CN203147747U - 一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，包括空气反应器，其顶部连接旋风分离器；旋风分离器的顶部设有排气口，底部连接设于燃料反应器内的氧气发生器的顶部；氧气发生器的底部连接溢流槽的顶部，氧气发生器与燃料加热器的气体进口连接，燃料加热器的气体出口通过压缩机连接燃料反应器的底部；燃料反应器的顶部设有出气口，底部设有加料口，加料口与燃料加热器的固体出口连接；溢流槽底部与空气反应器的底部连接；燃料反应器底部设有用于排灰的排渣口。本实用新型不仅实现了固体燃料和氧载体的彻底分离，还实现了固体燃料的加压、快速燃烧反应，同时还具有能够有效分离CO₂，减少温室气体排放的优点。

Description

一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用化学链燃烧的装置，尤其涉及一种使用固体燃料并使其发生加压快速燃烧反应的化学链燃烧装置。

背景技术

温室气体排放带来的全球变暖问题正在引起人们的重视。CO₂作为最主要的温室气体，研究CO₂减排技术迫在眉睫。烟气中的CO₂常常被大量氮气稀释，CO₂的分离与回收成本很高。在燃烧过程中生成高浓度的CO₂或便于CO₂分离的气相混合物，同时消除其它污染物的生成、排放是一条有效途径。化学链燃烧(Chemical-Looping Combustion，简称CLC)正是具有上述特性的一种新型燃烧方式，已经受到了较多的关注。化学链燃烧技术于1983年首次由Ritcher等提出，基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧体的作用分解为2个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料中。化学链燃烧方式把直接燃烧分解为两步反应的间接燃烧，实现了能量的递级利用，提高了能源利用率。燃料反应器中生成的CO₂避免了与过量空气或氮气的混合，能够保证相当高的浓度。燃料反应器中的主要气体成分为CO₂和H₂O，分离CO₂只需要将H₂O进行冷凝、去除，不需要能量的消耗与分离装置的布置。在燃烧过程中，空气与燃料分别经过2个不同的反应器，避免了燃料型NO_X的产生。与常规燃烧温度相比，燃烧反应器和空气燃料反应器运行温度较低，有效控制了热力型NO_X的产生。因此，化学链燃烧方式是一种非常具有前途的固体燃料处理方式和CO₂捕集技术，并且已经成为当前研究热点之一。

在传统的化学链燃烧方法中，通常将从空气反应器中的氧载体直接进入燃料反应器与固体燃料进行混合并发生反应。但是，如果将氧载体与固体燃料直接接触混合，在燃烧过程中，固体燃料中的灰分与氧载体难以分离。这些灰分可直接附着于氧载体表面，导致氧载体的活性下降，严重时发生失活现象。同时，氧载体与灰分的难以分离必然导致在排渣时会排出部分氧载体，导致氧载体不必要的损失，增加了运行成本。

发明内容

本实用新型所要解决的是现有化学链燃烧装置，氧载体与灰分的难以分离必然导致在排渣时会排出部分氧载体的问题。

本实用新型提供了一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，包括空气反应器，空气反应器的底部外接空气，顶部连接旋风分离器；旋风分离器的顶部设有排气口，底部连接设于燃料反应器内的氧气发生器的顶部；氧气发生器的底部连接溢流槽的顶部，氧气发生器与位于燃料反应器外部的燃料加热器的气体进口连接，燃料加热器的气体出口通过压缩机连接燃料反应器的底部；燃料反应器的顶部设有用于排放CO₂与水蒸气的出气口，底部设有用于加入固体燃料的加料口，加料口与燃料加热器的固体出口连接；加热器的固体进口连接固体燃料；溢流槽底部连接倾斜下降管，倾斜下降管与空气反应器的底部连接，溢流槽底部外接水蒸气；燃料反应器底部设有用于排灰的排渣口。

本实用新型属于化学链燃烧技术，具有化学链燃烧的普遍优点。燃料通过化学链燃烧的方式来处理，在整个循环过程中自然地实现了CO₂与空气的分离，并且不需要额外的从空气中分离氧气的能耗。这一点与近年发展起来的富氧燃烧技术相比，节省了空分设备和纯氧制备过程中所需的大量能耗，直接大幅度提高了系统的效率。同时，在化学链循环、燃烧过程中，由于传热温差低，系统的火用损失，使系统能量的使用效率进一步提高。

