CN108730964B - 一种多种固体燃料化学链燃烧装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种多种固体燃料化学链燃烧装置，包括空气反应器、旋风分离器、燃料反应器、热解气化反应器及返料器，空气反应器通过提升管与第一旋风分离器连接，第一旋风分离器通过第一返料器与第一燃料反应器连接，第一燃料反应器的上端与第二旋风分离器连接，下端通过第一立管与第二返料器连接，第二返料器与第二燃料反应器连接，热解气化反应器分别与第一燃料反应器及第二燃料反应器首尾连接，空气反应器通过第四返料器与第二燃料反应器连接。本发明固体燃料热解气化反应与载氧体还原反应分开进行，使得两者反应互不影响，确保多种不同固体燃料可以在热解气化反应器内有足够多的停留时间进行气化，使得固体燃料气化更完全，提高了反应效率。

Description

一种多种固体燃料化学链燃烧装置及方法

技术领域

本发明涉及一种固体燃料热解气化与载氧体还原分级反应的装置及方法，属化学链燃烧系统技术领域。

背景技术

化学链燃烧（CLC）技术是一种新型、高效的CO₂捕集技术，其原理是：燃料与氧分别在两个不同的反应器内（燃料在燃料反应器内，氧在空气反应器内），通过载氧体相连接，载氧体在燃料反应器与燃料进行还原反应，失去氧，被还原的载氧体在空气反应器内与氧进行氧化反应，得到氧，整个过程中载氧体不断循环再生。

这种满足要求的CLC反应器，需具备以下几点：(1)两个反应器互不干扰；(2)可实现高效生成CO₂和高效燃烧的功能；(3)燃料与载氧体间尽量减少相互影响；（4）载氧体能够畅通的在两个反应器间流动。因此串行流化床或者双循环流化床是可行的CLC反应器，已被较多学者应用并验证。

对于固体燃料化学链燃烧，常见化学链燃烧过程为：燃料反应器内固体燃料与载氧体混合，首先固体燃料热解和气化生成气体燃料，载氧体再与气体燃料发生还原反应，被还原的载氧体再送至空气反应器中发生氧化反应得到氧。由于固体燃料热解气化过程较慢，在整个化学链燃烧中属于速率控制环节，因此较短的反应时间会有部分固体燃料直接被气流携带离开燃料反应器，导致固体燃料化学链燃烧效率降低。虽然碳分离装置延长了固体燃料在燃料反应器中的停留时间，但这种分离装置是利用载氧体与固体燃料的分层实现的，需要较大气量，存在气源以及转化率不稳定的问题。一些学者也提出了固体燃料热解气化过程与载氧体还原反应分开进行，但其需要独立热源以及需要更多不必要的能量以去除飞灰和将生成的气体燃料送入燃料反应器内。

此外，对于多种固体燃料化学链燃烧，采用常规化学链燃烧方式较难避免多种固体燃料最小流化风速不同而引起的燃料分层严重的现象，且固体燃料在燃料反应器中停留时间差异较大，较难满足固体燃料完全热解气化的要求，以及多种固体燃料与载氧体相互影响的问题。因此常规CLC反应器对于多种固体燃料化学链燃烧并不适用。

因此，以何种方式实现多种固体燃料化学链燃烧，并如何减少燃料未燃尽的情况是多种固体燃料化学链燃烧的关键，由此研发的技术使固体燃料化学链燃烧具有更广阔的适应性，在固体燃料掺烧化学链燃烧中有着广泛的社会效益和工业应用前景。

发明内容

本发明针对现有技术问题，提供一种多种固体燃料化学链燃烧装置及方法，它采用多种固体燃料热解气化反应与载氧体还原反应分离的方式，解决了多种固体燃料分层现象导致的反应不完全，以及不同固体燃料与载氧体之间相互作用的影响，利用部分载氧体作为热源加热固体燃料，达到与混合物料相同的加热目的，减少额外的热解气化反应需热。

