CN108870368A - 一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，主要包括空压机、空气预热器、第一反应器、第二反应器、第一加热装置、第二加热装置、锅炉和做功装置，所述空压机的入口与空气供应管道连通，空压机的出口经空气预热器与第一四通阀的第一入口连通，第一四通阀的第一出口与第一反应器的入口连通，第一四通阀的第二出口与第二反应器的入口连通，第一反应器和第二反应器内均分别布置有载氧体。本发明还公开了一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧方法。本发明的有益效果为：利用空压机对进入反应器内的空气加压加热，反应器内的载氧体在高于其释氧温度的状态下发生吸氧反应，载氧体吸氧释放的热量被载氧体自身及惰性载体蓄积，载氧体和惰性载体蓄积的热量供给自身释氧。

Description

一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统及方法
技术领域
本发明涉及热力发电技术领域，具体涉及一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统及方法。
背景技术
富氧燃烧技术是应用O2与CO2的混合气替代空气作为燃料燃烧的氧化剂，从而提高烟气中CO2体积分数的一种新型燃烧技术。该项技术对于CO2的捕集可以起到很好的效果，但其最大的缺陷是需要消耗大量的纯氧供燃料燃烧。然而，现有空分制氧单元能耗很高，经济性差。为了使富氧燃烧技术得到广泛应用，有必要开发出一种能耗低且经济高效的富氧燃烧系统。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种能耗低、经济性高的基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，主要包括空压机、空气预热器、第一反应器、第二反应器、第一加热装置、第二加热装置、锅炉和做功装置，所述空压机的入口与空气供应管道连通，空压机的出口经空气预热器与第一四通阀的第一入口连通，第一四通阀的第一出口与第一反应器的入口连通，第一四通阀的第二出口与第二反应器的入口连通，第一反应器和第二反应器内均分别布置有载氧体；所述第一反应器的出口与第二四通阀的第一入口连通，第二反应器的出口与第二四通阀的第二出口连通，第二四通阀的第一出口与锅炉连通，第二四通阀的第二出口与空气预热器连通，第二四通阀的第二出口与气涡轮机连通；所述第一加热装置固定于第一反应器的外壁，第二加热装置固定于第二反应器的外壁；所述锅炉的低温烟气出口与除硫脱硝装置的入口连通，除硫脱硝装置的出口与分离器A的入口连通，分离器A的气体出口与第一四通阀的第二入口连通，分离器A的液体出口与压缩冷却分离组件的连通。
按上述方案，所述锅炉的高温烟气出口经第一烟气流量控制阀与第一加热装置的入口连通，第一加热装置固定于第一反应器的外壁，第一加热装置的出口与锅炉连通；所述锅炉的高温烟气出口经第二烟气流量控制阀与第二加热装置的入口连通，第二加热装置固定于第二反应器的外壁，第二加热装置的出口与锅炉连通。
按上述方案，所述锅炉的蒸汽出口与做功组件的入口连通，做功组件的出口与锅炉连通，所述做功组件的蒸汽出口与凝汽器的入口连通，凝汽器的出口与混合器的入口连通，混合器的出口与锅炉连通。
按上述方案，所述做功组件包括高压缸、中压缸、第一低压和第二低压缸，所述锅炉的蒸汽出口与高压缸的入口端相连，高压缸的出口分别通过管道与中压缸的入口及锅炉的蒸汽入口连通；所述锅炉与中压缸的入口连通，中压缸的出口分别与第一低压缸的入口和第二低压缸的入口连通，第一低压缸和第二低压缸的出口均分别与凝汽器的入口连通。
按上述方案，所述压缩冷却分离组件包括多个依次连通的压缩冷却分离单元，压缩冷却分离单元包括依次相连的压缩机、冷却器和分离器B。
本发明还公开了一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧方法，包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1所述富氧燃烧系统；
步骤二、将新鲜空气加压预热后进入第一反应器，与第一反应器内低价态的载氧体吸氧反应，反应后的欠氧空气进入空气预热器后排出；低价态的载氧体氧化完全后，停止向第一反应器内通入空气；
步骤三、将第一反应器泄压至大气压，打开CO2流量控制阀，同时向第一反应器内通入CO2；待欠氧空气排尽后，关闭泄压阀，第一反应器内高价态的载氧体发生释氧反应，释放出的氧气随惰性气体CO2进入锅炉燃烧；
步骤四、待第一反应器内的温度降至设定温度以下时，利用锅炉中的高温烟气加热第一反应器；待第一反应器内的载氧体反应完全后，关闭CO2流量控制阀；
