PL232612B1

PL232612B1 - Combustion chamber of a fluidized-bed duo-reactor with oxygen carriers of CLOU type for burning of solid fuels

Info

Publication number: PL232612B1
Application number: PL420977A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Czakiert; Kamil Idziak; Anna Żyłka; Jarosław Krzywański; Krzysztof Kulicki; Sylwia Jankowska; Wojciech Nowak
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2019-07-31
Also published as: PL420977A1

Abstract

Komora paleniskowa duo-reaktora ma dysze (1) do wprowadzania gazu fluidyzującego oraz kanały (2) do odprowadzania popiołu dennego, umieszczone w dnie (3) komory. Ściany boczne (4) komory paleniskowej mają kanały (5) do wprowadzania paliwa, natomiast strop (6) komory ma kanał (7) do odprowadzania gazów spalinowych. Wewnątrz centralnej części komory paleniskowej umieszczony jest co najmniej jeden transportowy kanał (8) dla stałych nośników tlenu typu CLOU, pełniący funkcję dystrybutora tlenu.The combustion chamber of the duo-reactor has nozzles (1) for introducing fluidizing gas and channels (2) for removing bottom ash, located at the bottom (3) of the chamber. The side walls (4) of the combustion chamber have channels (5) for introducing fuel, while the ceiling (6) of the chamber has a channel (7) for removing exhaust gases. Inside the central part of the combustion chamber, there is at least one transport channel (8) for CLOU type solid oxygen carriers, which serves as an oxygen distributor.

Description

Przedmiotem wynalazku jest komora paleniskowa duo-reaktora fluidalnego z nośnikami tlenu typu CLOU (to jest pętla chemiczna z uwalnianym tlenem, ang. Chemical Looping with Oxygen Uncoupling) dla spalania paliw stałych do stosowania w branży energetycznej.The subject of the invention is the combustion chamber of a fluidized bed duo reactor with CLOU type oxygen carriers (i.e. Chemical Looping with Oxygen Uncoupling) for the combustion of solid fuels for use in the energy industry.

Produkcja energii elektrycznej i ciepła w procesach spalania paliw stałych powoduje powstawanie istotnych ilości zanieczyszczeń gazowych, w tym CO2, emitowanych do atmosfery. Głębokie ograniczenie emisji gazów spalinowych możliwe jest jedynie poprzez wychwyt CO2. Spalanie paliw stałych może być realizowane w układach ze złożem fluidalnym, co znacząco przyczynia się do emisji CO2.The production of electricity and heat in the combustion of solid fuels produces significant amounts of gaseous pollutants, including CO2, emitted into the atmosphere. A deep reduction in exhaust gas emissions is only possible through CO2 capture. Combustion of solid fuels can be carried out in fluidized bed systems, which significantly contributes to CO2 emissions.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 175242 reaktor ze złożem fluidalnym, z szybkim czy też obiegowym procesem fluidyzacji, używany w wielu różnych procesach spalania, wymiany ciepła, procesach chemicznych czy też metalurgicznych. Składnikami złoża fluidalnego reaktora są paliwa takie jak: węgiel, koks, lignit, drewno, wióry czy torf oraz inne odpowiednie materiały takie jak piasek, popiół, związki pochłaniające siarkę, katalizatory czy tlenki metali. W reaktorach ze złożem obiegowym istnieje wewnętrzny obieg materiału stałego wewnątrz komory spalania. Materiał, z którego składa się złoże, jest w ciągłym turbulentnym ruchu do góry i na dół. Cząstki znacznie łatwiej poruszają się w komorze do góry. Obszar gromadzący skupione cząstki i większe obiekty jest utworzony w dolnej części komory spalania. Większe obiekty, w obszarze gromadzącym zwarte cząstki, mogą mieć negatywny wpływ na wymianę ciepła w dolnej części komory spalania, w związku z obniżeniem efektywności przypływu ciepła i z tendencjami do zatykania przestrzeni pomiędzy powierzchniami wymieniającymi ciepło.Known from the Polish patent description PL 175242 is a fluidized bed reactor with a fast or circulating fluidization process, used in many different combustion, heat exchange, chemical and metallurgical processes. The components of the fluidized bed reactor are fuels such as coal, coke, lignite, wood, chips or peat and other appropriate materials such as sand, ash, sulfur-absorbing compounds, catalysts or metal oxides. In circulating bed reactors, there is an internal circulation of solid material inside the combustion chamber. The material that composes the bed is in constant turbulent movement up and down. Particles move upwards much more easily in the chamber. An area collecting concentrated particles and larger objects is created in the lower part of the combustion chamber. Larger objects, in the area accumulating compact particles, may have a negative impact on the heat transfer in the lower part of the combustion chamber due to the reduced efficiency of the heat flow and the tendency to clog the space between the heat exchange surfaces.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 194339 kocioł ze złożem fluidalnym, którego komora spalania zawiera wewnętrzną sekcję o prostokątnym przekroju poprzecznym, zdefiniowaną przez cztery ściany boczne, dno oraz strop, w której to wewnętrznej sekcji materiał złoża zawierający przynajmniej paliwo stałe jest poddawany fluidyzacji za pomocą gazu fluidyzacyjnego wprowadzanego poprzez dno, głównie za pomocą powietrza wykorzystywanego do przeprowadzania egzotermicznej reakcji chemicznej w kotle. Ściany boczne komory spalania są typowo wyposażone w kanały wprowadzające paliwo oraz powietrze wtórne.A boiler with a fluidized bed is known from the Polish patent description PL 194339, the combustion chamber of which contains an internal section with a rectangular cross-section, defined by four side walls, a bottom and a ceiling, in which internal section the bed material containing at least solid fuel is fluidized by means of fluidizing gas introduced through the bottom, mainly by means of air used to carry out an exothermic chemical reaction in the boiler. The side walls of the combustion chamber are typically equipped with channels introducing fuel and secondary air.

