CN110065943B - 煤气化分离co2装置及其分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤气化分离CO2装置及其分离方法，装置包括混合气化反应器、气化反应器过渡段、移动床反应器，混合气化反应器和移动床反应器侧边分别连接有能够通入第一载氧体和第二载氧体的第四溢流槽和第三溢流槽、能够输出第一载氧体还原物和第二载氧体还原物的第二溢流槽和第一溢流槽，还包括空气反应器。方法包括步骤：(1)初步煤气化反应；(2)进一步氧化还原反应；(3)载氧体的重复还原利用；(4)CO2的纯化与捕集。本发明的装置反应充分，易于得到纯净的CO2。本发明只需采用冷凝的方法分离CO2和水蒸气，不需要消耗传统工艺所需的大量能耗，载氧体和载氧体还原物在系统装置中能够循环使用，实现循环再生，整套装置系统运行成本低廉。

Description

煤气化分离CO2装置及其分离方法
技术领域
本发明涉及化学链燃烧的分离装置，尤其涉及一种基于煤气化的化学链燃烧分离CO2的装置及其方法。
背景技术
我国是一个以煤炭为主要能源的国家，在这一基本国情的前提下，未来半个世纪内，在能源的选择上，煤将仍扮演着重要的角色。但是煤燃烧过程中会排放出大量的CO2，由此引起的温室效应对生态环境产生严重的负面影响。随着近年来全球气候变化日益显著，CO2捕集与封存(CCS)技术成为当今能源和环境科学领域研究的热点问题。化学链燃烧是20世纪80年代发展起来的一种CO2分离捕集技术。化学链燃烧过程在两个反应器内完成，一个是空气反应器，另一个是燃料反应器，在两个反应器中循环的固体物质叫做载氧体。在空气反应器中，低价态的载氧体被空气中的氧气氧化成为高价态，载氧体获得氧；高价态的载氧体进入燃料反应器，在燃料反应器中被燃料气体还原，即载氧体释放氧，载氧体由高价态重新回到为低价态，燃料反应器的气体产物为水蒸气和CO2，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2，实现CO2的分离；低价态的载氧体回到空气反应器进行下次循环。化学链燃烧总的反应仍为燃料在空气中的燃烧反应，获得与燃料在空气中燃烧相等的热量，但是经过这个循环，化学链燃烧过程实现了CO2的内在分离而不需要额外的能耗。因此，化学链燃烧是一种具有前途的CO2捕集技术并成为当今的研究热点之一。
以往在使用煤作为燃料进行化学链燃烧时，将煤在单独的气化炉中进行气化，由于气化反应是一个吸热反应，常规的气化炉中的热量来自煤的部分燃烧，为了保证合成气热值，外界向气化炉输送纯氧，纯氧与煤燃烧提供气化反应需要的热量，但是生产纯氧需要空分装置，空分装置在制取纯氧的过程中又将消耗大量的能量，降低了系统净效率。所以，将煤气化后的合成气进行化学链燃烧是一种使用固体燃料的有效途径，但是缺点在于需要额外的空分装置提供纯氧供给气化炉。化学链总反应煤+O2→CO2+H2O为强放热反应，在空气反应器里进行的反应 Fe3O4+O2→Fe2O3为强放热反应，在混合气化反应器和移动床反应器中进行的反应为煤气化反应和Fe2O3+CO+H2→Fe3O4+H2O+CO2，煤气化反应为强吸热反应， Fe2O3+CO+H2→Fe3O4+H2O+CO2为微放热反应。
传统煤气化过程中经典的CO2捕集方法为MDEA吸附法，MDEA吸附法主要缺点为胺吸附剂的生产工艺复杂，成本高昂；同时胺吸附剂有毒，其在生产和使用过程中不可避免地会对操作人员的健康产生危害，并对环境造成二次污染。
常见的化学链燃烧方式为煤和载氧体在一个反应器中反应，反应器多为流化床。由于流化床气泡等导致出口气体含有没有完全反应的CO、H2，导致燃烧效率下降，CO2捕集效率降低。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种煤气化分离CO2装置及其分离方法，该装置解决了燃烧效率下降，CO2捕集效率降低的问题；该分离方法解决了生产工艺复杂，成本高昂，并对环境造成二次污染的问题。
