RU2754712C1 - Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop - Google Patents

Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop Download PDF

Info

Publication number
RU2754712C1
RU2754712C1 RU2021102398A RU2021102398A RU2754712C1 RU 2754712 C1 RU2754712 C1 RU 2754712C1 RU 2021102398 A RU2021102398 A RU 2021102398A RU 2021102398 A RU2021102398 A RU 2021102398A RU 2754712 C1 RU2754712 C1 RU 2754712C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
fuel
air
pipe
loop
Prior art date
Application number
RU2021102398A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Александрович Шишкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской акдемии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской акдемии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской акдемии наук
Priority to RU2021102398A priority Critical patent/RU2754712C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2754712C1 publication Critical patent/RU2754712C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/02—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed
    • F23C10/04—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone
    • F23C10/08—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/18—Details; Accessories
    • F23C10/24—Devices for removal of material from the bed
    • F23C10/26—Devices for removal of material from the bed combined with devices for partial reintroduction of material into the bed, e.g. after separation of agglomerated parts

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

FIELD: chemical technology.
SUBSTANCE: invention relates to the chemical technology of fuel combustion in a pseudo-boiling bed in an airless environment. A fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop, containing an air reactor (1) in the form of a cylindrical column with an air inlet located in the bottom, connected to a pipeline (12), which, in turn, is connected to a cyclone (4) to separate particles from oxygen-depleted air, which is discharged through the gas pipeline (3), wherein the air reactor (1) is connected by means of a branch pipe to a chemical loop device (7) equipped with an inlet for supplying steam, and a fuel reactor (6) having an inlet for fuel supply located in the bottom and connected by means of branch pipes to a feeding device oxygen accumulator (9) and a chemical loop device (7), and the air reactor (1) and the fuel reactor (6) are placed in the furnace (2), characterized in that the fuel reactor is a quartz tube equipped with branches in the form of loop-shaped branch pipes (11) not less than 10 staggered along the entire length of the pipe, while the angle between the outer wall of the branch pipe and the outer wall of the straight section of the pipe is 15-46°, and the ratio of the length l of the pipe to the outer diameter d of the loop-shaped branch pipe (11) is l/d =85...380, and in the upper part of the fuel reactor (6) there is a cyclone (5) for separating particles of the oxygen accumulator from combustion products discharged through the gas pipeline (3), and connected through a branch pipe with a cyclone (4) for separating particles from oxygen-depleted air, and a branch pipe connecting the fuel reactor (6) and chemical loop device (7), equipped with a quartz filter (8).
EFFECT: invention provides the possibility to ensure complete combustion of the fuel by increasing the conversion of carbon monoxide CO and to reduce the dust entrainment of the ultrafine powdery material by the gas flow.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к химической технологии сжигания топлива в псевдокипящем слое в безвоздушной среде и может найти применение для экологически чистого получения тепла или электроэнергии в таких процессах как сжигание в химической петле, химическая петля с выделением кислорода, для получения синтез газа в химической петле путем конверсии или газификации.The invention relates to the chemical technology of fuel combustion in a pseudo-boiling bed in an airless environment and can be used for environmentally friendly production of heat or electricity in processes such as combustion in a chemical loop, a chemical loop with oxygen evolution, to obtain synthesis gas in a chemical loop by conversion or gasification ...

Известна установка для сжигания в петлевом реакторе по меньшей мере одного углеводородного сырья в присутствии твердых частиц активной массы, содержащая по меньшей мере одну реакционную зону восстановления в псевдоожиженном слое, по меньшей мере одну реакционную зону окисления в псевдоожиженном слое, по меньшей мере одно средство, обеспечивающее восходящую циркуляцию упомянутых частиц упомянутой реакционной зоны восстановления и упомянутой реакционной зоны окисления, при этом упомянутые частицы увлекаются в средстве, обеспечивающем восходящую циркуляцию, транспортирующим газом, по меньшей мере одно средство разделения газовой и твердой фаз, находящееся на выходе упомянутого средства, обеспечивающего восходящую циркуляцию, и соединенное с упомянутой реакционной зоной окисления через трубопровод, по меньшей мере один первый клапан контроля циркуляции упомянутых частиц между реакционной зоной окисления и реакционной зоной восстановления и по меньшей мере один второй клапан контроля циркуляции упомянутых частиц между реакционной зоной восстановления и средством, обеспечивающим восходящую циркуляцию, при этом упомянутые клапаны содержат по меньшей мере одно средство нагнетания управляющего газа с заданным аэрационным расходом (патент RU 2529300; МПК F23C 10/10,F23C 99/00; 2014год).Known installation for combustion in a loop reactor of at least one hydrocarbon feed in the presence of solid particles of the active mass, containing at least one reaction zone for reduction in a fluidized bed, at least one reaction zone for oxidation in a fluidized bed, at least one means providing upward circulation of said particles of said reduction reaction zone and said oxidation reaction zone, said particles being entrained in the upward circulation means by the transporting gas, at least one means for separating gas and solid phases at the outlet of said upward circulation means, and connected to said oxidation reaction zone through a pipeline, at least one first valve for controlling the circulation of said particles between the oxidation reaction zone and the reduction reaction zone and at least one second valve for controlling the circulation the said particles between the reduction reaction zone and the means providing upward circulation, while the said valves contain at least one means for injecting the control gas with a predetermined aeration flow rate (patent RU 2529300; IPC F23C 10/10, F23C 99/00; year 2014).

