CN114456846B - 一种化学链气化反应装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学链气化反应装置及其方法，该装置由空气反应器、提升管、旋风分离器、返料器、燃料反应器组成的一个固体颗粒循环回路；燃料反应器包括下部的气化反应器和上部的重整反应器，通过收缩的矩形喷口连接；燃料在气化反应器内气化，扬析焦炭和焦油经过矩形喷口进入重整反应器，催化转化为合成气；被还原的载氧体经返料器进入空气反应器氧化再生，经提升管进入旋风分离器分离后，通过返料器进入重整反应器，再由矩形狭缝掉落至气化反应器，完成载氧体颗粒在循环流化床内的循环利用。本装置通过将燃料反应器分级流化，通过流态化重构，降低了反应器压降，有效节省风机能耗。

Description

一种化学链气化反应装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种化学链气化反应装置及其方法。

背景技术

化学链气化(Chemical-Looping Gasification，GLG)技术是一种新颖的气化方式，与化学链燃烧(Chemical-Looping Combustion，CLC)具有相似原理，均是利用金属或非金属氧化物向燃料提供反应所需的氧，通过控制晶格氧/燃料比率来获得目标产物。如图1所示，从氧素利用层面，化学链气化不再直接使用纯氧，而依靠循环金属氧化物(载氧体)颗粒内含的晶格氧，它通过与空气中氧的化学反应，将空气反应器内的氧输运至燃料反应器内，实现载氧-传递氧过程；同时反应器内循环固体颗粒为具有显著催化特性的载氧体，可以在炉内实现催化气化和焦油重整，提高气体收率，产生高品位的合成气；同时，被还原的金属载氧体重新回到空气反应器再生，释放大量热量。从热量传递上看，燃料反应器内气化反应所需的热量是通过载氧体的再生放热来维持，实现两反应器间热量自平衡。

Geldart B类颗粒(颗粒粒径在0.1-0.6mm，颗粒密度在1400-4000kg/m³)是流化床气化过程常用颗粒选型，也是化学链气化过程颗粒选型。Geldart B颗粒在流化床内具有典型的流态化特性，即：流化床内气泡呈现逐渐生长现象，并且气泡生长变大的趋势不受气泡破裂过程影响。这种典型气泡流型对燃料气化过程带来不利影响，即：气化反应器大分子气体的逃逸。逃逸的挥发份中的焦油在冷端设备的凝结影响设备正常运行。如何实现焦油炉内消除是困扰化学链气化技术的关键问题。传统单级燃料反应器，或者传统的单一方法，如增大流化风速和采用床内给料等，难以根除焦油逃逸问题。

燃料反应器分级布置能够延长载氧体颗粒在燃料反应器的停留时间，提高焦油转化率，是目前两段或多段气化反应器常用的方法，现有技术中均采用风帽式布风板进行多级布置，这种布置方法提高了燃料反应器使用的风机压降，增加了风机能耗。

发明内容

发明目的：本发明提供一种降低反应器压降、节省风机能耗的化学链气化反应装置，本发明另一目的是提供一种利用化学链气化反应装置的气化反应方法。

技术方案：本发明所述的一种化学链气化反应装置，包括依次连接的空气反应器、提升管、旋风分离器、空气反应器返料器、燃料反应器和燃料反应器返料器组成的循环回路。

其中，所述空气反应器底端设有空气入口，空气反应器布风板设于空气反应器底部和空气入口的上部。

其中，所述提升管下端设于空气反应器顶部，上端与旋风分离器通过管路相接，所述旋风分离器底部与排料管上端相接。

其中，所述空气反应器返料器包括空气反应器返料器布风板、第三气化介质入口和返料口，所述第三气化介质入口设于空气反应器返料器底端，所述空气反应器返料器布风板设于空气反应器返料器底部、第三气化介质入口上部。

