CN108548175B - 耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置 - Google Patents

耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于清洁能源及能源高效利用相关技术领域，其公开了一种耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，该互联通流化床柔性回料装置包括空气反应器、流动密封阀、燃料反应器及多向回料机构；该多向回料机构形成有依次相连通的第一回料阀反应室、至少一个脱炭器反应室及第二回料阀反应室；该空气反应器的入口与该第二回料阀反应室相连通，其出口与该流动密闭阀相连通；该流动密封阀连接于该燃料反应器的入口；该燃料反应器的出口连接于该第一回料阀反应室顶部的入口，该第一回料阀反应室侧部形成有与该燃料反应器的入口相连接的第一返料出口。本发明结构简单，减少了操作难度，提高设备运行效率，提高了可调控性及灵活性。

Description

耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置
技术领域
本发明属于清洁能源及能源高效利用相关技术领域，更具体地，涉及一种耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置。
背景技术
现阶段，在某些新型材料制备生产领域，如低含氧硅晶体制备、氧化还原法制备石墨烯、化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法制备无机材料等过程中往往需要通入还原性气体(如CO、H2、CH4等)作为反应气。为了保证材料的纯度，反应气体往往是稍微过量的，因此制备过程产生的尾气中不可避免的含有低浓度可燃性气体(可能还含有H2O、CO2，但不含O2)，这就需要进一步进行处理。
目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如采用化学链燃烧技术进行废气处理。其中，化学链燃烧具有有序氧化，反应程度可控，温度场均一的特点，因此不仅是二氧化碳节能减排的最优前景的技术之一，也是高效协同脱除污染物的革命性技术。化学链燃烧主要由空气反应器和燃料反应器组成，针对难以完全气化固体燃料的化学链燃烧，在燃料反应器出口处逃逸的未转化物质(如未燃尽炭)通过串联的脱炭器和次级流动密封阀来进行未脱尽炭的再次分离，可见现有的化学链燃烧设备复杂，操作难度较高，不利于普及应用。相应地，本领域存在着发展一种结构简单的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其基于现有化学链燃烧系统的脱炭及气氛隔绝的工作特点，研究及设计了一种结构较简单的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置。所述互联通流化床柔性回料装置的所述流动密封阀连接于所述燃料反应器的入口，进入所述脱炭器反应室的气化气用于对未转化炭进行气化以生成气化产物，进而实现氧载体与未转化炭的分离，同时经脱炭纯化后的氧载体自所述脱炭器的底部进入所述第二回料阀反应室，进而进入所述空气反应器，耦合了脱炭，颗粒输运及气氛隔绝功能，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，简化了结构。此外，所述第一返料出口及所述第二返料出口通过闸阀的开启程度或者流量大小来控制氧载体的循环流量，柔性控制了所述燃料反应器内部的循环流量，匹配了整个装置的固体循环流量和热质传递效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，所述互联通流化床柔性回料装置包括空气反应器、流动密封阀、燃料反应器及耦合脱炭功能的多向回料机构；所述多向回料机构形成有依次相连通的第一回料阀反应室、至少一个脱炭器反应室及第二回料阀反应室；所述空气反应器的入口与所述第二回料阀反应室相连通，其出口与所述流动密闭阀相连通；所述流动密封阀连接于所述燃料反应器的入口；所述燃料反应器的出口连接于所述第一回料阀反应室顶部的入口，所述第一回料阀反应室侧部形成有与所述燃料反应器的入口相连接的第一返料出口；
所述燃料反应器的未转化炭及氧载体经所述第一回料阀反应室的入口进入所述第一回料阀反应室，所述的未转化炭及氧载体在所述第一回料阀反应室内自上而下移动，并分别进入所述脱炭器反应室及所述燃料反应器；进入所述脱炭器反应室的气化气用于对未转化炭进行气化以生成气化产物，进而实现氧载体与未转化炭的分离，同时经脱炭纯化后的氧载体自所述脱炭器的底部进入所述第二回料阀反应室，进而进入所述空气反应器。
进一步地，所述多向回料机构的顶部形成有第一接口，所述第一接口连接于所述燃料反应器的入口，所述脱炭器反应室与所述第一接口相连通；所述气化产物自所述第一接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。