本发明所述的技术问题是以如下技术方案解决的：

一种多种固体燃料化学链燃烧装置，包括空气反应器、旋风分离器、燃料反应器、热解气化反应器及返料器，所述旋风分离器包括第一旋风分离器、第二旋风分离器和第三旋风分离器，将飞灰颗粒与载氧体分离；所述燃料反应器包括第一燃料反应器和第二燃料反应器；所述返料器包括第一返料器、第二返料器和第四返料器；所述空气反应器通过提升管与所述第一旋风分离器入料端连接，被还原的载氧体在所述空气反应器内被空气中的O₂氧化，所述第一旋风分离器下出料端与所述第一返料器的入料端连接，所述第一返料器的出料端与所述第一燃料反应器连接，被氧化的载氧体通过所述第一返料器进入所述第一燃料反应器与气化的燃料进行还原反应，所述第一燃料反应器的上端与所述第二旋风分离器入料端连接，下端通过支管与第一立管连接，所述第二返料器的入料端与所述第一立管连接，出料端与所述第二燃料反应器连接，被还原的载氧体通过所述第二返料器进入所述第二燃料反应器，所述第二旋风分离器通过第一立管与所述第二返料器连接，所述热解气化反应器分别与所述第一燃料反应器及第二燃料反应器首尾连接，固体燃料在所述热解气化反应器内被流化并气化，所述空气反应器与所述第二燃料反应通过第四返料器连接。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述旋风分离器还包括第三旋风分离器，所述返料器还包括第三返料器，所述第三旋风分离器的入料端与所述第一燃料反应器连接，下出料端通过第二立管与所述第三返料器的入料端连接，所述第三返料器的出料端与所述第二燃料反应器连接，所述第一燃料反应器的下端通过支管与所述第二立管连接。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述空气反应器为鼓泡流化床，其底部设置有第一布风板。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述热解气化反应器与所述第二燃料反应器连接处设置有第二布风板，所述热解气化反应器弯管处设置有均流板。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述第一燃料反应器与第二燃料反应器底部分别设置有第三布风板和第四布风板。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述热解气化反应器与所述第二燃料反应器连接处的上方左侧设置有固体燃料进料口。

上述多种固体燃料化学链燃烧装置，所述热解气化反应器夹持在所述第一燃料反应器和第二燃料反应器之间，呈多段折叠状，所述热解气化反应器的器壁与所述第一燃料反应器及第二燃料反应器的器壁相贴合。

一种多种固体燃料化学链燃烧的方法，包括如下步骤：

a、固体燃料由固体燃料进料口进入热解气化反应器内，被从第二燃料反应器进入的热流化风流化加热，固体燃料热解气化产生飞灰颗粒和气体燃料，所述第二布风板将载氧体隔绝并使上升流化风均匀分布，防止载氧体进入所述热解气化反应器内；

b、飞灰颗粒和气体燃料随流化风进入所述第一燃料反应器内，在第三布风板的作用下均匀分布，气体燃料与被氧化的载氧体进行还原反应，产生CO₂气体，大部分被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过所述第二返料器和第三返料器进入所述第二燃料反应器内；少部分被还原的载氧体、大部分飞灰颗粒和CO₂气体进入所述第二旋风分离器和第三旋风分离器内进行旋风分离，大部分飞灰颗粒与CO₂气体通过所述第二旋风分离器和第三旋风分离器的上出料口排出，分离出的被还原的载氧体通过第一立管和第二立管分别进入所述第二返料器和第三返料器内，最终进入所述第二燃料反应器内部；

c、所述第二燃料反应器内被还原的载氧体作为加热从第四布风板进入的流化风的热源，被加热的流化风通过第二布风板上升进入所述热解气化反应器内，作为固体燃料热解气化的热源，被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过第四返料器进入所述空气反应器内；

d、在所述空气反应器内，被还原的载氧体与通过第一布风板进入的流化空气进行氧化反应，得到氧，通过所述提升管进入所述第一旋风分离器内，少部分飞灰颗粒、流化空气与载氧体进行分离，飞灰颗粒和流化空气由所述第一旋风分离器的上出料口排出，被氧化的载氧体通过所述第一返料器进入所述第一燃料反应器内与所述步骤a产生的气体燃料进行还原反应，进行循环反应。

