CN202382432U

CN202382432U - 化学链燃烧系统

Info

Publication number: CN202382432U
Application number: CN2011205006896U
Authority: CN
Inventors: 苏庆泉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-12-05

Abstract

本实用新型是关于一种化学链燃烧系统，包括重整反应器、第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器为并联设置，所述重整反应器通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器。该系统还包括依次连接的气水分离器、压缩机、冷却器和二氧化碳气液分离器。由于具有两个并联的化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的氧化还原反应，从而使整个系统可以连续供热。本系统还具有二氧化碳的压缩系统，从而可以使系统生成的二氧化碳变为液态便于回收和储运，从而实现整个系统二氧化碳的大幅度减排。

Description

化学链燃烧系统

技术领域

本实用新型涉及能源领域的燃烧技术，特别是涉及一种碳氢化合物的化学链燃烧系统。

背景技术

减少温室气体CO₂的排放量成为全世界关注的焦点，CO₂的减排可通过提高能源的转化和利用效率，提高可再生能源的使用比例(如风能、太阳能、地热能等)。但是，今后相当一段时间内，化石原料仍将是主要的使用能源，如果通过从常规燃烧的烟气中分离和捕集CO₂，会消耗大量的能量，系统整体的能量效率会很低。基于此种情况，化学链燃烧(chemical-looping combustion，CLC)技术具有先天性的捕集CO₂的功能，而且不需要额外的能量消耗，因而是实现原料高效洁净利用的一个新技术，具有广阔的发展前景。但目前的化学链燃烧系统多采用反应温度高达1000℃以上的循环流化床，高温下系统的密封性问题以及载氧体的烧结劣化与流动磨损比较严重。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，克服现有的化学链燃烧系统存在的缺陷，而提供一种新的化学链燃烧系统，所要解决的技术问题是通过增设重整反应器，首先将碳氢化合物转化为还原性极强的氢气和一氧化碳，从而大幅度降低化学链反应所需的工作温度，进而并联设置两个化学链燃烧反应器，实现连续供热，从而更加适于实用。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种化学链燃烧系统，包括重整反应器、第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器为并联设置，所述重整反应器通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，还包括依次连接的气水分离器、压缩机、冷却器和二氧化碳气液分离器，所述的第一化学链燃烧反应器通过第二阀门连接于该气水分离器，所述的第二化学链燃烧反应器通过第三阀门连接于该气水分离器。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，所述的第一化学链燃烧反应器与第二阀门之间设有换热器；所述的第二化学链燃烧反应器与第三阀门之间设有换热器；重整反应器与第一阀门之间设有换热器。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，还包括燃烧器，用于向重整反应器提供热量；所述的二氧化碳气液分离器通过管道连接于该燃烧器。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，所述的气水分离器通过管道连接于重整反应器，用于向重整反应器提供水和/或二氧化碳。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，还包括空气输入管道，该空气输入管道上设有第四阀门，该第四阀门分别连接于第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，用于将空气输送至第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，所述的第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为三向切换阀门或者是由两个或多个阀门组成的具有切换输送方向的阀门组。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，还包括氮气放空管道，分别连接于第二阀门和第三阀门。

进一步的，前述的化学链燃烧系统，所述的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器分别为内置有换热夹套的、装有载氧体的固定床反应器。

借由上述技术方案，本实用新型化学链燃烧系统至少具有下列优点：

本系统以天然气等碳氢化合物为原料，其先进行重整反应产生氢气和一氧化碳，而该重整反应的反应产物具有极强的还原性，所以载氧体的还原反应可以在300-500℃的较低温度下进行，从而避免载氧体的积碳和烧结，从而提高载氧体寿命。

本系统的化学链反应器为内置有换热夹套的固定床反应器，不仅可以避免载氧体的流化磨损，还可以消除载氧体的局部过热，从而提高载氧体寿命。

本系统具有两个并联的化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的还原反应，从而使整个系统可以连续供热。

本系统的化学链反应器可在加压下进行还原过程，所以当原料气体具有压力时无需减压而进行直接反应，因而可得到具有一定压力的还原反应产物气体，从而可有效减少二氧化碳压缩机的电耗。