氧载体为可释放氧分子的氧载体，低价态的氧载体从溢流槽流出后，通过倾斜下降管进入空气反应器；空气从空气反应器底部通入，与低价态的氧载体充分混合、反应，低价态的氧载体被空气中的氧气氧化，形成高价态的氧载体；高价态的氧载体被气体提升至旋风分离器处，经过旋风分离器的分离，含有微量氧气的空气从旋风分离器上部出口流出，高价态的氧载体通过旋风分离器下部的下料管进入氧气发生器；氧气发生器中的高价态的氧载体经氧气发生器外部的燃烧放热反应加热，释放出氧气(即O₂分子)，同时高价态的氧载体转变为低价态的氧载体；低价态氧载体从氧气发生器下部的管道流出，经过溢流槽重新回到空气反应器中，并被空气氧化，重新生成高价态的氧载体，实现了氧载体的循环利用。溢流槽的底部通入水蒸气保证氧载体的输送。在氧气发生器中生成的氧气通过管路先引出燃料反应器，然后引入燃料加热器中进行换热，将氧气的部分热量以非混合方式加热燃料，再将燃料加热器出口的氧气引到压缩机内进行加压，并引到燃料反应器下端通入燃料反应器；除氧气外，燃料反应器下端还通入水蒸气，水蒸气和氧气一起从燃料反应器下端通入燃料反应器，通入方式可以为先混合再通入，也可以为水蒸气和氧气均从各自的喷口通入；燃料加热器出口氧气的温度在200～350℃范围内；经加压的氧气和水蒸气压力相近，且在0.1～0.5MPa范围内；固体燃料通过螺旋给料器连续加入到燃料反应器中；固体燃料在燃料反应器中处于鼓泡流化状态；从燃料反应器底部进入的水蒸气压力与氧气大致相同；固体燃料首先热解生成焦炭，焦炭与周围的水蒸气发生气化反应，生成以H₂和CO为主的可燃合成气，合成气以及未气化的固体燃料与氧气发生燃烧反应并释放出热量，该热量维持燃料反应器的反应温度、固体燃料气化所需的热量以及氧气发生器生成氧气所需的热量；固体燃料燃烧与气化过程所产生的灰从燃料反应器底部的排渣口排出；燃料反应器产生的CO₂和水蒸气从燃料反应器上部的出口排出，经冷凝将其中的水分离后，得到纯度很高的CO₂，从而实现CO₂的分离与捕捉；空气反应器和燃料反应器的温度均控制在900～1100℃。

本实用新型中，高价氧载体在受热的情况下释放出氧气，变为低价氧载体。低价氧载体不与固体燃料接触，而是流经溢流槽重新回到空气反应器中。释放出的氧气与水蒸气混合后从底部通入燃料反应器。这从根本上避免了氧载体与固体燃料的接触，从而避免了氧载体失活以及排渣造成的氧载体损失。

氧气经氧气发生器上部管道穿出燃料反应器，并与水蒸气按一定规律间隔布置从燃料反应器底部通入燃料反应器，并使其中的固体燃料处于鼓泡流化状态。这使得固体燃料能够与氧气和水蒸气进行充分混合，使氧气和水蒸气在进入燃料反应器时能够同时快速进行燃烧和气化反应。由于进入反应器时气体与固体燃料混合充分，能大大加快固体燃料燃烧反应和气化反应的速度，从而提高了固体燃料转化为CO₂和水蒸气的反应速度和转化程度，减缓了空气反应器和燃料反应器在反应速度上存在数量级差异而导致的反应速度匹配问题。将氧气和水蒸气经过压缩机加压后通入燃料反应器，保证了燃料在燃料反应器内进行加压燃烧和气化反应，进一步大幅减缓了空气反应器和燃料反应器在反应速度上存在数量级差异而导致的反应速度匹配问题。氧气发生器中的氧气经管道引出燃料反应器后，将氧气的部分热量以非混合方式加热燃料，不仅能将部分热量转移到燃料中，增加燃料的干度和改善着火条件，同时还将氧气的温度降至压缩机工作范围内，为形成高压氧气提供有利条件。

在本实用新型中，只有燃料反应器为加压反应器，与普通意义下的空气反应器和燃料反应器均在加压条件下工作的全加压反应器相比，降低了设计要求，节约了大部分的制造成本。

本实用新型不仅实现了固体燃料和氧载体的彻底分离，还实现了固体燃料的加压、快速燃烧反应，同时还具有能够有效分离CO₂，减少温室气体排放的优点。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置的示意图。