进一步地，所述返料口设于空气反应器返料器一侧的顶部，所述空气反应器返料器另一侧的顶部与排料管的另一端连接。

其中，所述燃料反应器包括重整反应器、气化反应器，所述重整反应器和气化反应器通过内置隔板与矩形狭缝连接，形成矩形喷口。

作为优选，所述的重整反应器中的隔板通过隔板轴对称设于重整反应器底端的两侧，两侧隔板呈锥形倾斜于重整反应器底端所在平面，倾斜角度为30°～75°，两侧隔板不交叉；所述气化反应器中的隔板通过隔板轴对称设于气化反应器顶端的两侧，两侧隔板呈锥形倾斜于气化反应器顶端所在平面，倾斜角度为30°～75°，两侧隔板不交叉。

进一步地，所述重整反应器包括合成气出口，所述合成气出口设于重整反应器顶部，所述重整反应器一侧与空气反应器返料器一侧返料口相接。

进一步地，所述第一气化介质入口设于气化反应器底端，所述气化反应器布风板设于气化反应器底部、第一气化介质入口的上部，所述出料口设于气化反应器一侧的中部。

其中，所述燃料反应器返料器包括燃料反应器返料器布风板和第二气化介质入口，所述第二气化介质入口设于燃料反应器返料器底端，所述燃料反应器返料器布风板设于燃料反应器返料器底部、第二气化介质入口的上部。

进一步地，所述燃料反应器返料器一侧与气化反应器中出料口相接，另一侧与空气反应器中的进料口管道相接。

其中，空气反应器布风板、空气反应器返料器布风板、燃料反应器布风板和燃料反应器返料器布风板，均为具有多孔形状或者具有风帽结构的布风隔板，所起作用是使反应器内流态化均匀稳定，同时起到支撑床料作用。

本发明所述的一种利用化学链气化反应装置的气化反应方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通入流化气体之前，将燃料堆积在气化反应器底部，载氧体初始分别堆积在气化反应器底部、空气反应器底部、空气反应器返料器底部和燃料反应器返料器底部，通过载氧体颗粒在装置内的循环，实现燃料向高品位合成气的转化；

(2)燃料进入气化反应器的底部，在第一气化介质入口中通入气化介质，燃料在气化介质和载氧体催化条件下气化，产生的合成气随气流进入气化反应器上部；

(3)产生的合成气、燃料释放的焦油以及扬析焦炭通过气化反应器上部经过矩形狭缝进入重整反应器，燃料释放的焦油在载氧体作用下催化分解，扬析飞灰含碳继续气化，合成气从重整反应器顶部合成气出口产出；