本发明中的第一载氧体和第二载氧体均采用Fe2O3，第一载氧体还原物和第二载氧体还原物均为Fe3O4。
技术方案：本发明的煤气化分离CO2装置，包括混合气化反应器、以及与其上端通过气化反应器过渡段连通的移动床反应器，其中，所述混合气化反应器下端设有能够通入物料的给料器，且所述混合气化反应器和移动床反应器侧边分别连接有能够通入第一载氧体和第二载氧体的第四溢流槽和第三溢流槽、能够输出第一载氧体还原物和第二载氧体还原物的第二溢流槽和第一溢流槽，所述第二溢流槽和第一溢流槽连接有用于氧化第一载氧体还原物和第二载氧体还原物重新生成第一载氧体和第二载氧体的空气反应器。
在混合气化反应器中，物料处于鼓泡流化状态，在移动床反应器中，物料处于气固移逆流状态。
为了使气流均匀分布，所述气化反应器过渡段和移动床反应器之间还张设有布风板。通过布风板的气流以一定的阻力，使气流均匀分布，维持床层稳定性。
为了实现载氧体的重复利用，所述空气反应器通过循环管连接有旋风分离器，且所述旋风分离器通过下料管与第四溢流槽和第三溢流槽连通，并能够将在空气反应器氧化后的载氧体通入第四溢流槽和第三溢流槽。能够将重新氧化后的载氧体自动输入反应器重复利用，有效降低了系统成本，且节省了人力工时
为了避免重新氧化的载氧体携带空气进入下料管，所述旋风分离器上端设有能够排出空气的空气排出口。
为了松动物料，所述第一溢流槽、第二溢流槽、第三溢流槽、第四溢流槽底端均设有松风口。
为了方便混合气化反应器通入水蒸气和排出反应后的灰渣，所述混合气化反应器下端设有用于通入水蒸气的水蒸气通入口和排出反应后的灰渣的排渣口。
为方便生成的气体的捕集，所述移动床反应器上端设有能够供反应生成的气体逸出的逸出口。
为了方便通入空气，所述空气反应器下端设有空气通入口。
固体物料煤和Fe2O3分别通过给料器和第四溢流槽进入混合气化反应器，混合气化反应器处于鼓泡流化状态，固体物料在反应器中停留时间长，反应时间充分，物料剧烈搅动，反应物之间接触良好。但实际反应气体产物中不止H2O、 CO2，还含有未反应完的CO、H2；混合气体通过气化反应器过渡段、布风板至移动床反应器，与通过第三溢流槽进入移动床反应器中的Fe2O3继续发生反应，消耗混合气体中混有的CO、H2，而CO2、H2O从移动床反应器出口逸出，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2，实现CO2捕集。
在移动床反应器中，气体从下往上流动，固体Fe2O3从上往下流动，反应物之间逆向流动，接触充分，利于更有效的消耗混合气体中混有的CO、H2。
混合气化反应器和移动床反应器中进行的反应所需的热量可由空气反应室内发生的放热反应释放出的热量提供，空气反应器的温度高于燃料反应器，通过载氧体的物理显热将热量从空气反应器传向燃料反应器，实现整个系统的热量平衡。
根据上述的煤气化分离CO2装置分离CO2的方法，包括以下步骤：
(1)将煤通过给料器加入混合气化反应器中，向其中通入水蒸气，在900℃左右的条件下煤与水蒸气发生气化反应，生成主要成分为H2、CO的合成气；优选螺旋给料器，温度优选900℃。
(2)步骤(1)中得到的合成气H2、CO与来自第四溢流槽的第一载氧体反应得到第一载氧体还原物、H2O、CO2；气体产物H2O、CO2以及未反应的CO、 H2经过气化反应器过渡段进入移动床反应器。
(3)步骤(2)中得到的载氧体还原物经过第二溢流槽进入空气反应器，并通入空气，第一载氧体还原物与氧气反应生成第一载氧体。
(4)步骤(2)中的得到并进入移动床反应器的CO、H2与来自第三溢流槽的第二载氧体反应，生成的第二载氧体还原物经第一溢流槽进入空气反应器，并通入空气，第二载氧体还原物与氧气反应生成第二载氧体。
