CN203442802U - 一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于化学链燃烧技术领域，特别涉及一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置。本实用新型装置由空气反应器和多级燃料反应器组成；空气反应器和燃料反应器之间通过气固分离装置和返料装置连接；燃料反应器由多级反应器组成，固体燃料和水蒸气先在气化反应器里气化，然后和载氧体颗粒通过提升管进入主反应器；主反应器内设置多个角度可调节的挡板，一方面增加燃料和载氧体在反应器中的停留时间，另一方面加强主反应器内气流扰动，加剧反应进行，提高燃料转化率；被还原的载氧体通过返料装置送回空气反应器继续氧化再生，参与下一个循环。采用该装置，可以大大提高固体燃料的转化率，适合大规模的工业应用。

Description

一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置
技术领域
本实用新型属于化学链燃烧技术领域，特别涉及一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置。
背景技术
化学链燃烧(Chemical-Looping Combustion,CLC)技术是一种高效、经济、绿色的新型无焰燃烧技术，可以在不消耗额外的能量的情况下实现CO2分离和捕集。它借助于载氧体将空气反应器中的氧传递到燃料反应器，从而避免了燃料与空气的直接接触。在燃料反应器中生成高浓度的二氧化碳和水蒸气，仅需将水蒸气凝结便可以得到高浓度CO2。
反应器是化学链燃烧取得成功的关键。金属氧化物作为载氧体在两个反应器中循环，实现氧和能量的转移。一个性能优异的CLC反应器，需满足下述主要条件：(1)能够在燃料反应器与空气反应器间运载足够量的载氧体；(2)能避免两个反应器之间气体发生交换；(3)可为反应提供足够的反应时间。
目前，国内外大多采用的是基于串行流化床反应器的化学链燃烧系统。这种反应系统在气体燃料的化学链燃烧中具有较高的反应速率和较高的CO2捕捉效率，但对于固体燃料化学链燃烧，由于受结构设计和工作原理的限制，导致能量的传递和载氧体的利用效率较低，因此需要进一步改进和优化反应器结构。
实用新型内容
针对现有技术不足，本实用新型提供了一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，实现固体燃料直接化学链燃烧的高效、清洁应用。
一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，该装置中空气反应器、一级气固分离装置、一级返料装置、气化反应器、提升管、主燃料反应器、快速输送床、二级气固分离装置和二级返料装置通过管路顺次相连；所述气化反应器上分别设置进料装置和蒸汽喷入装置；所述提升管、主燃料反应器、快速输送床、进料装置、蒸汽喷入装置和气化反应器组成燃料反应器系统；所述空气反应器和二级返料装置之间通过返料管相连。
所述空气反应器为圆柱型流化床，在出口加装一个气固分离装置，烟气进入后面的热能利用装置，分离出来的载氧体进入燃料反应器系统。
所述空气反应器的底部分别设置布风板和风室。
所述一级返料装置为U型阀或L阀。
所述二级返料装置为U型阀或L阀。
所述燃料反应器系统横截面为方形。
所述气化反应器、主燃料反应器和快速输送床的底部分别设置布风板和风室。
所述气化反应器、主燃料反应器和快速输送床的布风板上分别设置排渣管，灰渣从排渣管排出。
所述主燃料反应器底部设置倾斜的布风板，所述布风板与水平方向的夹角为30°～60°，偏向快速输送床。
所述主燃料反应器内壁上设置多个相对交错的角度可调的挡板，所述挡板与水平方向的夹角为20°～60°。
所述气化反应器底部通入预热的CO2，从蒸汽喷入口喷入预热的水蒸汽，其路径类似于“W”型，同时从进料口输送入固体燃料，水蒸汽、固体燃料以及载氧体剧烈混合，发生反应。
所述气化反应器加入的固体燃料为煤或生物质。
所述主燃料反应器的反应产物经快速输送床送入二级气固分离装置，分离后得到的载氧体重新进入空气反应器，开始下一个循环。
本实用新型的有益效果为：
（1）采用燃料反应器三床设计方式，集燃料气化、燃烧、载氧体与煤灰分离于一体；
（2）主燃料反应器内布置可调节角度式挡板，可根据燃料的性质调节角度，以增加燃料与载氧体在反应器内的停留时间，并加强气流扰动，这些都将促使燃料进一步反应，提高固体燃料的转化效率；
（3）快速输送床使气流加速进入气固分离装置，飞灰和小颗粒物质随烟气进入受热面，分离下来的载氧体进入返料装置，然后送回空气反应器。大的灰渣从排渣孔排出。这种设计较好的解决了煤灰和载氧体分离问题。
附图说明
图1为本实用新型耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置结构示意图；
图中标号：1-空气反应器；2-一级气固分离装置；3-一级返料装置；4-提升管；5-主燃料反应器；6-快速输送床；7-二级气固分离装置；8-二级返料装置；9-返料管；10-进料装置；11-蒸汽喷入装置；12-气化反应器。
具体实施方式
本实用新型提供了一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
本实用新型的装置结构示意图如图1所示，该装置中空气反应器1、一级气固分离装置2、一级返料装置3、气化反应器12、提升管4、主燃料反应器5、快速输送床6、二级气固分离装置7和二级返料装置8通过管路顺次相连；所述气化反应器12上分别设置进料装置10和蒸汽喷入装置11；所述提升管4、主燃料反应器5、快速输送床6、进料装置10、蒸汽喷入装置11和气化反应器12组成燃料反应器系统；所述空气反应器1和二级返料装置8之间通过返料管9相连。
所述空气反应器1为圆柱型流化床。
所述空气反应器1的底部分别设置布风板和风室。
所述一级返料装置3为U型阀或L阀。
所述二级返料装置8为U型阀或L阀。
所述燃料反应器系统横截面为方形。
所述气化反应器12、主燃料反应器5和快速输送床6的底部分别设置布风板和风室。
所述气化反应器12、主燃料反应器5和快速输送床6的布风板上分别设置排渣管。
所述主燃料反应器5底部设置倾斜的布风板，所述布风板与水平方向的夹角为30°～60°，偏向快速输送床6。
所述主燃料反应器5内壁上设置多个相对交错的角度可调的挡板，所述挡板与水平方向的夹角为20°～60°。
所述空气反应器1的截面为圆形，下面设有布风板和排渣孔。燃料反应器系统的三个床均为方形，包括气化反应器12、主燃料反应器5和快速输送床6。从气化反应器12下部的布风板通入CO2，使载氧体和燃料保持流化状态，并从进料装置10输送固体燃料，从蒸气喷入装置11喷入水蒸气，固体燃料和水蒸气在气化反应器12内发生水煤气化反应，产生化学性质活泼的CO和H2混合气体，同时与进入气化反应器12的处于流化状态的载氧体发生初步的反应，大的灰渣掉到排渣管排出，反应后的混合物随气流经提升管4进入主燃料反应器5内，进行进一步反应。在提升管4和主燃料反应器5之间通过倾斜烟道连接，可减少流动阻力。当反应混合物进入主燃料反应器5后，载氧体、煤以及煤气化产物发生剧烈反应。由于主燃料反应器5内部设有可调角度的挡板，煤粉以及煤气化产物和载氧体颗粒的混合物会在主燃料反应器5内发生剧烈碰撞，有利于反应的完全进行。另外挡板会加剧主燃料反应器5内的气流扰动，进一步促进反应，提高燃料转化率。在主燃料反应器5底部布风板处设有排渣管，大的煤渣通过其排出。主燃料反应器5布风板倾斜布置，偏向快速输送床6，角度在30°～60°之间，以便混合物可以迅速进入快速输送床6。快速输送床6内气流速度较快，烟气以较快速度进入二级气固分离装置7，取得较好的气固分离效果。烟气以及粒径较小的飞灰从二级气固分离装置7的上部排出，进入下级受热面，固体进入二级返料装置8。分离出的固体经二级返料装置8和返料管9进入空气反应器1，被还原的载氧体在空气反应器重新被氧化，开始下一个循环。
实施例1
固体燃料选用褐煤，载氧体选用水热合成法制备的NiFe2O4。煤粉和水蒸气在气化反应器12内发生水煤气反应，生成CO和H2的混合气体，然后和进入的NiFe2O4发生反应。随后反应混合物随气流进入主燃料反应器5，发生剧烈的反应，NiFe2O4失去氧被还原，煤及煤气化产物得到氧被氧化。最后被还原的NiFe2O4进入空气反应器1，氧化再生，继续下一个循环。连续运行72h，褐煤的转化率为94.3%以上，载氧体的损耗约为3.8%，CO2的捕捉效率达到93.5%以上。
实施例2
选取粉碎的棉花杆作为固体燃料，CuO为载氧体，按照案例1的工艺进行化学链燃烧试验。连续运行72h，燃料转化率为94.6%以上，载氧体的损耗率为2.8%，CO2的捕捉效率为93.8%以上。
实施例3
选取褐煤为燃料，NiO为载氧体，按照案例1的工艺进行化学链燃烧试验。连续运行72h，褐煤的转化率为96.8%以上，载氧体的损耗率为3.1%，CO2的捕捉效率为95.7%以上。
实施例4
选取褐煤和稻壳的混合物为燃料，NiO为载氧体，按照案例1的工艺进行化学链燃烧试验。连续运行72h，褐煤的转化率为95.8%以上，载氧体的损耗率为2.1%，CO2的捕捉效率为95.3%以上。