(4)重整反应器中的部分载氧体床料自上而下从矩形狭缝中进入气化反应器(11)；

(5)气化反应器中被还原后的载氧体进入燃料反应器返料器，向第二气化介质入口通入气化介质，载氧体进入空气反应器，向空气入口通入空气实现载氧体的再生；

(6)氧化再生后的载氧体伴随反应过后得到的贫氧空气经过提升管进入旋风分离器，贫氧空气从贫氧空气出口排出，载氧体经过排料管进入空气反应器返料器布风板；

(7)向第三气化介质入口中通入气化介质，空气反应器返料器布风板中的载氧体进入重整反应器继续循环反应。

作为优选，所述步骤(2)～(7)任意步骤中，第一气化介质入口、第二气化介质入口和第三气化介质入口中通入的气化介质为水蒸汽和二氧化碳中的至少一种。

作为优选，所述步骤(1)～(7)任一步骤中，空气反应器中的反应温度为850℃～1100℃，所述燃烧反应器中的反应温度为700℃～1000℃。

作为优选，所述步骤(1)中载氧体种类可为Fe基载氧体等稳定性较好的载氧体。

其中，步骤(5)中载氧体进入空气反应器时发生氧化再生反应，反应放出的热量用以维持燃料反应器中的气化反应。

工作原理：本发明燃料在气化介质载氧体催化条件下气化，产生的合成气随气流进入气化反应器上部，气化反应器上部和重整反应器下部采用内置倾斜隔板收缩形成矩形喷口，内置倾斜隔板收缩形成的矩形喷口使得燃料反应器呈现鼓泡和喷动两种流化形式，下部气化反应器气流在通过矩形喷口时实现流态化重构，加大了气固接触面积，有效改善了流化状态，加强了下部反应器逃逸的大分子焦油在重整反应器的深度重整反应；上部重整反应器的喷动流态化流型，气化反应器未反应的扬析焦炭通过喷口进入上部重整反应器继续反应，延长了细微焦炭颗粒在反应器内的停留时间，提高合成气产率；喷动流化床段压降低，耦合鼓泡和喷动的两级燃料反应器，降低了反应器压降。

有益效果：与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)本发明装置适用于固体燃料，实现燃料向高品位合成气的转化，整个燃料反应器部分的分级气化增加了合成气的停留反应时间，实现焦油、扬析飞灰含碳的进一步分解。

(2)本发明将燃料反应器分级流化，通过流态化重构，降低了反应器压降，有效节省风机能耗，其技术有着广泛的社会效益和工业前景。

(3)本发明解决了化学链气化反应装置合成气产率低、反应器压降较高，系统能效高等问题；简化了气化反应装置，达到提高合成气产率的目的，提高了操作和运行的稳定性。

附图说明

图1为化学链气化过程示意图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明燃料反应器的结构示意图；

图4为本发明重整反应器和气化反应器结构示意图；

图5为本发明内置倾斜隔板及形成的矩形喷口示意图；

图6为冷态实验装置和模拟结果示意图；

图7为冷态实验系统压降分布结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图2所示，反应装置主体由空气反应器1、提升管2、旋风分离器3、空气反应器返料器4、燃料反应器5和燃料反应器返料器6组成循环气化反应装置。空气反应器1底端设有空气入口19，空气反应器布风板7设于空气反应器1底部和空气入口19的上部，空气反应器1一侧的中部设有进料口，空气反应器1上部通过管道与提升管2相连通，提升管2与旋风分离器3通过管道相连通，旋风分离器3顶部设有贫氧空气出口20，排料管8上端与旋风分离器3底部出料口相接，排料管8的下端与空气反应器返料器4顶部插接，空气反应器返料器4一侧中间设有返料口，第三气化介质入口21设于空气反应器返料器4底端，空气反应器返料器布风板9设于空气反应器返料器4底部、第三气化介质入口21上部。空气反应器返料器4出料口与重整反应器10上部相连通，重整反应器10顶部设有合成气出口22。重整反应器10底部与气化反应器11通过矩形狭缝14相接，气化反应器11底端设有第一气化介质入口17，气化反应器布风板12设于气化反应器11底部、第一气化介质入口17的上部，气化反应器11一侧中部设有出料口，另一侧设有气化反应器进料口13。燃料反应器返料器6一侧与气化反应器11的出料口相接，另一侧与空气反应器1中的进料口管道相接，燃料反应器返料器6底端设有第二气化介质入口18，燃料反应器返料器布风板16设于燃料反应器返料器6底部、第二气化介质入口18的上部。

如图3、4所示，燃料反应器5分为两个相联通的腔室，分别是重整反应器10和气化反应器11，依靠矩形狭缝14实现物料在燃料反应器自上而下循环，气化反应器11下部为长方体布置，沿床高采用内置倾斜隔板收缩不交叉形成矩形喷口；重整反应器10上部为长方体布置，下部沿矩形喷口布置倾斜隔板15，隔板15和矩形喷口相连，与气化反应器11内置隔板角度一致，4块内置倾斜隔板15倾斜角度在正反方向保持一致。