在空气反应器与氧气反应重新生成载氧体，同时释放出热量，为混合气化反应器和移动床反应器提供反应所需热量；空气和重新生成的载氧体经过循环管到达旋风分离器，空气从旋风分离器上端空气排出口排出，一部分载氧体从旋风分离器下端经下料管、第三溢流槽至移动床反应器上端，一部分载氧体从旋风分离器下端经下料管、第四溢流槽至混合气化反应器上端，实现载氧体的循环利用。
(5)生成的气体产物CO2、H2O经过移动床反应器的逸出口逸出，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2。
其中，所述第一溢流槽和第二溢流槽下端通入空气作为松动风，所述第三溢流槽下端通入CO2作为松动风，第四溢流槽下端通入水蒸气作为松动风。
有益效果：1、本发明的装置在通过化学链燃烧的同时能够有效分离CO2；2、本发明采用的CO2分离方式简单，反应充分，易于得到纯净的CO2；3、本发明只需采用冷凝的方法分离CO2和水蒸气，实现CO2的捕集，不需要消耗传统工艺所需的大量能耗；4、本发明继承了常规化学链燃烧的优点，不需要以往进行化学链燃烧时的空分装置，实现整个系统的热量平衡，减少了投资与运行成本，提高了系统的运行可靠性；5、本发明在气化反应器的基础上再添加一个移动床。移动床气固逆流，气固相对速度低，停留时间长，使得气化反应器中没有完全反应的CO、H2与Fe2O3充分反应，实现燃料的完全转化，实现CO2的完全捕集； 6、载氧体和载氧体还原物Fe2O3、Fe3O4在系统装置中能够循环使用，整套装置系统运行成本低廉。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，实施例中第一载氧体和第二载氧体均采用Fe2O3，第一载氧体还原物和第二载氧体还原物均为Fe3O4。
本发明一实施例所述的煤气化分离CO2装置，包括混合气化反应器1-1、以及与其上端通过气化反应器过渡段1-2连通的移动床反应器1-4，气化反应器过渡段1-2和移动床反应器1-4之间还张设有布风板1-3。
其中，混合气化反应器1-1下端设有能够通入物料的给料器1-7、用于通入水蒸气的水蒸气通入口A和排出反应后的灰渣的排渣口H。
混合气化反应器1-1和移动床反应器1-4侧边分别连接有能够通入第一载氧体和第二载氧体的第四溢流槽2-6和第三溢流槽2-4、能够输出第一载氧体还原物和第二载氧体还原物的第二溢流槽1-6和第一溢流槽1-5，第一溢流槽1-5、第二溢流槽1-6、第三溢流槽2-4、第四溢流槽2-6底端均设有松风口C、D、F、G，移动床反应器1-4上端设有能够供反应生成的气体逸出的逸出口B。
第二溢流槽1-6和第一溢流槽1-5连接有用于氧化第一载氧体还原物和第二载氧体还原物重新生成第一载氧体和第二载氧体的空气反应器2-1。空气反应器 2-1通过循环管2-2连接有旋风分离器2-3，且所述旋风分离器2-3通过下料管2-5 与第四溢流槽2-4和第三溢流槽2-6连通，并能够将在空气反应器2-1氧化后的载氧体通入第四溢流槽2-6和第三溢流槽2-4。
其中，旋风分离器2-3上端设有能够排出空气的空气排出口E，空气反应器 2-1下端设有空气通入口I。
本发明的工作原理为：将煤通过给料器1-7加入混合气化反应器1-1，在混合气化反应器1-1底端水蒸气通入口A通入水蒸气，混合反应器1-1内处于鼓泡流化床状态，温度控制在900℃左右；煤与水蒸气发生气化反应，生成含有主要成分为H2、CO的合成气；气化过程产生的灰渣通过混合气化反应器底部的排渣口H排出；H2、CO与来自第四溢流槽2-6的载氧体Fe2O3反应，得到Fe3O4、 H2O、CO2；其中气体产物H2O、CO2以及未反应的CO、H2经气化反应器过渡段1-2、布风板1-3进入移动床反应器1-4；Fe3O4离开混合气化反应器1-1经第二溢流槽1-6进入空气反应器2-1，第二溢流槽下端D采用空气作为松动风；混合气体H2O、CO2、CO、H2在移动床反应器1-4中从下往上流动，来自第三溢流槽2-4的载氧体Fe2O3从上往下流动，Fe2O3与CO、H2反应，消耗混合气体中的CO、H2，其中生成的固体Fe3O4经第一溢流槽1-5进入空气反应器，使Fe3O4实现循环利用，第一溢流槽下端C采用空气作为松动风；气体产物CO2、H2O 