上述多种固体燃料化学链燃烧的方法，所述步骤a中，在所述热解气化反应器内的第二布风板上添加大颗粒状的催化剂物料。

上述多种固体燃料化学链燃烧的方法，在所述第一返料器、第二返料器、第三返料器、第四返料器和热解气化反应器内均通入N₂；在所述第二燃料反应器内通入CO₂和N₂。

本发明利用第二燃料反应器内被还原的载氧体作为热源以流化风为媒介加热固体燃料，减少额外的热解气化需热；热流化风经过第二布风板均流流化固体燃料，气化后的飞灰颗粒与气体燃料被流化风带入第一燃料反应器内，气化的燃料与氧化态的载氧体进行还原反应，两个燃料反应器通过返料器相连通，实现了载氧体的循环流通；固体燃料热解气化反应与载氧体还原反应分开进行，使得两者反应互不影响，热解气化反应器设置为多段折叠状，确保多种不同固体燃料可以在热解气化反应器内有足够多的停留时间进行气化，使得固体燃料气化更完全，提高了反应效率；热解气化反应器的器壁与第一燃料反应器及第二燃料反应器的器壁相贴合，减少反应过程中的热损失，节约热能；此外，多种不同固体燃料在燃料气化反应器内因为流化风速的不同会出现分层现象，但是因为热解气化反应与载氧体还原反应分开进行，所以分层现象并不会影响热解气化反应和载氧体还原反应；反应过程中，在热解气化反应器内加入催化剂，可加速固体燃料的热解气化；向四个返料器内分别通入N₂，可以防止返料器弯管处堵塞。

附图说明

图1为本发明化学链燃烧装置结构示意图；

图2为第一燃料反应器与第二燃料反应器连接结构示意图。

图中：1、空气反应器；2-1、第一旋风分离器；2-2、第二旋风分离器；2-3、第三旋风分离器；3-1、第一燃料反应器；3-2、第二燃料反应器；4、热解气化反应器；4-1、均流板；5-1、第一返料器；5-2、第二返料器；5-3、第三返料器；5-4、第四返料器；6、提升管；7、第一立管；8、第二立管；9、固体燃料进料口；10-1、第一布风板；10-2、第二布风板；10-3、第三布风板；10-4、第四布风板。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明：

参看图1、图2，多种固体燃料化学链燃烧装置包括空气反应器1、旋风分离器、燃料反应器、热解气化反应器4及返料器，旋风分离器包括第一旋风分离器2-1、第二旋风分离器2-2和第三旋风分离器2-3，燃料反应器包括第一燃料反应器3-1和第二燃料反应器3-2，返料器包括第一返料器5-1、第二返料器5-2、第三返料器5-3和第四返料器5-4，空气反应器1通过提升管6与第一旋风分离器2-1入料端连接，被还原的载氧体在所述空气反应器1内被空气中的O₂氧化，第一旋风分离器2-1下出料端与第一返料器5-1的入料端连接，第一返料器5-1的出料端与第一燃料反应器3-1连接，被氧化的载氧体与气体燃料在所述第一燃料反应器3-1内进行还原反应，第一燃料反应器3-1的上端分别与第二旋风分离器2-2和第三旋风分离器2-3的入料端连接，下端分别通过支管与第一立管7和第二立管8连接，第二返料器5-2的入料端与第一立管7连接，出料端与第二燃料反应器3-2连接，第三返料器5-3的入料端与第二立管8连接，出料端与第二燃料反应器3-2连接，第二旋风分离器2-2通过第一立管7与所述第二返料器5-2连接，第三旋风分离器2-3通过第二立管7与第二返料器5-2连接，热解气化反应器4分别与第一燃料反应器3-1及第二燃料反应器3-2首尾连接，热解气化反应器4夹在第一燃料反应器3-1和第二燃料反应器3-2之间，且器壁相贴合，使得热解气化反应器4的壁面温度较高，起到加热及保温的作用，热解气化反应器4呈多段折叠状，使得固体燃料在热解气化反应器4内加热气化时间更长，气化更完全；空气反应器1与所述第二燃料反应3-2通过第四返料器5-4连接，整个燃烧装置形成循环反应回路。热解气化反应器4弯管处设置有均流板4-1，保证热解气化反应器内的颗粒浓度、流化风及压力均匀分布。

多种固体燃料化学链燃烧的方法包括如下步骤：

固体燃料由热解气化反应器4上的固体燃料进料口9进入热解气化反应器4内，被从第二燃料反应器3-2进入的热流化风流化加热，固体燃料在第二布风板的作用下处于湍动流化或者气力输送的流化状态，被流化风加热充分热解气化产生飞灰颗粒和气体燃料；第二布风板10-2将载氧体隔绝并使上升流化风均匀分布，防止载氧体进入热解气化反应器4内，确保固体燃料热解气化反应与载氧体还原反应分开进行；第二布风板上添加大颗粒状的催化剂物质，由于颗粒较大，并处于鼓泡流化状态，加速了固体燃料气化，缩短了反应时间且气化更完全。