如图5所示，内置倾斜隔板15倾斜角度α为60°，上下矩形喷口连接形成矩形狭缝14。

实施例2

(1)在通入流化气体之前，将燃料堆积在气化反应器11底部，载氧体初始分别堆积在气化反应器11底部、空气反应器1底部、空气反应器返料器4底部和燃料反应器返料器6底部，通过载氧体颗粒在装置内的循环，实现燃料向高品位合成气的转化。

(2)燃料进入气化反应器11底部，反应温度为700℃～1000℃，气化反应器11为鼓泡流化床，具备密相区和稀相区，燃料进入气化反应器11底部密相区，第一气化介质入口17中通入气化介质，燃料在气化介质和载氧体催化条件下气化产生的合成气、燃料释放的焦油以及扬析焦炭随气流进入气化反应器11上部稀相区，气化过程使得气化反应器11内气速增加，内置倾斜隔板15改变合成气气流方向，使得合成气加速通过倾斜隔板15形成的喷口。

(3)产生的合成气、燃料释放的气态焦油以及扬析焦炭通过气化反应器11上部经过矩形狭缝14喷口进入重整反应器10，喷口和重整反应器10下部隔板15使得重整反应器10呈现喷动流态化，气化反应器11内未转化的残余固体燃料和气态焦油通过喷口进入重整反应器10内，在载氧体的作用下进一步进行气化和焦油重整反应，最终转化为合成气，重整反应器10出口为高品位、低焦油的合成气，合成气从重整反应器10的顶部合成气出口22产出。

(4)重整反应器10的载氧体床料自上而下通过矩形狭缝14进入气化反应器11的气化反应器布风板12。

(5)气化反应器11中被还原后的载氧体进入燃料反应器返料器6的燃料反应器返料器布风板16，向第二气化介质入口18通入气化介质，载氧体进入空气反应器1的空气反应器布风板7，向空气入口19通入流化气体空气进行氧化反应实现载氧体的再生，空气反应器1内载氧体氧化再生反应为剧烈放热反应，反应温度为850℃～1100℃，释放的热量维持气化反应器11和重整反应器10内燃料气化和焦油重整反应所需的热量。

(6)氧化再生后的载氧体经提升管2进入旋风分离器3，分离后气体为贫氧空气，贫氧空气从贫氧空气出口20排出，分离的床料通过空气反应器返料器4进入重整反应器10继续循环反应。

(7)载氧体经过排料管8进入空气反应器返料器布风板9，向第三气化介质入口21中通入气化介质，空气反应器返料器布风板9中的载氧体进入重整反应器10继续循环反应。

实施例3

本发明搭建了冷态的分级流化的燃料反应器5，采用颗粒粒径为0.6mm、堆积密度为1700kg/m³的石英砂颗粒作为实验物料，实验工况采用表观气速为在0.1-0.7m/s的范围内，布置了8个测压点(P1-P8)。如图6所示，可以清晰地观察到在合适的物料堆积高度下和表观气速下，气化反应器中出现鼓泡流态化，重整反应器呈现喷动流态化；同时，重整反应器中有颗粒逐步降落至气化反应器中，形成了颗粒在燃料反应器内部的连通。

同时，相比于常规的布风板连接方式，本发明采用的气化反应器和重整反应器之间通过矩形喷口连接。在物料初始堆积高度相同时，实验测得的鼓泡床的整床压降P_3-1和矩形喷口喷动床的整床压降P_8-3随表观气速的分布，如图7所示，可以看出在非固定床阶段，矩形喷口的压降明显低于鼓泡床，这表明矩形喷口带来的阻力明显小于布风板阻力，流化床风机的能耗显著降低。

Claims (9)

1.一种化学链气化反应装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的空气反应器（1）、提升管（2）、旋风分离器（3）、空气反应器返料器（4）、燃料反应器（5）和燃料反应器返料器（6）组成的循环回路；

所述燃料反应器（5）包括重整反应器（10）、气化反应器（11），所述重整反应器（10）和气化反应器（11）通过内置隔板（15）与矩形狭缝（14）连接，形成矩形喷口；

