CN1754065A - 具有co2回收的燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种含碳固体的燃烧装置(1)，包含一个氧化物还原反应器(2)，第一个旋流器(5)，一个回收装置(6)，一个氧化反应器(3)，第二个旋流器(4)，在其中流动被还原然后在两个反应器(2，3)的每个中氧化的氧化物。本发明特征在于燃料在被引入还原反应器(3)之前被磨碎。还原的固体燃料颗粒尺寸使得燃烧更完全更快，并且使得几乎100％的产物是飞灰，它可以从循环的氧化物中被分离。

Description

具有CO2回收的燃烧装置
技术领域
本发明涉及用于燃烧含碳固体材料以产生电力和/或蒸汽的燃烧装置。固体材料可以是诸如煤的矿物燃料，以及废物或农业废弃物，它们被注入到一个燃烧仓中，例如流化床燃烧仓。
背景技术
燃烧矿物燃料会产生少量的CO2和SO2气体排放。在燃烧仓中注入石灰石可以减少原位SO2的排放，但是这种SO2排放的减少伴随着除含碳材料燃烧产生的CO2之外的间接CO2产物。因为CO2是一种温室气体，它的排放必须被限制，强制捕获全部或部分CO2。
包含在燃烧废气中的CO2可以利用多种方法捕获并存储在燃烧装置的下游。首先，它可以通过溶剂洗涤来捕获，例如单乙醇胺，它可以选择性地溶解包含在废气中的CO2，随后溶剂通过涉及将蒸汽注入到第二个反应器中的加热流程提取CO2而再生，之后再生的溶剂被供给到废气洗涤反应器。然而，这种方法需要作为燃烧反应必需的惰性质并且包含在废气中的氮气处理，废气中的CO2体积含量通常占15％左右。这意味着CO2捕获装置必须按现有氮气的比例评估。此外，加热再生的缺点是必须要有大量的蒸汽，这又妨碍了电力和/或蒸汽生产装置的能效。
用回收的CO2置换包含在废气中的氮气惰性质，然后可以想象利用O2/CO2氧化剂实现燃烧。然而，氧气不得不由空气分离装置从空气中产生，并且低温系统要消耗大量的能量。
上述的方法是基于在大气压下燃烧和捕获CO2的，但是也有可能产生一种整合到电力生产循环中的装置，在压力下气化固体燃料，例如煤。在压力下的气化产生一种包含CO、H2、CO2和H2O的合成燃气。这些气化装置被连接到燃气涡轮，并且在这种情况下，压力下的CO2通过用压力下的溶剂洗涤而被回收，这对随后的CO2传输更有利，它必须在150巴的超临界液态下实现。气化反应使用由空气分离装置产生的加压氧气，这是昂贵的。除它的复杂性外，上述类型的装置有点不可靠，因为通常它的实用性仅仅为80％。
利用金属氧化物作为氧载体，实现完全CO2回收的气体燃烧(但不是固体材料)，在本领域也是熟知的。氧化物在两个反应器之间循环，在其中它可能在循环床反应器中与空气接触而被氧化也有可能与气体燃料接触而被还原。这种方法的优点是不需要分离空气，因为氧化物包含氧载体，但是它不能用于固体燃料。另外，这些装置必须在两个反应器之间完全密封，耗尽留在氧化反应器中的O2和从还原反应器泄露的CO2以不污染空气。然而，为了使用非常昂贵的气体燃料，它可以更经济地使用具有用来处理燃料气体的热回收装置的高效(60％)燃气涡轮，而不是使用低效的(45％)蒸汽涡轮锅炉。
最后，CO2可以利用钙的碳酸盐循环捕获，在此处碳酸盐在循环流化床接触反应器中的循环流化床装置下游形成，在第二个反应器中通过热输入被分解，并重新循环到反应器，在反应器中它们与包含CO2的燃料气体接触。以这种方式释放的CO2可以被回收存储。
不幸地，所有这些后燃烧CO2捕获技术的缺点是增加了一种到两种传统火电站的投资成本因素，且需要大的区域。
发明内容
本发明提供了一种可在大气压力下操作的用于燃烧含碳固体材料的燃烧装置，该装置整合有CO2捕获能力，不需要预先的空气分离，不需要重新循环CO2以替代燃烧气体中的氮气。由于它的简单和紧凑，这种系统降低了CO2捕获成本并产生了用于发电的蒸汽。