进一步地，所述脱炭器反应室内活动地设置有第二隔板，所述第二隔板的顶部形成有与所述第一接口相连通的开口；所述第二隔板通过上下移动来调节所述开口的大小。
进一步地，所述互联通流化床柔性回料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接口，所述背压阀连接于所述燃料反应器的。
进一步地，所述脱炭器反应室内还通入有流化气，通过控制流化气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；所述脱炭器反应室(3)内还通入有气化剂，所述气化剂用于将未转化炭进行气化，以实现未转化炭和所述氧载体的化学分离。
进一步地，所述气化剂为水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种。
进一步地，所述第一回料阀反应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回料阀反应室内自下向上移动。
进一步地，所述多向回料机构相背的两侧还分别开设有所述第一返料出口及第二返料出口，所述第二返料出口与所述第二回料阀反应室相连通，所述第一返料出口与所述第一回料阀反应室相连通；所述空气反应器的入口连接于所述第二返料出口，所述燃料反应器连接于所述第一返料出口。
进一步地，所述脱炭器反应室为鼓泡流化床或者湍动流化床，且所述脱炭反应室的数量为一个或者多个。
进一步地，所述第一回料阀反应室与所述脱炭器反应室之间设置有第一隔板，所述第一隔板用于将所述第一回料阀反应室与所述脱炭器反应室相隔离；所述第一隔板的底端开设有第一水平通孔，所述第一水平通孔连通所述第一回料阀反应室及所述脱炭器反应室。
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，本发明提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置主要具有以下
有益效果：
1.所述流动密封阀连接于所述燃料反应器的入口，进入所述脱炭器反应室的气化气用于对未转化炭进行气化以生成气化产物，进而实现氧载体与未转化炭的分离，同时经脱炭纯化后的氧载体自所述脱炭器的底部进入所述第二回料阀反应室，进而进入所述空气反应器，耦合了脱炭及气氛隔绝功能，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，简化了结构。
2.所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体分别进入所述脱炭器反应室及所述燃料反应器，匹配了所述燃料反应器的内部循环流量及整体循环流量以形成内部循环，且提高了未燃尽炭的转化率，进而提高了炭的捕集效率及燃料利用率。
3.通过调整所述第二隔板的高度来控制炭颗粒在所述脱炭器反应室内的停留时间，以提高未燃尽炭颗粒与氧载体的分离效率。
4.所述多向回料机构相背的两侧还分别开设有所述第一返料出口及第二返料出口，所述第二返料出口与所述第二回料阀反应室相连通，所述第一返料出口与所述第一回料阀反应室相连通；所述空气反应器的入口连接于所述第二返料出口，所述燃料反应器连接于所述第一返料出口，所述第一返料出口及所述第二返料出口通过闸阀的开启程度来控制氧载体的循环流量，柔性控制了所述燃料反应器内部的循环流量，匹配了整个装置的固体循环流量和热质传递效率。
5.所述燃烧产物携带的未转化炭及氧载体在所述第一回料阀反应室内自上而下移动，所述气化介质在所述第一回料阀反应室内自下向上移动，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，且增加了运动路径。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置的结构示意图。
图2是本发明第二实施方式提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置的结构示意图。
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-第一返料出口，2-第一回料阀反应室，3-脱炭器反应室，4-第二回料阀反应室，5-第二返料出口，6-空气反应器，7-燃料反应器，8-流动密封阀，9-截止阀，10-背压阀。
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耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，所述互联通流化床柔性回料装置可以同时完成脱炭及柔性循环流化床固体循环流量的调控，并可减少设备复杂度、操作难度及设备用地，提高了设备运行效率、互联通循环流化床的自平衡能力和适用性。