所述的重整反应器中的隔板通过隔板轴对称设于重整反应器底端的两侧，两侧隔板呈锥形倾斜于重整反应器底端所在平面，倾斜角度为60°，两侧隔板不交叉；所述气化反应器中的隔板通过隔板轴对称设于气化反应器顶端的两侧，两侧隔板呈锥形倾斜于气化反应器顶端所在平面，倾斜角度为60°，两侧隔板不交叉。

2.根据权利要求1所述的化学链气化反应装置，其特征在于，所述空气反应器（1）底端设有空气入口（19），空气反应器布风板（7）设于空气反应器（1）底部和空气入口（19）的上部。

3.根据权利要求1所述的化学链气化反应装置，其特征在于，所述提升管（2）下端设于空气反应器（1）顶部，上端与旋风分离器（3）通过管路相接，所述旋风分离器（3）底部与排料管（8）上端相接。

4.根据权利要求1所述的化学链气化反应装置，其特征在于，所述空气反应器返料器（4）包括空气反应器返料器布风板（9）、第三气化介质入口（21）和返料口，所述第三气化介质入口（21）设于空气反应器返料器（4）底端，所述空气反应器返料器布风板（9）设于空气反应器返料器（4）底部、气化介质入口c（21）上部。

5.根据权利要求1所述的化学链气化反应装置，其特征在于，所述燃料反应器返料器（6）包括燃料反应器返料器布风板（16）和第二气化介质入口（18），所述第二气化介质入口（18）设于燃料反应器返料器（6）底端，所述燃料反应器返料器布风板（16）设于燃料反应器返料器（6）底部、第二气化介质入口（18）的上部。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的装置的气化反应方法，其特征在于，包括如下步骤：

①通入流化气体之前，将燃料堆积在气化反应器（11）底部，载氧体初始分别堆积在气化反应器（11）底部、空气反应器（1）底部、空气反应器返料器（4）底部和燃料反应器返料器（6）底部，通过载氧体颗粒在装置内的循环，实现燃料向高品位合成气的转化；

②燃料进入气化反应器（11）的底部，在第一气化介质入口（17）中通入气化介质，燃料在气化介质和载氧体催化条件下气化，产生的合成气随气流进入气化反应器（11）上部；

③产生的合成气、燃料释放的焦油以及扬析焦炭通过气化反应器（11）上部通过矩形狭缝（14）进入重整反应器（10），燃料释放的焦油在载氧体作用下催化分解，扬析飞灰含碳继续气化，合成气从重整反应器（10）顶部合成气出口（22）产出；

④重整反应器（10）中的部分载氧体床料自上而下从矩形狭缝（14）中进入气化反应器（11）；

⑤气化反应器（11）中被还原后的载氧体进入燃料反应器返料器（6），向第二气化介质入口（18）通入气化介质，载氧体进入空气反应器（1），向空气入口（19）通入空气实现载氧体的再生；

⑥氧化再生后的载氧体伴随反应过后得到的贫氧空气经过提升管（2）进入旋风分离器（3），贫氧空气从贫氧空气出口（20）排出，载氧体经过排料管（8）进入空气反应器返料器布风板（9）；

⑦第三向气化介质入口（21）中通入气化介质，空气反应器返料器布风板（9）中的载氧体进入重整反应器（10）继续循环反应。

7.根据权利要求6所述化学链气化反应装置的气化反应方法，其特征在于，第一气化介质入口（17）、第二气化介质入口（18）和第三气化介质入口（21）中通入的气化介质为水蒸汽和二氧化碳中的至少一种。

8.根据权利要求6所述化学链气化反应装置的气化反应方法，其特征在于，空气反应器（1）中的反应温度为850℃~1100℃，燃料反应器（5）中的反应温度为700℃~1000℃。

9.根据权利要求6所述化学链气化反应装置的气化反应方法，其特征在于，所述步骤（1）中载氧体种类为Fe基载氧体。

Images