CN112175675A - 一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳捕集的加压燃煤供热系统及运行方法，首先空气与还原态载氧体反应，氧化结束载氧体储热为还原反应初期煤气化供热，氧化态载氧体与煤气化产物反应放出反应热为煤气化持续供热。利用载氧体氧化反应热和还原反应富余反应热向用户供热，回收尾气潜热用于气化剂和空气预热。加压燃煤供热系统包含两套反应器，分别循环交替进行还原和氧化过程，在实现CO₂捕集的同时可连续供热。本发明方法与现有煤化学链燃烧技术相比能够显著提升供热系统热负荷和加压装置运行效率，直接捕集高压高浓度CO₂便于储存和下游加工。加压将载氧体氧解耦吸热反应转化为载氧体还原放热反应，无需外部热能供给，实现节能降耗。

Description

一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法

技术领域

本发明属于煤炭清洁转化利用技术领域，具体涉及一种可实现碳捕集的加压燃煤供热系统及运行方法。

背景技术

传统燃煤锅炉存在能量利用效率低，烟气中污染物排放不达标以及CO₂捕集能耗大的现状，面对当前煤炭清洁转化利用的时代要求，煤化学链燃烧技术成为了解决该难题的重要手段。利用载氧体的氧化吸氧和还原释氧过程，燃煤和空气的非接触无火焰燃烧，避免热力型和快速型NO_X污染物的产生。此外，烟气经冷凝气液分离后即可获取高浓度的CO₂，极大地降低了后续碳捕集成本和效率。

传统煤化学链燃烧供热装置常采用循环流化床反应器，载氧体在燃料反应器和空气反应器间进行还原氧化循环，双床间的物料平衡影响着整套供热装置的稳定运行，载氧体的循环流率控制存在着较大的困难。此外，还原反应器中选用氧解耦类型载氧体时，例如钴氧化物、锰氧化物和铜氧化物等，在高温下释放分子氧的分解反应与煤气化反应同为吸热过程，需要外部供热来补充富氧燃烧反应的放热不足，导致系统运行能耗偏高。在煤炭高效清洁转化的倡导下，有必要设计开发一种低能耗、高负荷、可直接实现高压CO₂捕集储存的加压煤化学链燃烧供热系统及运行方法。

发明内容

本发明针对现有常规煤化学链燃烧技术采用常压循环流化床反应器时系统平衡操控难度大，燃料反应器外部供热能耗高，捕集的CO₂需进一步压缩储存等不足，提出了一种采用煤化学链燃烧方法实现碳捕集的加压燃煤供热系统及运行方法，采用该方法可以轻松实现供热系统的稳定运行、显著地降低外部供热功率、增大热负荷、直接实现CO₂捕集压缩储存。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种碳捕集的加压燃煤供热系统，包括：空气压缩机（C1）、气化剂进料泵（P1）气化剂一级预热器（E1）、气化剂二级预热器（E2）、压缩空气一级预热器（E3）、压缩空气二级预热器（E4）、第一热媒换热器（E5）、第二热媒换热器（E6）、第一热媒循环泵（P2）、第二热媒循环泵（P3）、第一反应器（R1）、第二反应器（R2）、进料煤仓（T1）、气液分离罐（T2）、气化剂质量流量控制器（V1/V3）、压缩空气质量流量控制器（V2/V4）、高压烟气背压阀（V5/V7）、低氧空气背压阀（V6/V8）、煤仓进料球阀（V9/V10）、煤仓加压截止阀（V11）、低氧空气减压阀（V12）。

第一反应器（R1）和第二反应器（R2）均为流化床式反应器。炉膛为燃烧室，装有载氧体床料；水冷壁内为热媒室，与热媒换热器（E5、E6）热端、热媒循环管路和热媒循环泵（P2、P3）构成热媒循环回路。热媒换热器（E5、E6）冷端与供热管网相连，通过供热介质向用户供热。