所述互联通流化床柔性回料装置包括耦合脱炭功能的多向回料机构、空气反应器6、截止阀9、背压阀10、燃料反应器7及流动密封阀8。所述多向回料机构的顶部的第一接口依次通过所述截止阀9及所述背压阀10连接于所述燃料反应器7的入口，同时，所述多向回料机构的一个入口通过竖管连接于所述燃料反应器7的出口。所述空气反应器6的入口及出口分别连接于所述流动密封阀8及所述多向回料机构的一个出口，所述流动密封阀8的连接于所述燃料反应器7。
所述多向回料机构形成有第一回料阀反应室2、脱炭器反应室3及第二回料阀反应室4，所述脱炭器反应室3位于所述第一回料阀反应室2及所述第二回料阀反应室4之间，所述第一接口与所述脱炭器反应室3相连通，所述第一回料阀反应室2及所述第二回料阀反应室4分别与所述脱炭器反应室3相连通。
本实施方式中，所述多向回料机构相背的两侧还分别开设有第一返料出口1及第二返料出口5，所述第二返料出口5与所述第二回料阀反应室4相连通，所述第一返料出口1与所述第一回料阀反应室2相连通；所述空气反应器6的入口连接于所述第二返料出口5，所述燃料反应器7连接于所述第一返料出口1。所述第一返料出口1及所述第二返料出口5均通过闸阀的开启程度来控制通过自身的氧载体的循环流量。
所述第一回料阀反应室2与所述脱炭器反应室3之间设置有第一隔板，所述第一隔板用于将所述第一回料阀反应室2与所述脱炭器反应室3相隔离。所述第一隔板的底端开设有第一水平通孔，所述第一水平通孔连通所述第一回料阀反应室2及所述脱炭器反应室3。
所述第一回料阀反应室2处于移动床的操作气速区间，自所述燃料反应器7内进入所述第一回料阀反应室2的燃烧产物中的固体颗粒自上向下移动，所述第一回料阀反应室2采用水蒸气、二氧化碳或者两者的混合气作为燃烧产物中的未转化炭的气化介质及松动介质。所述气化介质自所述第一回料阀反应室2的底部通入所述第一回料阀反应室2，所述气化介质在所述第一反应室内自下向上运动，未转化炭的气化产物也由下向上移动，由此与燃烧产物中的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，且增加了运动路径。
本实施方式中，为了匹配所述燃料反应器7的内部循环流量及整体循环流量，所述第一回料阀反应室2内的部分氧载体通过所述第一返料出口1进入所述燃料反应器7内形成内循环，同时，部分氧载体夹带有未燃尽炭再次返回所述燃料反应器7，以提高未燃尽炭的转化率，进而提高炭的捕集效率及燃料利用率。其余氧载体及未转化炭通过所述第一水平通孔进入所述脱炭器反应室3，以进行氧载体及未燃尽炭的分离。
所述脱炭器反应室3内活动地设置有第二隔板，所述第二隔板顶端形成有开口，所述开口与所述第一接口相连通。通过调整所述第二隔板的高度来调整所述开口的大小，进而调整炭颗粒在所述脱炭器反应室3内的停留时间，以提高未燃尽炭颗粒和氧载体的分离效率，保证未燃尽炭的完全转化。
本实施方式中，所述脱炭器反应室3采用二氧化碳、水蒸气或者两者的混合气体作为气化剂，所述气化剂自所述脱炭器反应室3的底部进入所述脱炭器反应室3。通过所述气化剂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(C+H2O＝H2+CO或者C+CO2＝2CO)，生成的气化产物(还原性气)通过所述第一接口进入所述燃料反应器7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，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。本实施方式中，所述脱炭器反应室3为鼓泡流化床或者湍动流化床。
经所述脱炭器反应室3脱炭纯化后的氧载体进入所述第二回料阀反应室4。所述第二回料阀反应室4与所述脱炭器反应室3之间设置有第三隔板，所述第三隔板的底部开设有第三水平通孔，所述第三水平通孔连通所述脱炭器反应室3及所述第二回料阀反应室4，脱炭纯化后的氧载体经所述第三水平通孔进入所述第二回料阀反应室4，并经所述第二返料出口5进入所述空气反应器6进行氧化和载热。
所述截止阀9及所述背压阀10相串联，所述截止阀9连接于所述第一接口，所述背压阀10连接于所述燃料反应器7的入口。所述截止阀9用于控制还原性气返回所述燃料反应器7的开启及关闭。本实施方式中，所述第一接口为背压口；所述背压阀10用于控制所述多向回料机构内部的压力，以使所述多向回料机构内部的压力与所述互联通流化床柔性回料装置的压力相匹配。
请参阅图2，本发明第二实施方式提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床回料装置与本发明第一实施方式提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床回料装置基本相同，不同点在于本发明第二实施方式提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床回料装置的脱炭器反应室的数量为两个；可以理解，在其他实施方式中，所述脱炭器反应室的数量可以根据实际需要增加或者减少。