Claims (10)

1.一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：该装置中空气反应器（1）、一级气固分离装置（2）、一级返料装置（3）、气化反应器（12）、提升管（4）、主燃料反应器（5）、快速输送床（6）、二级气固分离装置（7）和二级返料装置（8）通过管路顺次相连；所述气化反应器（12）上分别设置进料装置（10）和蒸汽喷入装置（11）；所述提升管（4）、主燃料反应器（5）、快速输送床（6）、进料装置（10）、蒸汽喷入装置（11）和气化反应器（12）组成燃料反应器系统；所述空气反应器（1）和二级返料装置（8）之间通过返料管（9）相连。
2.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述空气反应器（1）为圆柱型流化床。
3.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述空气反应器（1）的底部分别设置布风板和风室。
4.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述一级返料装置（3）为U型阀或L阀。
5.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述二级返料装置（8）为U型阀或L阀。
6.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述燃料反应器系统横截面为方形。
7.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述气化反应器（12）、主燃料反应器（5）和快速输送床（6）的底部分别设置布风板和风室。
8.根据权利要求7所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述气化反应器（12）、主燃料反应器（5）和快速输送床（6）的布风板上分别设置排渣管。
9.根据权利要求7所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述主燃料反应器（5）底部设置倾斜的布风板，所述布风板与水平方向的夹角为30°～60°，偏向快速输送床（6）。
10.根据权利要求1所述的一种耦合气化多床结构固体燃料化学链反应装置，其特征在于：所述主燃料反应器（5）内壁上设置多个相对交错的角度可调的挡板，所述挡板与水平方向的夹角为20°～60°。
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