步骤五、与第一反应器的制气原理相同，完成第二反应器的制气过程，第一反应器和第二反应器的制气过程交替操作，连续制得富氧气体；
步骤六、将第一反应器和第二反应器制得的O2/CO2混合气体送入进入锅炉内与煤燃烧，产生的高温高压蒸汽通过做功组件做功，输出的蒸汽经过凝汽器冷凝，并在混合器内与新鲜的水混合，泵入锅炉；
步骤七、锅炉内产生的高温烟气分别进入第一加热装置和第二加热装置供热后，回流至锅炉加热给水；锅炉产生的低温烟气除硫脱硝后分为两股物流，一股作为释氧反应用的惰性气体进入第一反应器和第二反应器，另外一股压缩冷却分离得到液态CO2。
按上述方案，在步骤二中，所述载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体中的一种；载氧体附着的惰性载体为镁氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、钛氧化物中的一种或其络合氧化物。
按上述方案，所述惰性载体与载氧体的体积比为5～31:1。
按上述方案，在步骤二中，第一反应器内的压力为5～50atm，第一反应器内的温度为600～1000℃。
按上述方案，在步骤三中，第一反应器内的压力小于1atm，第一反应器内的温度为500～950℃。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用空压机对进入反应器内的空气加压加热，反应器内的载氧体在高于其释氧温度的状态下发生吸氧反应，载氧体吸氧释放的热量被载氧体自身及惰性载体蓄积，当载氧体释氧时由于载氧体自身的温度已高于释氧温度，释氧反应自动发生，载氧体和惰性载体蓄积的热量供给自身释氧，这一过程显著降低了载氧体释氧所需的外部热能供应，减少了投资；
2、本发明采用两个反应器交替循环反应，可连续产生氧浓度为20～40％O2/CO2的混合气体，极大地提高了化学链空分制氧效率；
3、本发明中锅炉产生的高温烟气用于载氧体释氧所需的热能供应，不需要额外的燃料供应，显著降低了系统的制氧成本；
4、本发明中锅炉产生的低温烟气通过除硫脱硝后经过三级压缩冷却分离单元变为液态CO2，较佳实现了CO2的捕集；
5、本发明设计合理，投资和运行成本低，实用性强。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
其中：1-空压机，2-空气预热器，3-气涡轮机，4-第一反应器，5-第二反应器，6-第一加热装置，7-第二加热装置，8-第一四通阀，9-第二四通阀，10-第一烟气流量控制阀，11-第二烟气流量控制阀，12-减压阀，13-欠氧空气流量控制阀，14-高压空气流量控制阀，15-CO2流量控制阀，16-分离器A，17-除硫脱硝装置，18-混合气流量控制阀，19-锅炉，20-高压缸，21-中压缸，22-第一低压缸，23-第二低压缸，24-发电机，25-凝汽器，26-混合器，27-水泵，28-压缩机，29-冷却器，30-分离器B。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，主要包括空压机1、空气预热器2、第一反应器4、第二反应器5、第一加热装置6、第二加热装置7、锅炉19和做功装置，所述空压机1的入口与空气供应管道连通，空压机1的出口经空气预热器2和高压空气流量控制阀14与第一四通阀8的第一入口连通，第一四通阀8的第一出口与第一反应器4的入口连通，第一四通阀8的第二出口与第二反应器5的入口连通，第一反应器4和第二反应器5内均分别布置有载氧体；所述第一反应器4的出口与第二四通阀9的第一入口连通，第二反应器5的出口与第二四通阀9的第二出口连通，第二四通阀9的第一出口经混合气流量控制阀18与锅炉19连通，第二四通阀9的第二出口经减压阀12与空气预热器2连通，第二四通阀9的第二出口经欠氧空气流量控制阀13与气涡轮机3连通；所述锅炉19的高温烟气出口经第一烟气流量控制阀10与第一加热装置6的入口连通，第一加热装置6固定于第一反应器4的外壁，第一加热装置6的出口与锅炉19连通；所述锅炉19的高温烟气出口经第二烟气流量控制阀11与第二加热装置7的入口连通，第二加热装置7固定于第二反应器5的外壁，第二加热装置7的出口与锅炉19连通；所述锅炉19的蒸汽出口与做功组件的入口连通，做功组件的出口与锅炉19连通，所述做功组件的蒸汽出口与凝汽器26的入口连通，凝汽器26的出口与混合器26的入口连通，混合器26的出口经水泵27与锅炉19连通；所述锅炉19的低温烟气出口与除硫脱硝装置17的入口连通，除硫脱硝装置17的出口与分离器A16的入口连通，分离器A16的气体出口经CO2流量控制阀15与第一四通阀8的第二入口连通，分离器A16的液体出口与压缩冷却分离组件的连通。本实施例中，所述压缩冷却分离组件包括多个依次连通的压缩冷却分离单元，压缩冷却分离单元包括压缩机28、冷却器29和分离器B30。