本发明提供的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，所述互联通流化床柔性回料装置的所述流动密封阀连接于所述燃料反应器的入口，进入所述脱炭器反应室的气化气用于对未转化炭进行气化以生成气化产物，进而实现氧载体与未转化炭的分离，同时经脱炭纯化后的氧载体自所述脱炭器的底部进入所述第二回料阀反应室，进而进入所述空气反应器，耦合了脱炭及气氛隔绝功能，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，简化了结构。此外，所述第一返料出口及所述第二返料出口通过闸阀的开启程度来控制氧载体的循环流量，柔性控制了所述燃料反应器内部的循环流量，匹配了整个装置的固体循环流量和热质传递效率。
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 (7)

1.一种耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：
所述互联通流化床柔性回料装置包括空气反应器（6）、流动密封阀（8）、燃料反应器（7）及耦合脱炭功能的多向回料机构；所述多向回料机构形成有依次相连通的第一回料阀反应室（2）、至少一个脱炭器反应室（3）及第二回料阀反应室（4）；所述空气反应器（6）的入口与所述第二回料阀反应室（4）相连通，其出口与所述流动密封阀（8）相连通；所述流动密封阀（8）连接于所述燃料反应器（7）的入口；所述燃料反应器（7）的出口连接于所述第一回料阀反应室（2）顶部的入口，所述第一回料阀反应室（2）侧部形成有与所述燃料反应器（7）的入口相连接的第一返料出口（1）；
所述燃料反应器（7）的未转化炭及氧载体经所述第一回料阀反应室（2）的入口进入所述第一回料阀反应室（2），所述的未转化炭及氧载体在所述第一回料阀反应室（2）内自上而下移动，并分别进入所述脱炭器反应室（3）及所述燃料反应器（7）；进入所述脱炭器反应室（3）的气化气用于对未转化炭进行气化以生成气化产物，进而实现氧载体与未转化炭的分离，同时经脱炭纯化后的氧载体自所述脱炭器的底部进入所述第二回料阀反应室（4），进而进入所述空气反应器（6）；
所述多向回料机构的顶部形成有第一接口，所述第一接口连接于所述燃料反应器（7）的入口，所述脱炭器反应室（3）与所述第一接口相连通；所述气化产物自所述第一接口进入所述燃料反应器（7）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；所述互联通流化床柔性回料装置还包括相串联的截止阀（9）及背压阀（10），所述截止阀（9）连接于所述第一接口，所述背压阀（10）连接于所述燃料反应器（7）；所述多向回料机构相背的两侧还分别开设有所述第一返料出口（1）及第二返料出口（5），所述第二返料出口（5）与所述第二回料阀反应室（4）相连通，所述第一返料出口（1）与所述第一回料阀反应室（2）相连通；所述空气反应器（6）的入口连接于所述第二返料出口（5），所述燃料反应器（7）连接于所述第一返料出口（1）。
2.如权利要求1所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述脱炭器反应室（3）内活动地设置有第二隔板，所述第二隔板的顶部形成有与所述第一接口相连通的开口；所述第二隔板通过上下移动来调节所述开口的大小。
3.如权利要求1-2任一项所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述脱炭器反应室（3）内通入有流化气，通过控制流化气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；所述脱炭器反应室（3）内还通入有气化剂，所述气化剂用于将未转化炭进行气化，以实现未转化炭和所述氧载体的化学分离。
4.如权利要求3所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述气化剂为水蒸气及二氧化碳中的一种或者两种。
5.如权利要求1-2任一项所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述第一回料阀反应室（2）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回料阀反应室（2）内自下向上移动。
6.如权利要求1-2任一项所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述脱炭器反应室（3）为鼓泡流化床或者湍动流化床，且所述脱炭器反应室的数量为一个或者两个。
7.如权利要求1-2任一项所述的耦合脱炭及气氛隔绝的互联通流化床柔性回料装置，其特征在于：所述第一回料阀反应室（2）与所述脱炭器反应室（3）之间设置有第一隔板，所述第一隔板用于将所述第一回料阀反应室与所述脱炭器反应室（3）相隔离；所述第一隔板的底端开设有第一水平通孔，所述第一水平通孔连通所述第一回料阀反应室及所述脱炭器反应室（3）。
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