本系统具有二氧化碳的压缩系统，从而可以使系统生成的二氧化碳转变为液态，从而实现整个系统碳排放的大幅度减少，同时副产有价值的液体二氧化碳产品。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型的化学链燃烧系统的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的化学链燃烧系统的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，是本实用新型提出的化学链燃烧系统，其包括重整反应器1、第一化学链燃烧反应器2、第二化学链燃烧反应器3、气水分离器4、压缩机5、冷却器6、二氧化碳气液分离器7和燃烧器8。所述的重整反应器1，用于原料天然气进行重整反应，其可以采用现有技术来实现。第一化学链燃烧反应器2和第二化学链燃烧反应器3，内装有载氧体，用于进行载氧体的还原反应或者载氧体的再生反应，较佳的采用内置有换热夹套201、301的固定床反应器，化学链反应热通过换热夹套提供给用户。所述的载氧体优选为氧化铜。所述的第一化学链燃烧反应器2和第二化学链燃烧反应器3为并联设置，所述的重整反应器1的出口物料在第一阀门21的调节下择一进入第一化学链燃烧反应器2或者第二化学链燃烧反应器3，也就是说在同一时刻，重整反应器的出口物料只进入一个化学链燃烧反应器。该重整反应器出口物料管线设有换热器11用于调节进入第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器的物料的温度。在第一化学链燃烧反应器2还连接有换热器12，该换热器12用于将第一化学链燃烧反应器的出口物料所携带的热量提供给用户。空气输入管道分别连接于所述的第一化学链燃烧反应器和所述的第二化学链燃烧反应器3，在该空气输入管道上设有第四阀门22，用于将空气择一输送给第一化学链燃烧反应器2或者第二化学链燃烧反应器3。在第二化学链燃烧反应器3还连接有换热器13，该换热器13用于将第二化学链燃烧反应器的出口物料所携带的热量提供给用户。所述换热器12的出口管道上设有第二阀门23，在该第二阀门23的调节下将该换热器出口物料输送至气水分离器4或者氮气放空管道25。所述换热器13的出口管道上设有第三阀门24，在该第三阀门24的调节下将该换热器13的出口物料输送至气水分离器4或者氮气放空管道25。所述气水分离器4，用于分离来自第一化学链燃烧反应器2或者第二化学链燃烧反应器3的含有二氧化碳和水的物料，在该气水分离器中形成液态水沉降在气水分离器底部。气水分离器底部的水通过管道以及输送泵9输送至重整反应器1中作为重整反应所需的重整剂。所述压缩机5连接于气水分离器4，用于压缩气水分离器4输出的气体，该气体中包含二氧化碳、未反应的天然气和氢气等。所述的冷却器6连接于所述的压缩机5，被压缩机5压缩后的气体温度升高，在冷却器6中进行换热和二氧化碳气液化，其热量用于提供给用户。二氧化碳气液分离器7连接于冷却器6，二氧化碳气液分离器中的不凝气(主要为天然气、氢气和二氧化碳气)通过管道送入燃烧器8中进行燃烧放热。所述的燃烧器8以燃料气和空气为原料进行燃烧，用于向重整反应器提供重整反应所需要的热量，其中一部分燃料其则是来自于二氧化碳气液分离器7的不凝气。上述实施例提出的化学链燃烧系统，其中的各个组成部件之间皆采用管道连接用于物料的输送。所述的第一阀门21、第四阀门22、第二阀门23和第三阀门24具有物料切换输送的功能，即只能将输入的物料输送至两个方向中的其中之一，其可以是三向切换阀门，也可以是由两个或多个阀门组成的阀门组，只要能够实现对物料输送方向的切换功能即可为被实用新型所使用。

在重整反应器1中进行的重整过程包括反应式(1)的CH₄(天然气)水蒸汽重整反应和反应式(2)的CO变换反应：

CH₄(g)+H₂O(g)→CO(g)+3H₂(g)ΔH₂₉₈ ⁰＝206kJmol^-1 (1)

CO(g)+H₂O(g)→CO₂(g)+H₂(g)ΔH₂₉₈ ⁰＝-41kJmol^-1 (2)