本发明中，所述做功组件包括高压缸20、中压缸21、第一低压缸22和第二低压缸23，所述锅炉19的蒸汽出口与高压缸20的入口端相连，高压缸20的出口分别通过管道与中压缸21的入口及锅炉19的蒸汽入口连通；所述锅炉19与中压缸21的入口连通，中压缸21的出口分别与第一低压缸22的入口和第二低压缸23的入口连通，第一低压缸22和第二低压缸23的出口均分别与凝汽器25的入口连通。
本发明还提供了一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧方法，以下以钴基载氧体为例，对本发明所述方法进行具体描述。本发明所述富氧燃烧方法包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述富氧燃烧系统；
步骤二、新鲜空气经空压机1加压、空气预热器2预热后，通过第一四通阀8进入第一反应器4，与第一反应器4内低价态的载氧体进行吸氧反应(载氧体吸附空气中的氧气，其吸氧反应的压力为20atm，温度为955℃)，反应后的欠氧空气经第二四通阀9及欠氧空气流量控制阀13，进入气涡轮机3和空气预热器2后排出；低价态的载氧体氧化完全后，停止向第一反应器4内通入空气；本实施例中，所述载氧体为钴基载氧体，其附着的惰性载体为活性氧化铝小球，且惰性载体与载氧体的体积比为16:1；
步骤三、关闭欠氧空气流量控制阀13，打开泄压阀12泄压，待第一反应器4内压力降至1atm时，打开CO2流量控制阀15，同时通过第一四通阀8向第一反应器4内通入CO2；待欠氧空气排尽后，关闭泄压阀12，此时第一反应器4内的高价态的载氧体释氧反应(释氧反应的压力为1atm，温度为910℃)；高价态的载氧体释氧后变为低价态的载氧体，释放出的氧气随惰性气体CO2通过第二四通阀9带出，进入锅炉19燃烧；
步骤四、待第一反应器4内的温度降至设定温度(本实施例中设定温度为910℃)以下时，打开第一烟气流量控制阀10，1200℃的高温烟气通过第一加热装置6加热第一反应器4，使反应正常进行；待第一反应器4内的载氧体反应完全后，关闭CO2流量控制阀15；；
步骤五、与第一反应器4的制气原理相同，完成第二反应器5的制气过程，第一反应器4和第二反应器5的制气过程交替操作，连续制得富氧气体；
步骤六、将第一反应器4和第二反应器5制得的O2/CO2混合气体通过混合气流量控制阀18进入锅炉19与煤燃烧，产生的高温高压蒸汽(温度为603℃，压力为26MPa)通过做功组件做功，输出的蒸汽经过凝汽器25冷凝，在混合器26内与新鲜的水混合，由水泵27泵入锅炉19；
步骤八、锅炉19内产生的高温烟气通过第一烟气流量控制阀10及第二烟气流量控制阀11分别进入第一加热装置6和第二加热装置7供热后，回流至锅炉19加热给水；锅炉19产生的低温烟气通过除硫脱硝装置17除硫脱硝，进入分离器16后分为两股物流，一股作为释氧反应用的惰性气体，通过CO2流量控制阀15和第一四通阀8进入第一反应器4和第二反应器5；另外一股首先通过第一压缩机28压缩，进入第一冷却器29冷却至25℃，并在第一分离器30内气液分离，再经过下一级压缩冷却分离过程，直至经过第三冷却器35冷却后液化，通过第三分离器26分离得到液态CO2。
本发明中，所述锅炉19存在两条烟道，一条烟道内布置各级省煤器、蒸发器、过热器和再热器，用于加热给水；一条烟道不布置其他装置，作为高温烟气的排气管道。
本发明中，所述低价态载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体中的一种；低价态的载氧体附着的惰性载体为镁氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、钛氧化物中的一种或其络合氧化物，且惰性载体与载氧体的体积比为5～31:1。
本发明中，反应器内通入高压空气进行吸氧反应时，压力应控制在5～50个atm，反应器内的温度应控制在600～1000℃的范围内；反应器内通入惰性气体CO2进行释氧反应时，压力应控制在1atm以内，反应器内的温度应控制在500～950℃，且释氧反应温度比吸氧反应温度低30-150℃。