所述第一热媒换热器（E5）和第一热媒循环泵（P2）设置在第一反应器（R1）上，第二热媒换热器（E6）和第二热媒循环泵（P3）设置在第二反应器（R2）上。

气化剂和压缩空气通过质量流量控制器（V1/V3、V2/V4）的开闭切换，分别单独送入两台反应器（R1、R2）中参与载氧体氧化和还原反应过程，交替循环，其中还原过程通过煤仓（T1）进料。

还原过程产生的高压烟气和氧化过程产生的低氧空气可通过截止阀（V5/V7、V6/V8）的开闭切换分别依次送入二级预热器（E2、E4），一级预热器（E1、E3）对气化剂和压缩空气进行预热，实现余热回收。降至室温后的高压烟气，通过气液分离罐（T2）回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂，直接储存或用于下游加工。低氧空气经减压阀（V12）减至常压、回收余热后放空。

一种碳捕集的加压燃煤供热系统运行方法，包括以下步骤：

（a）将氧化态载氧体分别加入第一反应器（R1）和第二反应器（R2）中。

（b）H₂O先经气化剂进料泵（P1）加压泵入一级预热器（E1）转化为过热水蒸气，后经二级预热器（E2）换热升温至还原反应温度，由气化剂质量流量控制器（V1）调节质量流率后送入第一反应器（R1）。待反应器内空气被气化剂吹扫置换排尽后，通过调节高压烟气背压阀（V5）升压并稳定在还原反应压力。

（c）惰性载气经煤仓加压截止阀（V11）送入煤仓，同时打开进料球阀（V9），将煤吹入第一反应器（R1）中开始还原反应过程。进料结束后，关闭进料球阀（V9），开启第一热媒循环泵（P2）。

（d）煤气化产物与载氧体发生还原反应放出反应热为煤气化过程持续供热，富余反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。产生的高压烟气分别经气化剂二级预热器（E2）和压缩空气一级预热器（E3）回收余热，降至室温的高压烟气经气液分离罐（T2）回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂，直接储存或供下一工段使用。

（e）待第一反应器（R1）中煤已完全气化时，停止泵入H₂O，关闭质量流量控制器（V1）和背压阀（V5），打开压缩空气质量流量控制器（V2）和背压阀（V6）。空气经空压机（C1）加压后，分别送入压缩空气一级换热器（E3）和二级换热器（E4）换热升温至氧化反应温度后送入第二流化床反应器（R2）中开始氧化反应过程。

（f）空气中的O₂与还原态载氧体发生氧化反应，反应热由水冷壁中热媒移出，通过第一热媒循环泵（P2）送入第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。

（g）反应后的低氧空气经减压阀（V12）降至常压，通过压缩空气二级预热器（E4）和高压气化剂一级预热器（E1）回收气相潜热后放空。

（h）待第一反应器（R1）中载氧体已完全氧化时，停止送入压缩空气，关闭压缩空气质量流量控制器（V2）和背压阀（V6），打开气化剂质量流量控制器（V1）和背压阀（V5）。

（i）第二反应器（R2）及相关第二装置按照步骤（a）~（h）进行CO₂捕集及向用户供热。

（j）第一反应器（R1）和第二反应器（R2）按照上述步骤交替操作连续供热。

上述方案中，所述载氧体为氧解耦类型载氧体，如钴基载氧体、锰基载氧体或铜基载氧体中的一种。负载载氧体的惰性载体为MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂或TiO₂中的一种。氧化态载氧体中活性组分与惰性载体的质量比为0.67~1.5。

按照上述方案，反应器内还原反应温度范围为：800~900℃，氧化反应温度范围为820~920℃，压力范围为：0.3~2.0 MPa。为便于煤仓顺利进料，惰性载气压力高于反应器内操作压力0.2~0.5 MPa。惰性载气为N₂或Ar中的一种。