上述的第一化学链燃烧反应器2和第二化学链燃烧反应器3交替进行载氧体的还原反应，当其中一个化学链燃烧反应器进行载氧体还原反应时，另一个化学链燃烧反应器可以进行被还原后的载氧体的氧化反应。

载氧体的还原反应方程式如下：

H₂(g)+CuO(s)→Cu(s)+H₂O(g)ΔH_298°＝-86.6kJmol^-1 (3)

CO(g)+CuO(s)→Cu(s)+CO₂(g)ΔH_298°＝-127.8kJmol^-1 (4)

被还原后的载氧体的氧化反应方程式如下：

Cu(s)+1/2O₂(g)→CuO(s)ΔH_298°＝-155.2kJmol^-1 (5)

也就是说，当第一阀门21将重整反应器出口物料切换至第一化学链燃烧反应器2时，第四阀门22将空气切换至第二化学链燃烧反应器3，同时第二阀门23将第一化学链燃烧反应器出口物料切换至气水分离器4，第三阀门24将第二化学链燃烧反应器3的出口物料切换至氮气放空管道25。

而当第一阀门21将重整反应器出口物料切换至第二化学链燃烧反应器3时，第四阀门22将空气切换至第一化学链燃烧反应器2，同时第二阀门23将第二化学链燃烧反应器3出口物料切换至气水分离器4，第三阀门24将第一化学链燃烧反应器2的出口物料切换至氮气放空管道25。

由于本化学链燃烧系统具有两个化学链燃烧反应器，这两个反应器可以交替进行载氧体的氧化还原反应，因此可以连续向用户供热。且当一个化学链燃烧反应器进行载氧体还原反应时，另一个化学链燃烧反应器可以进行被还原后的载氧体的氧化反应，从而保证其可以再次进行还原反应。因此本系统具备连续供热的能力。由于使用固定床作为化学链燃烧反应器，载氧体在反应器内无需流动，所以可以避免载氧体磨损，提高载氧体的使用寿命。

另外，本系统还具有对二氧化碳进行压缩液化的功能，可以在二氧化碳气液分离器直接得到液态二氧化碳，从而使本系统的碳排放大幅度减少，更加有利于气候的改善，同时也可副产有价值的液体二氧化碳产品。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种化学链燃烧系统，其特征在于包括重整反应器、第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器为并联设置，所述重整反应器通过第一阀门连接于所述第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器。

2.根据权利要求1所述的化学链燃烧系统，其特征在于，还包括依次连接的气水分离器、压缩机、冷却器和二氧化碳气液分离器，所述的第一化学链燃烧反应器通过第二阀门连接于该气水分离器，所述的第二化学链燃烧反应器通过第三阀门连接于该气水分离器。

3.根据权利要求2所述的化学链燃烧系统，其特征在于，所述的第一化学链燃烧反应器与第二阀门之间设有换热器；所述的第二化学链燃烧反应器与第三阀门之间设有换热器；所述的重整反应器与第一阀门之间设有换热器。

4.根据权利要求2所述的化学链燃烧系统，其特征在于，还包括燃烧器，用于向重整反应器提供热量；所述的二氧化碳气液分离器通过管道连接于该燃烧器。

5.根据权利要求2所述的化学链燃烧系统，其特征在于，所述的气水分离器通过管道连接于重整反应器，用于向重整反应器提供水和/或二氧化碳。

6.根据权利要求2所述的化学链燃烧系统，其特征在于，还包括空气输入管道，该空气输入管道上设有第四阀门，该第四阀门分别连接于第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器，用于将空气输送至第一化学链燃烧反应器或者第二化学链燃烧反应器。

7.根据权利要求6所述的化学链燃烧系统，其特征在于，所述的第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为三向切换阀门或者是由两个或多个阀门组成的具有切换输送方向的阀门组。

8.根据权利要求7所述的化学链燃烧系统，其特征在于，还包括氮气放空管道，分别连接于第二阀门和第三阀门。

9.根据权利要求1-8任一项所述的化学链燃烧系统，其特征在于，所述的第一化学链燃烧反应器和第二化学链燃烧反应器分别为内置有换热夹套的固定床反应器。