Celem rozwiązania według wynalazku jest zaprojektowanie takiej konstrukcji komory paleniskowej duo-reaktora fluidalnego z cyrkulującymi stałymi nośnikami tlenu typu CLOU, która umożliwi znaczące ograniczenie emisji CO2 podczas spalania paliw stałych, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów eksploatacyjnych takiego reaktora.The purpose of the solution according to the invention is to design such a structure of the combustion chamber of a fluidized bed duo reactor with circulating solid CLOU-type oxygen carriers that will enable a significant reduction in CO2 emissions during the combustion of solid fuels, while reducing the operating costs of such a reactor.

Istotą komory paleniskowej duo-reaktora fluidalnego z nośnikami tlenu typu CLOU dla spalania paliw stałych o prostokątnym przekroju poprzecznym, która zaopatrzona jest w dysze do wprowadzania gazu fluidyzującego oraz kanały do odprowadzania popiołu dennego, umieszczone w dnie komory, jak również zaopatrzona jest w kanały do wprowadzania paliwa znajdujące się w ścianach bocznych oraz kanał do odprowadzania gazów spalinowych znajdujący się w stropie komory jest to, że wewnątrz centralnej części komory paleniskowej znajduje się co najmniej jeden transportowy kanał dla stałych nośników tlenu typu CLOU, pełniący funkcję dystrybutora tlenu. Górny koniec transportowego kanału zamocowany jest w stropie komory paleniskowej, a dolny jego koniec zamocowany jest w dolnej części ściany bocznej. Pochyły odcinek transportowego kanału zaopatrzony jest w otwory wylotowe, którymi tlen uwolniony ze stałych nośników typu CLOU dostarczany jest do komory paleniskowej.The essence of the combustion chamber of the fluidized bed duo reactor with CLOU type oxygen carriers for the combustion of solid fuels with a rectangular cross-section, which is equipped with nozzles for introducing fluidizing gas and channels for removing bottom ash, located at the bottom of the chamber, and is also equipped with channels for introducing fuel located in the side walls and a channel for exhaust gases located in the ceiling of the chamber is that inside the central part of the combustion chamber there is at least one transport channel for solid oxygen carriers of the CLOU type, acting as an oxygen distributor. The upper end of the transport channel is mounted in the ceiling of the combustion chamber, and its lower end is mounted in the lower part of the side wall. The inclined section of the transport channel is equipped with outlet holes through which oxygen released from solid CLOU carriers is supplied to the combustion chamber.