飞灰颗粒和气体燃料通过第三布风板10-3进入第一燃料反应器3-1内，气体燃料与处于鼓泡流化状态的被氧化的载氧体进行还原反应，生成CO₂气体，飞灰颗粒介于湍动流化和气力输送状态，与载氧体在第一燃料反应器3-1内形成分层现象，大部分被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过第二返料器5-2和第三返料器5-3进入第二燃料反应器3-2内；少部分被还原的载氧体和大部分飞灰颗粒、CO₂气体进入第二旋风分离器2-2和第三旋风分离器2-3内进行旋风分离，大部分飞灰颗粒和CO₂气体通过排出口排出，分离出的被还原的载氧体通过第一立管7和第二立管8分别进入第二返料器5-2和第三返料器5-3内，最终进入第二燃料反应器3-2内部；

第二燃料反应器3-2内被还原的载氧体将从第四布风板10-4进入的流化风加热，热流化风通过第二布风板10-2上升进入热解气化反应器内，作为固体燃料热解气化流化风热源，被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过第四返料器5-4进入空气反应器1内；

在空气反应器1内，被还原的载氧体与通过第一布风板10-1进入的流化空气进行氧化反应，得到氧，通过提升管6进入第一旋风分离器2-1内，部分未被氧化的载氧体在提升管6中继续与O₂反应，少部分飞灰颗粒、空气与被氧化的载氧体在第一旋风分离器2-1内进行分离，飞灰颗粒和空气由排出口排出，被氧化的载氧体通过第一返料器5-1进入所述第一燃料反应器3-1内与气化的固体燃料进行还原反应，进行循环反应。反应过程中，在第一返料器、第二返料器、第三返料器、第四返料器和热解气化反应器内均通入N₂，避免物料发生堵塞情况；在所述第二燃料反应器内通入CO₂和N₂，防止载氧体烧结。固体燃料热解气化反应与载氧体还原反应在不同的反应器内分开反应，两者互不影响，保证了固体燃料有足够多的时间进行气化反应，提高了反应效率。

Claims (8)

1.一种多种固体燃料化学链燃烧装置，其特征在于，包括空气反应器（1）、旋风分离器、燃料反应器、热解气化反应器（4）及返料器，所述旋风分离器包括第一旋风分离器（2-1）、第二旋风分离器（2-2）和第三旋风分离器（2-3），将飞灰颗粒与载氧体分离；所述燃料反应器包括第一燃料反应器（3-1）和第二燃料反应器（3-2）；所述返料器包括第一返料器（5-1）、第二返料器（5-2）和第四返料器（5-4）；所述空气反应器（1）通过提升管（6）与所述第一旋风分离器（2-1）入料端连接，被还原的载氧体在所述空气反应器（1）内被空气中的O₂氧化，所述第一旋风分离器（2-1）下出料端与所述第一返料器（5-1）的入料端连接，所述第一返料器（5-1）的出料端与所述第一燃料反应器（3-1）连接，被氧化的载氧体通过所述第一返料器（5-1）进入所述第一燃料反应器（3-1）与气化的燃料进行还原反应，所述第一燃料反应器（3-1）的上端与所述第二旋风分离器（2-2）入料端连接，下端通过支管与第一立管（7）连接，所述第二返料器（5-2）的入料端与所述第一立管（7）连接，出料端与所述第二燃料反应器（3-2）连接，被还原的载氧体通过所述第二返料器（5-2）进入所述第二燃料反应器（3-2），所述第二旋风分离器（2-2）通过第一立管（7）与所述第二返料器（5-2）连接，所述热解气化反应器（4）分别与所述第一燃料反应器（3-1）及第二燃料反应器（3-2）首尾连接，固体燃料在所述热解气化反应器（4）内被热的流化风流化并气化，所述空气反应器（1）与所述第二燃料反应（3-2）通过第四返料器（5-4）连接，所述热解气化反应器（4）与所述第二燃料反应器（3-2）连接处的上方左侧设置有固体燃料进料口（9）；