利用本发明所述系统及方法制得的O2/CO2混合气体的氧浓度为20～40％；锅炉19内煤粉燃烧分为热解和燃烧两个过程，且燃烧过程在一个大气压下进行，燃烧温度控制在1200℃。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，其特征在于，主要包括空压机、空气预热器、第一反应器、第二反应器、第一加热装置、第二加热装置、锅炉和做功装置，所述空压机的入口与空气供应管道连通，空压机的出口经空气预热器与第一四通阀的第一入口连通，第一四通阀的第一出口与第一反应器的入口连通，第一四通阀的第二出口与第二反应器的入口连通，第一反应器和第二反应器内均分别布置有载氧体；所述第一反应器的出口与第二四通阀的第一入口连通，第二反应器的出口与第二四通阀的第二出口连通，第二四通阀的第一出口与锅炉连通，第二四通阀的第二出口与空气预热器连通，第二四通阀的第二出口与气涡轮机连通；所述第一加热装置固定于第一反应器的外壁，第二加热装置固定于第二反应器的外壁；所述锅炉的低温烟气出口与除硫脱硝装置的入口连通，除硫脱硝装置的出口与分离器A的入口连通，分离器A的气体出口与第一四通阀的第二入口连通，分离器A的液体出口与压缩冷却分离组件的连通。
2.如权利要求1所述的基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，其特征在于，所述锅炉的高温烟气出口经第一烟气流量控制阀与第一加热装置的入口连通，第一加热装置固定于第一反应器的外壁，第一加热装置的出口与锅炉连通；所述锅炉的高温烟气出口经第二烟气流量控制阀与第二加热装置的入口连通，第二加热装置固定于第二反应器的外壁，第二加热装置的出口与锅炉连通。
3.如权利要求1所述的基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，其特征在于，所述锅炉的蒸汽出口与做功组件的入口连通，做功组件的出口与锅炉连通，所述做功组件的蒸汽出口与凝汽器的入口连通，凝汽器的出口与混合器的入口连通，混合器的出口与锅炉连通。
4.如权利要求3所述的基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，其特征在于，所述做功组件包括高压缸、中压缸、第一低压和第二低压缸，所述锅炉的蒸汽出口与高压缸的入口端相连，高压缸的出口分别通过管道与中压缸的入口及锅炉的蒸汽入口连通；所述锅炉与中压缸的入口连通，中压缸的出口分别与第一低压缸的入口和第二低压缸的入口连通，第一低压缸和第二低压缸的出口均分别与凝汽器的入口连通。
5.如权利要求1所述的基于新型化学链制氧的富氧燃烧系统，其特征在于，所述压缩冷却分离组件包括多个依次连通的压缩冷却分离单元，压缩冷却分离单元包括依次相连的压缩机、冷却器和分离器B。
6.一种基于新型化学链制氧的富氧燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1所述富氧燃烧系统；
步骤二、将新鲜空气加压预热后进入第一反应器，与第一反应器内低价态的载氧体吸氧反应，反应后的欠氧空气进入空气预热器后排出；低价态的载氧体氧化完全后，停止向第一反应器内通入空气；
步骤三、将第一反应器泄压至大气压，打开CO2流量控制阀，同时向第一反应器内通入CO2；待欠氧空气排尽后，关闭泄压阀，第一反应器内高价态的载氧体发生释氧反应，释放出的氧气随惰性气体CO2进入锅炉燃烧；
步骤四、待第一反应器内的温度降至设定温度以下时，利用锅炉中的高温烟气加热第一反应器；待第一反应器内的载氧体反应完全后，关闭CO2流量控制阀；
步骤五、与第一反应器的制气原理相同，完成第二反应器的制气过程，第一反应器和第二反应器的制气过程交替操作，连续制得富氧气体；
步骤六、将第一反应器和第二反应器制得的O2/CO2混合气体送入进入锅炉内与煤燃烧，产生的高温高压蒸汽通过做功组件做功，输出的蒸汽经过凝汽器冷凝，并在混合器内与新鲜的水混合，泵入锅炉；
步骤七、锅炉内产生的高温烟气分别进入第一加热装置和第二加热装置供热后，回流至锅炉加热给水；锅炉产生的低温烟气除硫脱硝后分为两股物流，一股作为释氧反应用的惰性气体进入第一反应器和第二反应器，另外一股压缩冷却分离得到液态CO2。
7.如权利要求6所述的富氧燃烧方法，其特征在于，在步骤二中，所述载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体中的一种；载氧体附着的惰性载体为镁氧化物、铝氧化物、硅氧化物、锆氧化物、钛氧化物中的一种或其络合氧化物。
8.如权利要求7所述的富氧燃烧方法，其特征在于，所述惰性载体与载氧体的体积比为5～31:1。
9.如权利要求6所述的富氧燃烧方法，其特征在于，在步骤二中，第一反应器内的压力为5～50atm，第一反应器内的温度为600～1000℃。
10.如权利要求6所述的富氧燃烧方法，其特征在于，在步骤三中，第一反应器内的压力小于1atm，第一反应器内的温度为500～950℃。
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