CN109945172A - 适用于d类燃料颗粒和a类载氧体颗粒的化学链燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于能源转化技术领域的一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置。该装置包括燃料反应器、空气反应器、惯性炭分离器、高效旋风分离器以及返料阀；本发明打破了较为传统的化学链燃烧二元颗粒流动结构，实现两步炭分离过程；通过采用A类载氧体颗粒，可减少流化风量，降低运行难度与成本，同时循环量大，使得燃料反应器上部分中载氧体颗粒浓度增加，进一步提高载氧体与可燃性气体的接触率，提高气体转化率。本发明提出的适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧装置可以解决化学链燃烧系统中燃料转化率低和二氧化碳捕集效率低的问题，本装置的燃料转化率可与循环流化床锅炉的燃料转化率接近。

Description

适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置
技术领域
本发明属于能源转化技术领域，特别涉及一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置。
背景技术
化学链燃烧是一种新型燃烧技术，通常由燃料反应器和空气反应器构成，通过载氧体在两个反应器之间进行氧化还原循环，从而将空气反应器中的氧运输到燃料反应器中。燃料反应器出口的烟气主要成分为CO2和H2O，因而可在不需要空气分离装置的情况下实现CO2与N2的分离，相对于传统的CO2捕集技术，化学链燃烧技术在降低CO2捕集能耗方面具有显著优势。
对于化学链燃烧系统，关键是开发能够适应载氧体/固体燃料二元颗粒流态化特性的化学链燃烧双流化床关键技术和设备，满足反应特性与流态化结构的匹配与控制，需实现：(1)燃料颗粒与载氧体颗粒的有效分离，避免因燃料颗粒进入空气反应器导致的碳捕集效率降低；(2)燃料颗粒在燃料反应器中的停留时间足够长，保证燃料颗粒充分转化。
现有化学链燃料反应器内碳转化率低，煤焦与载氧体二元颗粒的流态化特性接近，使得煤焦与载氧体二元颗粒的分离难，煤焦会进入空气反应器燃烧，CO2内分离难，捕集效率低于80％，因此如何在燃料反应器内实现煤焦与载氧体的高效分离是一大难题。化学链燃烧装置的结构设计与载氧体颗粒和燃料颗粒种类、粒径等密切相关。当前研究中化学链燃烧的二元颗粒组合根据流态化领域中Geldart颗粒分类法以颗粒密度、粒径划分主要为：(1)B类载氧体颗粒(150～300μm)和A类燃料颗粒(120μm)[1,2]，问题是过细的燃料颗粒容易离开燃料反应器且不易被旋风分离器捕获，导致燃料转化率低；(2)B类载氧体颗粒(150～300μm)和B类燃料颗粒(120-500μm)[3-4]，问题是燃料颗粒不易分离而进入空气反应器内燃烧，碳捕集效率大打折扣。为使化学链燃烧技术从实验室基础研究走向工业应用，实现载氧体颗粒与燃料颗粒的高效分离和燃料的充分转化至关重要。
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发明内容
本发明的目的是提出一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，该装置是一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧装置，该装置包括燃料反应器、空气反应器、惯性炭分离器、高效旋风分离器以及返料阀；其中，
燃料反应器上部设置的气固出口与惯性炭分离器入口相连，下部设置有布风板和风室，燃烧反应器下部侧面设置燃料颗粒加料口；
惯性炭分离器内部设置开孔挡板；下部侧面设置炭分离气固出口，并通过返料阀与燃料反应器下部相连；其下部侧面设置炭分离气固出口与高效旋风分离器相连；
高效旋风分离器下部设置旋风分离气固出口，并通过返料阀与空气反应器相连；
空气反应器为快速流化床形式，侧面设置流化床气固出口，并通过返料阀与燃料反应器下部相连，下部设置布风板和风室，空气反应器侧面设置载氧体颗粒加料口；
燃料反应器分为上下两部分，上部分为等直径的圆截面，下部分为变直径的圆截面，该圆截面自底部起直径先逐渐增大，然后是一个等直径段；燃料反应器下部分底段的侧壁与竖直方向成角15°；燃料反应器上下部分的连接段侧壁与竖直方向成角45°。
惯性炭分离器为方形截面。
高效旋风分离器为圆形截面。
空气反应器为等圆形或方形截面。
燃料反应器和空气反应器的布风板为水平布置。燃料反应器和空气反应器上设置排渣管。
燃料反应器下部分侧面的燃料进料口与水平方向成角45°，空气反应器侧面的载氧体进料口与水平方向成角45°；燃料反应器与空气反应器之间的循环物料进出口均与水平方向成角45°。