根据本发明，一种用于燃烧含碳固体材料的燃烧装置1包括一个氧化物还原反应器，第一个旋流器，一个用于重新获得燃料气体的交换器，一个氧化物氧化反应器，第二个旋流器，和一个用于控制循环氧化物温度的交换器，在其中循环被还原然后在两个反应器的每一个中氧化的氧化物，该装置的特征在于固体燃料在进入氧化物还原反应器之前是磨碎的。氧化物在第一次与燃料接触时被还原，燃料与氧化物释放的氧气反应，随后氧化物与空气接触而被氧化，空气再生氧化物。小尺寸的固体氧化物颗粒使得燃烧更完全和更快并产生几乎100％的飞灰。
根据另一个特征，该装置在单独的回路中从还原反应器中释放浓缩的CO2和从氧化反应器中释放燃气。燃烧的发生伴随产生的CO2流的分离并且不需要空气分离。
根据一个特定的特征，燃料是煤。煤包含易挥发的材料、水分、灰和固定碳。
根据另一个特征，煤在磨碎后的平均颗粒直径小于500μ。煤在被引入用于在高温(700℃到1150℃)下还原氧化物的反应器之后被分成碎块。这种煤的颗粒尺寸范围避免了要被提取的粗灰在还原反应器底部的积累，并且产生几乎是100％的飞灰。煤中易挥发的材料在煤被加热后非常快地释放，并与氧化物放出的氧气反应从而产生部分燃烧，随后固定碳继续燃烧。
根据另一个特征，还原反应器具有一个由蒸汽流化的循环流化床。固体燃料具有低的燃烧动力学，因此有必要使用一种循环流化床作为还原反应器以获得经由反应器内的固体内部重复循环和经由第一个旋流器的外部重复循环的较长处理时间的优势。
根据一个补充特征，床由CO2流化。除蒸汽之外，床由蒸汽和重复循环的CO2混合物流化。
根据一个特定的特征，从第一个旋流器提取的氧化物和含碳残渣混合物通过去除装置清洗含碳残渣。由氧化物和含碳残渣构成的固体床在还原反应器的底部被再次循环，床的一部分在循环床的虹吸管的底部被提取然后在一个专门用来去除含碳残渣的装置中清洗或清除。含碳残渣已经从中去除的氧化物被传输到氧化反应器利用高温用空气进行氧化。如果固体床被直接传输到氧化反应器，含碳残渣的燃烧将产生CO2，而且这将减少CO2的总体捕获，使反应器中的热交换不平衡，并导致氧化反应器的热交换器的过载。耗尽氧气的空气在交换器中冷却并随后在排放到大气之前去除尘土。
根据一个特定的特征，用于去除含碳残渣的装置仅由蒸汽流化。蒸汽在CO2冷却系统中被凝结。在这个装置中，通过利用氧化物和含碳残渣之间的颗粒尺寸和密度的差异，流化将氧化物从含碳残渣中分离出来。氧化物的颗粒尺寸范围从50μ到500μ，密度从2000kg/m3到7000kg/m3，而含碳残渣的颗粒尺寸范围从5μ到50μ，密度从500kg/m3到1500kg/m3。
根据一个特定的特征，含碳残渣被蒸汽带走并供给到氧化物还原第一反应器。由于流化，最细的和最轻的颗粒，也就是那些含碳残渣，被流化蒸汽带走并供给到还原反应器。在气化煤的过程中，蒸汽还有其他优点，这在本领域是公知的，即把供给到还原反应器的含碳残渣转化为CO。因此，流化蒸汽作为一种分离介质、传输介质和含碳残渣的转化器。
根据一个特定的特征，热交换器被安置在氧化反应器虹吸管底部出口之下的外床上。床的一部分被再次循环到氧化反应器的底部并到达流化床交换器，通过控制用于再次循环固体的进料阀的打开从而控制部分荷载的操作温度，这就因此在进入交换器之后冷却了所述固体。
根据一个特定的特征，氧化物和飞灰分离器被放置在用于富含CO2的废气的热交换器之后。在旋流器下游，来自还原反应器的燃气(CO2、H2O、SO2)和飞灰在热交换器中冷却之后通过灰尘提取器分离。通过颗粒之间的互相摩擦(磨损)和降级产生的细氧化物颗粒从飞灰中分离并被供给到氧化反应器。
根据另一个特征，氧化剂是金属氧化物。金属氧化物可以是基于铁、镍、矾土或它们的混合物。
根据另一个特征，金属氧化物是基于铁的。基于铁的金属氧化物是优选地，因为这是成本最小的金属氧化物。氧化剂可以采用FeO、Fe2O3或Fe3O4的形式。
附图说明