所述旋风分离器还包括第三旋风分离器（2-3），所述返料器还包括第三返料器（5-3），所述第三旋风分离器（2-3）的入料端与所述第一燃料反应器（3-1）连接，下出料端通过第二立管（8）与所述第三返料器（5-3）的入料端连接，所述第三返料器（5-3）的出料端与所述第二燃料反应器（3-2）连接，所述第一燃料反应器（3-1）的下端通过支管与所述第二立管（8）连接。

2.根据权利要求1所述的多种固体燃料化学链燃烧装置，其特征在于：所述空气反应器（1）为鼓泡流化床，其底部设置有第一布风板（10-1）。

3.根据权利要求2所述的多种固体燃料化学链燃烧装置，其特征在于：所述热解气化反应器（4）与所述第二燃料反应器（3-2）连接处设置有第二布风板（10-2），所述热解气化反应器（4）弯管处设置有均流板（4-1）。

4.根据权利要求3所述的多种固体燃料化学链燃烧装置，其特征在于：所述第一燃料反应器（3-1）与第二燃料反应器（3-2）底部分别设置有第三布风板（10-3）和第四布风板（10-4）。

5.根据权利要求4所述的多种固体燃料化学链燃烧装置，其特征在于：所述热解气化反应器（4）夹持在所述第一燃料反应器（3-1）和第二燃料反应器（3-2）之间，呈多段折叠状，所述热解气化反应器（4）的器壁与所述第一燃料反应器（3-1）及第二燃料反应器（3-2）的器壁相贴合。

6.一种如权利要求5所述的多种固体燃料化学链燃烧的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、固体燃料由固体燃料进料口（9）进入热解气化反应器（4）内，被从第二燃料反应器（3-2）进入的热流化风流化加热，固体燃料热解气化产生飞灰颗粒和气体燃料，所述第二布风板（10-2）将载氧体隔绝并使上升流化风均匀分布，防止载氧体进入所述热解气化反应器（4）内；

b、飞灰颗粒和气体燃料随流化风进入所述第一燃料反应器（3-1）内，在第三布风板（10-3）的作用下均匀分布，气体燃料与被氧化的载氧体进行还原反应，产生CO₂气体，大部分被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过所述第二返料器（5-2）和第三返料器（5-3）进入所述第二燃料反应器（3-2）内；少部分被还原的载氧体、大部分飞灰颗粒和CO₂气体进入所述第二旋风分离器（2-2）和第三旋风分离器（2-3）内进行旋风分离，大部分飞灰颗粒与CO₂气体通过所述第二旋风分离器（2-2）和第三旋风分离器（2-3）的上出料口排出，分离出的被还原的载氧体通过第一立管（7）和第二立管（8）分别进入所述第二返料器（5-2）和第三返料器（5-3）内，最终进入所述第二燃料反应器（3-2）内部；

c、所述第二燃料反应器（3-2）内被还原的载氧体作为加热从第四布风板（10-4）进入的流化风的热源，被加热的流化风通过第二布风板（10-2）上升进入所述热解气化反应器（4）内，作为固体燃料热解气化的热源，被还原的载氧体和少部分飞灰颗粒通过第四返料器（5-4）进入所述空气反应器（1）内；

d、在所述空气反应器（1）内，被还原的载氧体与通过第一布风板（10-1）进入的流化空气进行氧化反应，得到氧，通过所述提升管（6）进入所述第一旋风分离器（2-1）内，少部分飞灰颗粒、空气与载氧体进行分离，飞灰颗粒和空气由所述第一旋风分离器（2-1）的上出料口排出，被氧化的载氧体通过所述第一返料器（5-1）进入所述第一燃料反应器（3-1）内与所述步骤a产生的气体燃料进行还原反应，进行循环反应。

7.根据权利要求6所述的多种固体燃料化学链燃烧的方法，其特征在于，所述步骤a中，在所述热解气化反应器（4）内的第二布风板上添加大颗粒状的催化剂物料。

8.根据权利要求7所述的多种固体燃料化学链燃烧的方法，其特征在于，在所述第一返料器（5-1）、第二返料器（5-2）、第三返料器（5-3）、第四返料器（5-4）和热解气化反应器（4）内均通入N₂；在所述第二燃料反应器（3-2）内通入CO₂和N₂。

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