D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置的工作原理：运行时该燃料反应器和空气反应器均为流化状态，来自空气反应器的空气将A类载氧体物料流化并氧化后，载氧体经返料阀流动至燃料反应器，并与D类燃料颗粒混合后参与化学反应。燃料反应器内的燃料颗粒经过内循环反应后粒径变小并随载氧体颗粒流动进入惯性分离器，燃料颗粒被惯性炭分离器中的挡板分离后通过返料阀返送回燃料反应器继续参与反应，其余大多数载氧体颗粒经高效旋风分离器分离后重新回到空气反应器中。
上述工作原理涉及两步炭分离过程：(1)在燃料反应器下部存在燃料颗粒的内循环流动，可提高燃料在燃料反应器中的停留时间，进而提高燃料转化率；(2)燃料反应器中燃料颗粒参与反应后粒径变小，会被载氧体颗粒携带至惯性炭分离器中进行第二步炭分离过程，避免燃料颗粒进入空气反应器，并进一步提高燃料转化率。本发明提出的适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧系统可以解决化学链燃烧系统中燃料转化率低和二氧化碳捕集效率低的问题，本装置的燃料转化率与循环流化床锅炉的燃料转化率接近。
上述A类载氧体颗粒或燃料颗粒、B类载氧体颗粒或燃料颗粒、D类燃料颗粒是根据Geldart颗粒分类原理：根据颗粒的密度和粒径大小，可以将颗粒分为A,B,C和D四类。
在煤的化学链燃烧中，燃料颗粒(煤)的颗粒密度在1000kg/m3左右，当粒径＜120μm，属于A类颗粒；当粒径120-500μm，属于B类颗粒；当粒径＞1mm，属于D类颗粒。
载氧体颗粒的颗粒密度约4000kg/m3，当粒径150-300μm，属于B类颗粒；当粒径＜100μm，属于A类颗粒。
本发明的有益效果是本发明与现有技术相比其优点在于：(1)打破了较为传统的化学链燃烧二元颗粒流动结构，采用A类载氧体颗粒和D类燃料颗粒的概念；(2)采用两段式燃料反应器结构，实现燃料颗粒在下部分燃料反应器中内循环流动，延长燃料颗粒在燃料反应器中的停留时间，并实现燃料颗粒与载氧体颗粒的初步分离；(3)将惯性炭分离器与燃料反应器连接，实现燃料颗粒与载氧体颗粒的第二步分离；(4)通过采用A类载氧体颗粒，可减少流化风量，降低运行难度与成本；(5)通过采用更易流化的A类载氧体颗粒，容易实现较大的循环量，使得燃料反应器上部分中载氧体颗粒浓度增加，进一步提高载氧体与可燃性气体的接触率，提高气体转化率。
附图说明
图1为适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧装置图。
图中标号：1.风室；2.布风板；3.燃料反应器下部；4.燃烧反应器上部；5.惯性炭分离器；6.多孔挡板；7.高效旋风分离器；8.返料阀；9.空气反应器；10.返料立管；11.返料腿
具体实施方式
本发明的目的是提出适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，下面结合附图予以说明。
图1所示为适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧装置图。图中：
燃料反应器上部4设置的气固出口与惯性炭分离器5入口相连，燃料反应器下部3设置有布风板2和风室1，燃烧反应器下部3侧面设置燃料颗粒加料口；该燃料颗粒加料口通过返料腿11与返料立管10连接。
惯性炭分离器5内部设置多孔挡板6；惯性炭分离器5下部侧面设置的一个炭分离气固出口燃料反应器下部3相连；惯性炭分离器5下部侧面设置的另一个炭分离气固出口与高效旋风分离器7相连；
高效旋风分离器7下部设置旋风分离气固出口，经过返料立管10下端的返料阀8、返料腿11与空气反应器9相连；
空气反应器9为快速流化床形式，侧面设置流化床气固出口通过返料阀8与燃料反应器下部3相连，燃料反应器下部3下部设置布风板2和风室1，空气反应器9侧面设置载氧体颗粒加料口；燃料反应器和空气反应器的布风板为水平布置。燃料反应器和空气反应器上设置排渣管。
燃料反应器分为上下两部分，上部分为等直径的圆截面，下部分为变直径的圆截面，该圆截面自底部起直径先逐渐增大，然后是一个等直径段；燃料反应器下部分底段的侧壁与竖直方向成角15°；燃料反应器上下部分的连接段侧壁与竖直方向成角45°。
所述惯性炭分离器为方形截面；高效旋风分离器为圆形截面；空气反应器为等圆形或方形截面。
所述燃料反应器下部分侧面的燃料进料口与水平方向成角45°，空气反应器侧面的载氧体进料口与水平方向成角45°；燃料反应器与空气反应器之间的循环物料进出口均与水平方向成角45°。
实施例