在阅读下述描述后，本发明将会被更好地理解，这些描述仅作为实例给出并涉及附图，其中：
图1是根据本发明的一种燃烧装置的总图，和
图2是一种含碳残渣分离器的详图。
具体实施方式
装置1包括一个氧化物还原反应器2，一个氧化物氧化反应器3，两个旋流器4、5，每个旋流器都专供一个反应器使用，和两个背笼6和7，包含着用于废气的交换器66和用于空气的交换器67，每个都专供其中一个反应器使用。
还原反应器2通过粉煤贮仓8供给燃料。煤是预先粗略磨碎的。
反应器2通过蒸汽和反复利用的CO2混合物被流化。当装置被开动时，床仅被蒸汽流化。
当在反应器2中还原后，包含CO2、SO2和蒸汽的氧化物进入旋流器5，在其中固体氧化物颗粒从飞灰、燃气中分离出来。
然后飞灰和燃气进入热交换器6。飞灰通过袋式过滤器62从燃气中分离。然后CO2、H2O和SO2的混合物经由一个抽气通风扇63供给到冷却冷凝回路64。该回路64从CO2中提取出水和残余的H2SO4，其中一些CO2随后进入反应器2。
颗粒直径小于50μm且密度大约为800kg/m3的飞灰在分离器60中从这些氧化物中分离并存储在一个灰烬贮仓61中，它们的颗粒尺寸范围从50μm到500μm，密度从2000kg/m3到7000kg/m3，同时氧化物进入贮仓9。分离是通过以下方式实现的，在流化床反应器60中用低温空气流化，其中所选的流化速度使飞灰流化并经由一个气动传输装置将它传输到贮仓61，并且氧化物沉淀出来在流化床反应器60的基底上被分离出来供给到贮仓9。
旋流器5中留下的包含氧化物和含碳残渣的固体进入虹吸管50，第一部分通过它被供给到反应器2，第二部分被供给到用来去除含碳残渣的装置51。虹吸管50由蒸汽52流化。
去除装置51由蒸汽52流化，它可分离出细和轻的颗粒，例如供给到反应器2的含碳残渣，更重更大的氧化物颗粒被供给到反应器3进行氧化。如图2所示，装置51包括一个内部导流板510，由于两个隔间511和512之间的流化固体515的深度，它在压力密闭的流化固体的通道上限定了两个隔间511和512。每个隔间511和512的流化通过两个蒸汽入口513和514独立控制，以获得所需的速度范围从而在第一个隔间511中分离氧化物和含碳残渣并将氧化物传输到第二个隔间512。第一个隔间511顶部的排气口将含碳残渣通过蒸汽传输到反应器2。
氧化反应器3装备有一个启动系统30，它被馈送燃料例如汽油、来自氧化物贮仓9的氧化物和通过风扇32和33导入的流化和氧化气体。系统30将所有反应器和固体循环回路加热到700℃以上的温度阈并启动全部的反应。加热的固体氧化物颗粒起反应并加热还原反应器2。
流化床由反应器3内的氧化物环流构成，反应器由外部的空气流化。在反应器3中氧化之后，氧化物和用尽的空气进入旋流器4，在其中固体氧化物颗粒从主要由N2和O2构成的气体中分离出来。
在反应器3中被加热的空气通过交换器7冷却。带来的氧化物通过一个袋式过滤器70从空气中分离并供给到贮仓9。抽气通风扇71随后经由烟道72将空气排放到大气中。
从旋流器4底部提取的固体氧化物颗粒进入虹吸管40，通过它第一部分被传输到反应器2的底部，第二部分被重复循环到反应器3的底部，第三部分被直接带到外床41，那里是一个由加压空气43流化的热交换器42，最后供给到反应器3。交换器42控制反应器3底部的温度，特别是在部分荷载的情况下。虹吸管40由压缩空气流化，压缩空气也供给到外床41。
反应器3中的氧化物可以经由贮仓9注满，用尽的氧化物回收在一个氧化物回收贮仓31中。注满氧化物也被证明可以补偿反应器2和3中磨损引起的损失，以及为材料传输和固体循环提供充足的氧化物。
回收贮仓34安置在反应器2之下用来周期性的提取粗灰颗粒和结块。
接下来描述各个反应的完整循环。
磨碎的燃料被注入反应器2，它包含一个高温(700℃到1150℃)氧化物循环床。在使用煤的情况下，平均颗粒直径小于500μ。燃料引入到所述的反应器2之后被分成碎块。燃料的颗粒尺寸范围避免了粗灰在反应器2底部的积累，需要提取的和产生的几乎100％是飞灰。因此，灰不会积累在通过旋流器5收集的更粗的氧化物的循环床中。