Konstrukcja komory paleniskowej według wynalazku, poprzez zastosowanie transportowego kanału, jako dystrybutora tlenu, umożliwia przemieszczanie się w nim stałych nośników tlenu typu CLOU, bez ich bezpośredniego kontaktu z paliwem oraz popiołem powstającym w procesie spalania. Zapobiega to przedostawaniu się niedopalonego paliwa oraz popiołu z komory paleniskowej do komory regeneracyjnej. Niekorzystne zjawisko dopalania paliwa w komorze regeneracyjnej powoduje bowiem, że tlen przewidziany do natleniania nośników zużywany jest w reakcji spalania, jak również, że dwutlenek węgla powstający w wyniku tej reakcji nie podlega wychwytowi i jest odprowadzany do atmosfery. Z kolei, obecność popiołu w komorze regeneracyjnej powoduje wzrost oporów przepływu powietrza przez tą komorę. Konieczność doprowadzenia większej ilości powietrza oraz podniesienie jego sprężu zwiększa bezpośrednio potrzeby własne reaktora, a tym samym jego koszty eksploatacyjne i pośrednio emisję CO2. Przedstawione rozwiązanie zapobiega również wywiewaniu nośników tlenu z komory paleniskowej do ciągu spalinowego oraz usuwaniu nośników układem odprowadzania popiołu dennego. To z kolei, znacząco ogranicza konieczność bieżącego uzupełniania ubytków nośnika w reaktorze, co przekłada się na koszty użytkowania instalacji.The design of the combustion chamber according to the invention, through the use of a transport channel as an oxygen distributor, enables the movement of CLOU-type solid oxygen carriers within it, without their direct contact with the fuel and ash generated in the combustion process. This prevents unburnt fuel and ash from entering the regeneration chamber. The unfavorable phenomenon of afterburning the fuel in the regeneration chamber causes the oxygen intended for the oxidation of carriers to be consumed in the combustion reaction, as well as the fact that the carbon dioxide generated as a result of this reaction is not captured and is released into the atmosphere. In turn, the presence of ash in the regeneration chamber increases the air flow resistance through this chamber. The need to supply more air and increase its pressure directly increases the reactor's own needs, and thus its operating costs and indirectly increases CO2 emissions. The presented solution also prevents oxygen carriers from being blown out of the combustion chamber into the combustion flow and removing the carriers through the bottom ash removal system. This, in turn, significantly reduces the need for ongoing replenishment of carrier losses in the reactor, which translates into the costs of using the installation.

PL 232 612 B1PL 232 612 B1

Rozwiązanie według wynalazku zastosowane w układzie fluidalnego duo-reaktora do spalania paliw stałych z użyciem stałych nośników tlenu typu CLOU umożliwia osiągnięcie wysokiego stężenia CO2 w gazach spalinowych podczas spalania paliw stałych, bez potrzeby stosowania w tym celu energochłonnych układów separacji tlenu z powietrza. Z kolei, wysokie stężenie CO2 w spalinach ułatwia i obniża koszty wychwytu CO2, przyczyniając się do ograniczenia emisji tego związku do atmosfery.The solution according to the invention used in the fluidized bed duo-reactor system for burning solid fuels using CLOU-type solid oxygen carriers makes it possible to achieve a high concentration of CO2 in exhaust gases during the combustion of solid fuels, without the need to use energy-intensive oxygen separation systems from the air. In turn, the high concentration of CO2 in exhaust gases facilitates and reduces the costs of CO2 capture, contributing to the reduction of emissions of this compound into the atmosphere.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie komorę paleniskową w przekroju podłużnym, a fig. 2 przykład układu do spalania paliw stałych z udziałem komory paleniskowej według wynalazku.The subject of the invention is shown in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic view of the combustion chamber in a longitudinal section, and Fig. 2 shows an example of a system for burning solid fuels using a combustion chamber according to the invention.

Komora paleniskowa 30 duo-reaktora o prostokątnym przekroju poprzecznym ma dysze 1 do wprowadzania gazu fluidyzującego oraz kanały 2 do odprowadzania popiołu dennego, umieszczone w dnie 3 komory paleniskowej 30. Ściany boczne 4 komory paleniskowej 30 wyposażone są w kanały 5 do wprowadzania paliwa, natomiast strop 6 komory paleniskowej 30 wyposażony jest w kanał 7 do odprowadzania gazów spalinowych. Wewnątrz centralnej części komory paleniskowej 30 umieszczony jest co najmniej jeden transportowy kanał 8 dla stałych nośników tlenu typu CLOU, pełniący funkcję dystrybutora tlenu. Górny koniec transportowego kanału 8 zamocowany jest w stropie 6 komory paleniskowej 30, a dolny jego koniec zamocowany jest w dolnej części ściany bocznej 4. Pochyły odcinek transportowego kanału 8 zaopatrzony jest w otwory wylotowe 9 dla tlenu uwolnionego z przemieszczających się w nim stałych nośników typu CLOU.The combustion chamber 30 of the duo-reactor with a rectangular cross-section has nozzles 1 for introducing fluidizing gas and channels 2 for removing bottom ash, located in the bottom 3 of the combustion chamber 30. The side walls 4 of the combustion chamber 30 are equipped with channels 5 for introducing fuel, while the ceiling 6 of the combustion chamber 30 is equipped with a channel 7 for discharging exhaust gases. Inside the central part of the combustion chamber 30, there is at least one transport channel 8 for CLOU-type solid oxygen carriers, which serves as an oxygen distributor. The upper end of the transport channel 8 is mounted in the ceiling 6 of the combustion chamber 30, and its lower end is mounted in the lower part of the side wall 4. The inclined section of the transport channel 8 is equipped with outlet holes 9 for oxygen released from solid CLOU carriers moving in it. .

