式，强化了气固接触，提高了传热传质效率，提高了颗粒停留时间。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：
所述返料脱炭一体化装置包括返料脱炭机构，所述返料脱炭机构包括依次相连通的第一颗粒输送室(1)、至少两个气化脱炭室及第一颗粒返料室(4)，所述第一颗粒输送室(1)的顶部形成有入口，所述入口用于连接燃料反应器(5)的出口；所述返料脱炭机构位于所述气化脱炭室的位置形成有第一开口，所述第一开口与所述返料脱炭室相连通；所述第一颗粒返料室(4)形成有溢流口(8)，所述溢流口(8)与返料斜管相连通；
所述燃料反应器(5)的燃烧产物经所述第一颗粒输送室(1)的入口进入所述第一颗粒输送室(1)，所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体在所述第一颗粒输送室(1)内自上而下移动并自所述第一颗粒输送室(1)的底部进入所述气化脱炭室；通入所述气化脱炭室的气化气用于对所述未转化炭进行气化以生成气化气，所述气化气自所述第一开口进入所述燃料反应器(5)或者被所述氧载体进行就地转化，以实现所述氧载体与所述未转化炭的分离，同时，经脱炭纯化后的所述氧载体自所述气化脱炭室的底部进入所述第一颗粒返料室(4)；进入所述第一颗粒返料室(4)的氧载体经所述溢流口(8)进入所述返料斜管，由此完成颗粒输送。
2.如权利要求1所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述第一颗粒返料室(4)采用水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种作为松动介质及气化介质，所述气化介质在所述第一颗粒返料室(4)内自下向上移动。
3.如权利要求1所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述第一颗粒输送室(1)内的颗粒呈移动床状态，以形成料封。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述返料脱炭一体化装置还包括相串联的截止阀(6)及背压阀(7)，所述截止阀(6)连接于所述第一开口，所述背压阀(7)连接于所述燃料反应器(5)的入口。
5.如权利要求1-3任一项所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：至少两个所述气化脱炭室的数量两个，两个所述气化脱炭室通过第二水平通孔相连通，且两个所述气化脱炭室之间设置有活动的第二隔板，所述第二隔板的顶端为所述第二水平通孔的孔壁。
6.如权利要求5所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述第二隔板通过上下移动来调节所述第二水平通孔的大小。
7.如权利要求1-3任一项所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述第一颗粒输送室(1)为移动床结构；所述气化脱炭室为鼓泡流化床结构或者湍动流化床结构；所述第一颗粒返料室(4)为鼓泡流化床结构。
8.如权利要求1-3任一项所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述气化脱炭室内的气化介质也承担流化介质作用，通过控制流化介质的速度使所述未转化炭与所述氧载体处于不同的床层高度，以实现所述未转化炭与所述氧载体的物理分离。
9.如权利要求1-3任一项所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述气化脱炭室内的工作温度位于常温与1000℃之间。
10.如权利要求9所述的基于循环流化床的返料脱炭一体化装置，其特征在于：所述气化脱炭室内的流化介质为水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种。
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