因为煤是一种具有低燃烧动力学的固体燃料，易挥发的材料成分占20％-60％，所以有必要使用一种循环流化床还原反应器，以在反应器2中实现通过反应器内的固体内部重复循环和经由旋流器5的外部重复循环延长处理时间。
易挥发的材料在接下来的燃料加热以及与氧化物放出的氧气的反应中非常快地释放，从而实现部分燃烧，固定碳的燃烧继续下去。
氧化物床的一部分从虹吸管50的底部提取以清洗没有转化成飞灰的含碳残渣，随后被供给到反应器3以被空气中的氧气氧化。用尽氧气的空气在交换器7中冷却，在它被排放到大气之前通过一个袋式过滤器70提取其中的灰尘。
含碳残渣不能被传输到反应器3，因为这会产生CO2的放热产物，它随后会被排放到大气中，并将因而减少整个CO2捕获且增加用于氧化反应器3的温度控制交换器的尺寸。
进入反应器3之后再生的氧化物被部分供给到反应器2以开始从反应器3到反应器2氧气传输的一个新循环。供给到反应器2的氧化物量通过一个固体流量控制阀(未示出)控制。
氧化物床的其他部分被供给到反应器3的底部并到达流化床交换器41，通过控制固体进料阀(未示出)的打开来控制部分荷载的操作温度。
燃烧系统包括用来代替用尽颗粒和在循环中损失颗粒的氧化物注满装置和用来更新氧化物的提取装置。
由于用尽的高温空气的无腐蚀性特点，热交换器7可以优选地与超临界蒸汽循环(＞600℃)共同运作。交换器66可以与超临界蒸汽的低温加热共同运作。
该装置也可以是受压的。

Claims (13)

1.一种用于在大气压力下操作的燃烧含碳固体材料的燃烧装置(1)，该装置包括一个还原反应器(2)，第一个旋流器(5)，一个交换器(6)，一个氧化反应器(3)，第二个旋流器(4)，和第二个交换器(7)，在其中循环被还原然后在两个反应器(2，3)的每个中氧化的氧化物，该装置的特征在于含碳固体燃料在进入还原反应器(2)之前是磨碎的。
2.一种根据权利要求1的燃烧装置(1)，其特征在于，该装置在单独的回路中从反应器(2)中释放浓缩的CO2和从反应器(3)中释放燃气。
3.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，燃料是煤。
4.一种根据前述权利要求的燃烧装置(1)，其特征在于，煤在磨碎后的平均颗粒直径小于500μ。
5.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，还原反应器(2)具有一个由蒸汽流化的循环流化床。
6.一种根据前述权利要求的燃烧装置(1)，其特征在于，床由重复利用的CO2流化。
7.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，从第一个旋流器(5)提取的氧化物和含碳残渣混合物通过专用的去除装置(51)来清除含碳残渣。
8.一种根据前述权利要求的燃烧装置(1)，其特征在于，去除装置(51)由蒸汽流化。
9.一种根据前述权利要求的燃烧装置(1)，其特征在于，含碳残渣被蒸汽带走并供给到反应器(2)。
10.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，流化床热交换器被安置在氧化反应器(3)的外床(41)。
11.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，氧化物和飞灰分离器(60)被放置在交换器(6)之后。
12.一种根据前述权利要求任何一项的燃烧装置(1)，其特征在于，氧化剂是金属氧化物。
13.一种根据前述权利要求的燃烧装置(1)，其特征在于，金属氧化物是基于铁的。
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