本发明与现有技术相比较，具有以下技术优势：

（1）在热力学上通过加压限制氧化态载氧体分解释放氧气的吸热反应发生，利用煤气化产物与载氧体还原反应放热为煤气化过程持续供热，显著降低外部热能供给需求。

（2）氧化反应温度高于还原反应温度，氧化结束载氧体储热为还原反应初期煤气化供热，省去煤气化开工时外部供热。

（3）气化剂和空气通过两级预热器最大程度回收烟气和低氧空气潜热，节约能耗。

（4）双反应器循环交替回收载氧体氧化反应热，连续供热，极大地提升了煤化学链燃烧装置效率，避免了传统加压循环流化床中各压力装置间的匹配耦合操作难题。

（5）加压提升供热系统负荷，无需二次压缩，直接捕集高压高浓度CO₂便于储存和下游加工。

附图说明

图 1为本发明中还原反应过程流程示意图。

图 2为本发明中氧化反应过程流程示意图。

图 3为本发明所使用的加压燃煤供热系统示意图。

图中，C1-空气压缩机，P1-气化剂进料泵，P2-第一热媒循环泵，P3-第二热媒循环泵，E1-气化剂一级预热器，E2-气化剂二级预热器，E3-压缩空气一级预热器，E4-压缩空气二级预热器，E5-第一热媒换热器，E6-第二热媒换热器，R1-第一反应器，R2-第二反应器，T1-进料煤仓，T2-气液分离罐，V1、V3-气化剂质量流量控制器，V2、V4-压缩空气质量流量控制器，V5、V7-高压烟气背压阀，V6、V8-低氧空气背压阀，V9、V10-煤仓进料球阀，V11-煤仓加压截止阀，V12-低氧空气减压阀。

具体实施方式

参照图1和图2本发明的工艺流程，利用图3的装置图，按照上述（a）~（j）方法步骤实施。下面通过实施例对本发明作近一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。

实施例1

步骤一：将氧化态铜基载氧体分别加入第一反应器（R1）和第二反应器（R2）中。铜基载氧体活性组分为CuO，惰性载体为ZrO₂，两者质量比为CuO:ZrO₂=0.67:1。H₂O先经气化剂进料泵（P1）加压至0.8 MPa泵入一级预热器（E1）转化为180 ℃过热水蒸气，后经二级预热器（E2）换热升温至还原反应温度880 ℃，由气化剂质量流量控制器（V1）调节质量流率后送入第一反应器（R1）。待反应器内空气被气化剂吹扫置换排尽后，通过调节高压燃气背压阀（V5）升压并稳定在还原反应压力0.5 MPa。

步骤二：惰性载气0.8 MPa Ar经煤仓加压截止阀（V11）送入煤仓，同时打开进料球阀（V9），将煤吹入第一流化床反应器（R1）中开始还原反应过程。进料结束后，关闭进料球阀（V9），开启第一热媒循环泵（P2）。

步骤三：煤气化产物H₂、CO和CH₄与载氧体CuO发生还原反应放出反应热为煤气化过程持续供热，富余反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。产生的高压烟气分别经气化剂二级预热器（E2）和压缩空气一级预热器（E3）回收气相潜热，降至室温的高压烟气经气液分离罐（T2）回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂储存或供下一工段使用。

步骤四：待第一反应器（R1）中煤已完全气化时，停止气化剂进料泵（P1），关闭气化剂质量流量控制器（V1）和高压烟气背压阀（V5），打开压缩空气质量流量控制器（V2）和低氧空气背压阀（V6），背压至0.5 MPa。空气经空压机（C1）加压至0.8 MPa后，分别送入压缩空气一级换热器（E3）和二级换热器（E4）换热升温至氧化反应温度900 ℃后送入第二反应器（R2）中开始氧化反应过程。