图中：

1-空气反应器；    2-旋风分离器；    3-燃料反应器；

4-氧气发生器；    5-固体燃料；      6-溢流槽；

7-燃料加热器；    8-压缩机；        9-倾斜下降管；

A-空气；          B-水蒸气；        C-加压水蒸气；

D-排渣口；        E-加压氧气；      F-出气口；

G-排气口。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1所示，为本实用新型提供的一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置的示意图，包括空气反应器1，空气反应器1的底部外接空气A，顶部连接旋风分离器2。旋风分离器2的顶部设有排气口G，底部连接设于燃料反应器3内的氧气发生器4的顶部。氧气发生器4的底部连接溢流槽6的顶部，氧气发生器4与位于燃料反应器3外部的燃料加热器7的气体进口连接，燃料加热器7的气体出口通过压缩机8连接燃料反应器3的底部。气体通过压缩机8进入燃料反应器7的方式可以是直接进入，也可以与加压水蒸气C混合后再进入。燃料反应器3的顶部设有用于排放CO₂与水蒸气的出气口F，底部设有用于加入固体燃料的加料口，加料口与燃料加热器7的固体出口连接。加热器7的固体进口连接固体燃料5。溢流槽6底部连接倾斜下降管9，倾斜下降管9与空气反应器1的底部连接，溢流槽6底部外接水蒸气B。燃料反应器3底部设有用于排灰的排渣口D。

在溢流槽6中加入氧载体Cu₂O，Cu₂O从溢流槽6流出后，通过倾斜下降管9进入空气反应器1；空气A从空气反应器1底部通入，与Cu₂O充分混合、反应，Cu₂O被空气A中的氧气氧化，形成CuO；CuO被气体提升至旋风分离器2处，经过旋风分离器2的分离，含有微量氧气的空气从旋风分离器上部排气口G流出，CuO通过旋风分离器2下部的下料管进入氧气发生器4；氧气发生器4中的CuO经氧气发生器4外部的燃烧放热反应加热，释放出氧气(即O₂分子)，同时CuO体转变为Cu₂O；Cu₂O从氧气发生器4下部的管道流出，经过溢流槽6重新回到空气反应器1中，并被空气A氧化，重新生成CuO，实现了氧载体的循环利用。

溢流槽6的底部通入水蒸气B，保证Cu₂O的输送。在氧气发生器4中生成的加压氧气E通过管路先引出燃料反应器3，依次经过燃料加热器7和压缩机8，最后在燃料反应器3下端通入燃料反应器3；燃料加热器7出口氧气的温度为300℃；经加压的氧气压力为0.5MPa；固体燃料5通过螺旋给料器将燃料加入到燃料加料器7加热并进入燃料反应器3中，燃料反应器3下端通入加压水蒸气C和加压氧气E，加压水蒸气C和加压氧气E的喷口在燃料反应器底部等距间隔布置；从燃料反应器3底部进入的水蒸气压力与氧气大致相同；固体燃料5在燃料反应器3中处于鼓泡流化状态；固体燃料5首先热解生成焦炭，焦炭与周围的水蒸气发生气化反应，生成以H₂和CO为主的可燃合成气，合成气以及未气化的固体燃料5与加压氧气E发生燃烧反应并释放出热量，该热量维持燃料反应器3的的反应温度、固体燃料5气化所需的热量以及氧气发生器4生成加压氧气E所需的热量；固体燃料5燃烧与气化过程所产生的灰从燃料反应器底部的排渣口D排出；燃料反应器3产生的CO₂和水蒸气从燃料反应器3上部的出气口F排出，经冷凝将其中的水分离后，得到纯度很高的CO₂，从而实现CO₂的分离与捕捉；空气反应器1、氧气发生器4和燃料反应器3的温度均控制在900-1100℃。

Claims (1)

1.一种固体燃料半加压循环流化床化学链燃烧装置，其特征在于，包括空气反应器(1)，空气反应器(1)的底部外接空气(A)，顶部连接旋风分离器(2)；旋风分离器(2)的顶部设有排气口(G)，底部连接设于燃料反应器(3)内的氧气发生器(4)的顶部；氧气发生器(4)的底部连接溢流槽(6)的顶部，氧气发生器(4)与位于燃料反应器(3)外部的燃料加热器(7)的气体进口连接，燃料加热器(7)的气体出口通过压缩机(8)连接燃料反应器(3)的底部；燃料反应器(3)的顶部设有用于排放CO₂与水蒸气的出气口(F)，底部设有用于加入固体燃料的加料口，加料口与燃料加热器(7)的固体出口连接；加热器(7)的固体进口连接固体燃料(5)；溢流槽(6)底部连接倾斜下降管(9)，倾斜下降管(9)与空气反应器(1)的底部连接，溢流槽(6)底部外接水蒸气(B)；燃料反应器(3)底部设有用于排灰的排渣口(D)。

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