Na fig. 2 pokazano schemat ideowy układu z duo-reaktorem fluidalnym, w którym zastosowana jest komora paleniskowa do spalania paliw stałych z wykorzystaniem stałych nośników tlenu typu CLOU.Fig. 2 shows a schematic diagram of a system with a fluidized bed duo-reactor in which a combustion chamber is used for burning solid fuels using CLOU-type solid oxygen carriers.

Powietrze zubożone w tlen oraz utlenione stałe nośniki tlenu typu CLOU opuszczające komorę regeneracyjną 10 kierowane są do układu nawrotu 20, którym stałe nośniki tlenu OC (ang. oxygen carrier) doprowadzane są do komory paleniskowej 30 celem oddania tlenu do procesu spalania, skąd zredukowane stałe nośniki tlenu zawracane są do komory regeneracyjnej 10; natomiast powietrze zubożone w tlen z układu nawrotu 20 odprowadzane jest do atmosfery, a spaliny z komory paleniskowej 30, charakteryzujące się stężeniem CO2 powyżej 90%, kierowane są do urządzenia odpylającego 50, którego wylot spalin 60 połączony jest z wlotem gazu fluidyzującego 70 komory paleniskowej 30 i jednocześnie z zespołem wychwytu CO2 80, gdzie uzyskiwany jest dwutlenek węgla o wysokiej czystości do 99,99%. Komora regeneracyjna 10 posiada wlot powietrza A doprowadzanego z otoczenia, a urządzenie odpylające 50 posiada odprowadzenie popiołu lotnego FA, natomiast komora paleniskowa 30 posiada wlot paliwa stałego F i odprowadzenie popiołu dennego BA oraz co najmniej jeden wewnętrzny perforowany transportowy kanał 8 stanowiący dystrybutor tlenu, którymi transportowane są stałe nośniki tlenu i gdzie dochodzi do ich redukcji.Air depleted in oxygen and oxidized solid oxygen carriers of the CLOU type leaving the regeneration chamber 10 are directed to the return system 20, through which solid oxygen carriers OC (oxygen carrier) are fed to the combustion chamber 30 in order to release oxygen to the combustion process, from where the reduced solid carriers oxygen are returned to the regeneration chamber 10; while the oxygen-depleted air from the reversing system 20 is discharged into the atmosphere, and the exhaust gases from the combustion chamber 30, characterized by a CO2 concentration above 90%, are directed to the dust removal device 50, whose exhaust gas outlet 60 is connected to the fluidizing gas inlet 70 of the combustion chamber 30 and simultaneously with the CO2 capture unit 80, where carbon dioxide with high purity up to 99.99% is obtained. The regeneration chamber 10 has an air inlet A supplied from the environment, and the dust removal device 50 has a fly ash discharge FA, while the combustion chamber 30 has a solid fuel inlet F and a bottom ash discharge BA, as well as at least one internal perforated transport channel 8 constituting an oxygen distributor, through which the transported are solid oxygen carriers and where their reduction takes place.

Zastrzeżenie patentowePatent claim

Claims

1. The combustion chamber of a fluidized bed duo reactor with CLOU type oxygen carriers for the combustion of solid fuels with a rectangular cross-section, equipped with nozzles for introducing fluidizing gas and channels for removing bottom ash, located at the bottom of the chamber, as well as equipped with channels for introducing fuel located in the side walls and a channel for discharging exhaust gases located in the ceiling of the chamber, characterized in that inside the central part of the combustion chamber /30/ there is at least one transport channel /8/ for CLOU-type solid oxygen carriers, the upper end of which is mounted in the ceiling /6/ of the combustion chamber /30/, and its lower end is mounted in the lower part of the side wall /4/, and the inclined section of the transport channel /8/ is equipped with outlet holes /9/.