步骤五：载氧体氧化反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。反应后的低氧空气经减压阀（V12）降至常压，通过压缩空气二级预热器（E4）和气化剂一级预热器（E1）回收气相潜热后放空。待第一反应器（R1）中载氧体已完全氧化时，停止送入压缩空气，关闭压缩空气质量流量控制器（V2）和背压阀（V6），打开气化剂质量流量控制器（V1）和背压阀（V5）。

步骤六：第二反应器（R2）及相关第二装置按照步骤一至五进行CO₂捕集及向用户供热。。

步骤七：第一反应器（R1）和第二反应器（R2）按照上述步骤交替操作连续供热2.99kW（1 kg/h煤），捕集0.5 MPa 高浓度CO₂气体2.19 kg/h，CO₂浓度为93.4%。

实施例2

步骤一：将氧化态锰基载氧体分别加入第一反应器（R1）和第二反应器（R2）中。锰基载氧体活性组分为MnO₂，惰性载体为SiO₂，两者质量比为MnO₂:SiO₂=1.5:1。H₂O先经气化剂进料泵（P1）加压至1.2 MPa泵入一级预热器（E1）转化为192 ℃过热水蒸气，后经二级预热器（E2）换热升温至还原反应温度900 ℃，由气化剂质量流量控制器（V1）调节质量流率后送入第一反应器（R1）。待反应器内空气被气化剂吹扫置换排尽后，通过调节高压燃气背压阀（V5）升压并稳定在还原反应压力1.0 MPa。

步骤二：惰性载气1.2 MPa Ar经煤仓加压截止阀（V11）送入煤仓，同时打开进料球阀（V9），将煤吹入第一流化床反应器（R1）中开始还原反应过程。进料结束后，关闭进料球阀（V9）。

步骤三：煤气化产物H₂、CO和CH₄与载氧体MnO₂发生还原反应放出反应热为煤气化过程持续供热，富余反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。产生的高压烟气分别经气化剂二级预热器（E2）和压缩空气一级预热器（E3）回收气相潜热，降至室温的高压烟气经气液分离罐（T2）回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂储存或供下一工段使用。

步骤四：待第一反应器（R1）中煤已完全气化时，停止气化剂进料泵（P1），关闭气化剂质量流量控制器（V1）和高压烟气背压阀（V5），打开压缩空气质量流量控制器（V2）和低氧空气背压阀（V6），背压至1.0 MPa。空气经空压机（C1）加压至1.2 MPa后，分别送入压缩空气一级换热器（E3）和二级换热器（E4）换热升温至氧化反应温度920 ℃后送入第二反应器（R2）中开始氧化反应过程。

步骤五：载氧体氧化反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器（E5）中与供热介质换热，向用户供热。反应后的低氧空气经减压阀（V12）降至常压，通过压缩空气二级预热器（E4）和气化剂一级预热器（E1）回收气相潜热后放空。待第一反应器（R1）中载氧体已完全氧化时，停止送入压缩空气，关闭压缩空气质量流量控制器（V2）和背压阀（V6），打开气化剂质量流量控制器（V1）和背压阀（V5）。

步骤六：第二反应器（R2）及相关第二装置按照步骤一至五进行CO₂捕集及向用户供热。。

步骤七：第一反应器（R1）和第二反应器（R2）按照上述步骤交替操作连续供热3.01kW（1 kg/h煤），捕集1.0 MPa 高浓度CO₂气体2.28 kg/h，CO₂浓度为97.8%。

Claims (6)

1.一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于，系统包括：空气压缩机、气化剂进料泵、气化剂一级预热器、气化剂二级预热器、压缩空气一级预热器、压缩空气二级预热器、第一热媒换热器、第二热媒换热器、第一热媒循环泵、第二热媒循环泵、第一反应器、第二反应器、进料煤仓、气液分离罐、气化剂质量流量控制器、压缩空气质量流量控制器、高压烟气背压阀、低氧空气背压阀、煤仓进料球阀、煤仓加压截止阀、低氧空气减压阀；加压燃煤供热系统运行方法包括以下步骤：