D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置在运行时，在空气反应器内添加足够量的A类载氧体颗粒，调节空气反应器内的流化风量，使得载氧体颗粒呈鼓泡状态，载氧体颗粒由空气反应器侧面出口经返料阀进入燃料反应器，在燃料反应器最底部呈喷动状态，在燃料反应器上部呈快速流态状态或气力输送状态。载氧体颗粒经过惯性炭分离器后，少部分载氧体颗粒被分离，大部分载氧体颗粒经过高效旋风分离器后，重新回到空气反应器中。待运行稳定后，燃料反应器由CO2或再循环烟气流化，并向燃料反应器内加入D类燃料颗粒，燃料颗粒在燃料反应器下部分的底部被较大的气速携带至较高的部位，由于气速降低而下落底部，反复的循环运动以延长燃料的停留时间。粒径小的燃料会随载氧体颗粒进入燃料反应器的上部分，由于气速较大，被携带至惯性炭惯性分离器内，在多孔挡板的作用下，被分离下来后，经过返料阀重新回到燃料反应器中进一步转化，避免了燃料颗粒进入空气反应器中。返料阀采用CO2或再循环烟气流化。惯性碳分离器的给风，用于降低A类载氧体的分离效率，使得更多的载氧体颗粒进入空气反应器中。
综上所述，本发明提出一种新型载氧体颗粒与燃料颗粒的二元颗粒组合方案，即D类燃料颗粒(1-8mm)和A类载氧体颗粒(50-100μm)，并设计一种满足载氧体颗粒与燃料颗粒的高效分离和燃料的充分转化的化学链燃烧反应装置，解决现有化学链燃烧技术中普遍存在的燃料转化率低和碳捕集效率低的缺点。

Claims (6)

1.一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，该装置是一种适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的串行、双流化床化学链燃烧装置，该装置包括燃料反应器、空气反应器、惯性炭分离器、高效旋风分离器以及返料阀；其中，
燃料反应器上部设置的气固出口与惯性炭分离器入口相连，下部设置有布风板和风室，燃烧反应器下部侧面设置燃料颗粒加料口；
惯性炭分离器内部设置开孔挡板；下部侧面设置炭分离气固出口，并通过返料阀与燃料反应器下部相连；其下部侧面设置炭分离气固出口与高效旋风分离器相连；
高效旋风分离器下部设置旋风分离气固出口，并通过返料阀与空气反应器相连；
空气反应器为快速流化床形式，侧面设置流化床气固出口，并通过返料阀与燃料反应器下部相连，下部设置布风板和风室，空气反应器侧面设置载氧体颗粒加料口。
2.根据权利要求1所述适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，所述燃料反应器分为上下两部分，上部分为等直径的圆截面，下部分为变直径的圆截面，该圆截面自底部起直径先逐渐增大，然后是一个等直径段；燃料反应器下部分底段的侧壁与竖直方向成角15°；燃料反应器上下部分的连接段侧壁与竖直方向成角45°。
3.根据权利要求1所述适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，所述惯性炭分离器为方形截面；所述高效旋风分离器为圆形截面；所述空气反应器为等圆形或方形截面。
4.根据权利要求1所述适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，所述燃料反应器和空气反应器的布风板为水平布置，燃料反应器和空气反应器上设置排渣管。
5.根据权利要求1所述适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置，其特征在于，所述燃料反应器下部分侧面的燃料进料口与水平方向成角45°，空气反应器侧面的载氧体进料口与水平方向成角45°；燃料反应器与空气反应器之间的循环物料进出口均与水平方向成角45°。
6.一种权利要求1所述适用于D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置的化学链燃烧方法，其特征在于，D类燃料颗粒和A类载氧体颗粒的化学链燃烧装置的工作原理：运行时该燃料反应器和空气反应器均为流化状态，来自空气反应器的空气将A类载氧体物料流化并氧化后，载氧体经返料阀流动至燃料反应器，并与D类燃料颗粒混合后参与化学反应，燃料反应器内的燃料颗粒经过内循环反应后粒径变小并随载氧体颗粒流动进入惯性分离器，燃料颗粒被惯性炭分离器中的挡板分离后通过返料阀返送回燃料反应器继续参与反应，其余大多数载氧体颗粒经高效旋风分离器分离后重新回到空气反应器中；
上述工作原理涉及两步炭分离过程：(1)在燃料反应器下部存在燃料颗粒的内循环流动，可提高燃料在燃料反应器中的停留时间，进而提高燃料转化率；(2)燃料反应器中燃料颗粒参与反应后粒径变小，会被载氧体颗粒携带至惯性炭分离器中进行第二步炭分离过程，避免燃料颗粒进入空气反应器，并进一步提高燃料转化率；解决化学链燃烧系统中燃料转化率低和二氧化碳捕集效率低的问题，本装置的燃料转化率与循环流化床锅炉的燃料转化率相同。
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