经过移动床反应器逸出口B逸出，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2，实现CO2捕集；在空气反应器下端空气通入口I通入空气，进入空气反应器的 Fe3O4与氧气燃烧，重新生成Fe2O3，同时释放出热量，为混合气化反应器和移动床反应器提供反应所需热量；空气和Fe2O3经过循环管2-2至旋风分离器2-3，空气从旋风分离器上端空气排出口E排出，一部分Fe2O3从旋风分离器2-3下端经下料管2-5、第三溢流槽2-4至移动床反应器上端，第三溢流槽下端F采用CO2作为松动风；一部分Fe2O3从旋风分离器2-3下端经下料管2-5、第四溢流槽2-6至混合气化反应室器上端，实现Fe2O3的循环利用，第四溢流槽下端G采用水蒸气作为松动风。

Claims (7)

1.一种煤气化分离CO2装置，其特征在于：包括混合气化反应器、以及与其上端通过气化反应器过渡段连通的移动床反应器，其中，所述混合气化反应器下端设有能够通入物料的给料器以及用于通入水蒸气的水蒸气通入口，当通入物料和水蒸气时，所述混合气化反应器处于鼓泡流化床状态，且所述混合气化反应器和移动床反应器侧边分别连接有能够通入第一载氧体和第二载氧体的第四溢流槽和第三溢流槽、能够输出第一载氧体还原物和第二载氧体还原物的第二溢流槽和第一溢流槽，所述第二溢流槽和第一溢流槽连接有用于氧化第一载氧体还原物和第二载氧体还原物重新生成第一载氧体和第二载氧体的空气反应器；
所述气化反应器过渡段和移动床反应器之间还设有布风板；
所述空气反应器通过循环管连接有旋风分离器，且所述旋风分离器通过下料管与第四溢流槽和第三溢流槽连通，并能够将在空气反应器氧化后的载氧体通入第四溢流槽和第三溢流槽；
所述第一溢流槽、第二溢流槽、第三溢流槽、第四溢流槽底端均设有松风口。
2.根据权利要求1所述的煤气化分离CO2装置，其特征在于：所述旋风分离器上端设有能够排出空气的空气排出口。
3.根据权利要求1所述的煤气化分离CO2装置，其特征在于：所述混合气化反应器下端设有用于通入水蒸气的水蒸气通入口和排出反应后的灰渣的排渣口。
4.根据权利要求1所述的煤气化分离CO2装置，其特征在于：所述移动床反应器上端设有能够供反应生成的气体逸出的逸出口。
5.根据权利要求1所述的煤气化分离CO2装置，其特征在于：所述空气反应器下端设有空气通入口。
6.根据权利要求1-5任一所述的煤气化分离CO2装置分离CO2的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将煤通过给料器加入混合气化反应器中，向其中通入水蒸气并与煤发生气化反应，生成主要成分为H2、CO的合成气；
(2)步骤(1)中得到的合成气H2、CO与来自第四溢流槽的第一载氧体反应得到第一载氧体还原物、H2O、CO2；气体产物H2O、CO2以及未反应的CO、H2经过气化反应器过渡段进入移动床反应器；
(3)步骤(2)中得到的载氧体还原物经过第二溢流槽进入空气反应器，并通入空气，第一载氧体还原物与氧气反应生成第一载氧体；
(4)步骤(2)中的得到并进入移动床反应器的CO、H2与来自第三溢流槽的第二载氧体反应，生成的第二载氧体还原物经第一溢流槽进入空气反应器，并通入空气，第二载氧体还原物与氧气反应生成第二载氧体；
(5)生成的气体产物CO2、H2O经过移动床反应器的逸出口逸出，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2。
7.根据权利要求6所述的分离CO2的方法，其特征在于：所述第一溢流槽和第二溢流槽下端通入空气作为松动风，所述第三溢流槽下端通入CO2作为松动风，第四溢流槽下端通入水蒸气作为松动风。
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