（a）将氧化态载氧体分别加入第一反应器和第二反应器中；

（b）H₂O先经气化剂进料泵加压泵入一级预热器转化为过热水蒸气，后经二级预热器换热升温至还原反应温度，由气化剂质量流量控制器调节质量流率后送入第一反应器；待反应器内空气被气化剂吹扫置换排尽后，通过调节高压烟气背压阀升压并稳定在还原反应压力；

（c）惰性载气经煤仓加压截止阀送入煤仓，同时打开进料球阀，将煤吹入第一反应器中开始还原反应过程；进料结束后，关闭进料球阀，开启第一热媒循环泵；

（d）煤气化产物与载氧体发生还原反应放出反应热为煤气化过程持续供热，富余反应热由水冷壁中热媒移出，在第一热媒换热器中与供热介质换热，向用户供热；产生的高压烟气分别经气化剂二级预热器和压缩空气一级预热器回收余热，降至室温的高压烟气经气液分离罐回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂，直接储存或供下一工段使用；

（e）待第一反应器中煤已完全气化时，停止泵入H₂O，关闭质量流量控制器和背压阀，打开压缩空气质量流量控制器和背压阀；空气经空压机加压后，分别送入压缩空气一级换热器和二级换热器换热升温至氧化反应温度后送入第二流化床反应器中开始氧化反应过程；

（f）空气中的O₂与还原态载氧体发生氧化反应，反应热由水冷壁中热媒移出，通过第一热媒循环泵送入第一热媒换热器中与供热介质换热，向用户供热；

（g）反应后的低氧空气经减压阀降至常压，通过压缩空气二级预热器和高压气化剂一级预热器回收气相潜热后放空；

（h）待第一反应器中载氧体已完全氧化时，停止送入压缩空气，关闭压缩空气质量流量控制器和背压阀，打开气化剂质量流量控制器和背压阀；

（i）第二反应器及相关第二装置按照步骤（a）~（h）进行CO₂捕集及向用户供热；

（j）第一反应器和第二反应器按照上述步骤交替操作连续供热。

2.根据权利要求1所述的一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于：所述载氧体为氧解耦类型载氧体，包括钴基载氧体、锰基载氧体或铜基载氧体中的一种；负载载氧体的惰性载体为MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂或TiO₂中的一种；氧化态载氧体中活性组分与惰性载体的质量比为0.67~1.5。

3.根据权利要求1所述的一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于第一反应器和第二反应器均为流化床式反应器；炉膛为燃烧室，装有载氧体床料；水冷壁内为热媒室，与热媒换热器热端、热媒循环管路和热媒循环泵构成热媒循环回路；热媒换热器冷端与供热管网相连，通过供热介质向用户供热；第一热媒换热器和第一热媒循环泵设置在第一反应器上，第二热媒换热器和第二热媒循环泵设置在第二反应器上。

4.根据权利要求1所述的一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于气化剂和压缩空气通过质量流量控制器的开闭切换，分别单独送入两台反应器中参与载氧体氧化和还原反应过程，交替循环，其中还原过程通过煤仓进料。

5.根据权利要求1所述的一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于还原过程产生的高压烟气和氧化过程产生的低氧空气可通过截止阀的开闭切换分别依次送入二级预热器，一级预热器对气化剂和压缩空气进行预热，实现余热回收；降至室温后的高压烟气，通过气液分离罐回收冷凝水后捕集高压高浓度CO₂，直接储存或用于下游加工；低氧空气经减压阀减至常压、回收余热后放空。

6.根据权利要求1所述的一种碳捕集加压燃煤供热系统及运行方法，其特征在于：反应器内还原反应温度范围为：800~900℃，氧化反应温度范围为820~920℃，压力范围为：0.3~2.0 MPa。

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