Недостатками известной установки для сжигания в петлевом реакторе являются, во-первых, пылеунос ввиду измельчения порошка кислородного аккумулятора в псевдокипящем слое, во-вторых, ввиду прямого восстановления кислородного аккумулятора топливом наблюдается низкая эффективность сжигания (конверсия для сжигания в химической петле составляет около 70%).The disadvantages of the known installation for combustion in a loop reactor are, firstly, dust removal due to the grinding of the oxygen accumulator powder in the pseudo-boiling bed, and secondly, due to the direct reduction of the oxygen accumulator with fuel, a low combustion efficiency is observed (conversion for combustion in a chemical loop is about 70%) ...

Известна конструкция реактора для сжигания в химической петле, представляющим два соединённых реактора: воздушный и топливный. Первый представляет собой трубку, верхняя часть которой присоединена к циклону, а нижняя часть патрубком присоединена к топливному реактору. Последний представляет собой реактор для струйного псевдокипящего слоя. К нижней части топливного реактора присоединено устройство для подачи твердого топлива и патрубок для продувки водяным паром. В верхней части реактора находится патрубок для вывода газов (CO2 и H2O), а также трубка, соединяющая топливный реактор с циклоном, к которому подключен воздушный реактор (Laihong Shen, Jiahua Wu, Zhengping Gao, Jun Xiao Characterization of chemical looping combustion of coal in a 1 kWth reactor with a nickel-based oxygen carrier, J. Combustion and Flame. – 2010. – 157. – pp. 934-942.)The known design of the reactor for combustion in a chemical loop, representing two connected reactors: air and fuel. The first is a tube, the upper part of which is connected to the cyclone, and the lower part is connected to the fuel reactor by a branch pipe. The latter is a fluidized bed reactor. A device for supplying solid fuel and a branch pipe for blowing with water vapor are connected to the lower part of the fuel reactor. In the upper part of the reactor there is a branch pipe for removing gases (CO 2 and H 2 O), as well as a pipe connecting the fuel reactor with a cyclone, to which an air reactor is connected (Laihong Shen, Jiahua Wu, Zhengping Gao, Jun Xiao Characterization of chemical looping combustion of coal in a 1 kWth reactor with a nickel-based oxygen carrier, J. Combustion and Flame. - 2010. - 157. - pp. 934-942.)

Недостатками вышеупомянутой конструкции являются пылеунос мелких частиц из реактора (как кислородного аккумулятора, так и твердого топлива), и, вследствие этого, не полное сжигание топлива.The disadvantages of the above design are dust removal of small particles from the reactor (both oxygen accumulator and solid fuel), and, as a result, incomplete combustion of the fuel.

Наиболее близким по технической сущности является реактор для сжигания топлива в химической петле, имеющий двухступенчатый псевдокипящий слой. Воздушный реактор выполнен из трубы, верхняя часть которой соединена с трубопроводом, который соединяет воздушный реактор с циклоном. Топливный реактор выполнен из трубы с двумя псевдокипящими слоями. Слои между собой соединены через трубку. Топливный реактор присоединен к воздушному реактору через патрубок, соединенный с устройством химической петли. Известный реактор функционирует при температурах 900 – 980 °С. В качестве топлива используется смесь газообразных монооксида углерода, водорода или метана с азотом. Циркуляция кислородного аккумулятора происходит путем попадания порошка через петлю из топливного в воздушный реактор с последующим окислением и сепарацией циклоном обратно в псевдокипящий слой (Haiming Gu, Laihong Shen, Siwen Zhang, Miaomiao Nui, Rongyue Sun, Shouxi Jiang Enhanced fuel conversion by staging oxidation on a continuous chemical looping reactor based on iron ore oxygen carrier, J. Chemical Engineering Journal. – 2018. – 334. – pp. 829-836.)(прототип).The closest in technical essence is a reactor for burning fuel in a chemical loop, which has a two-stage pseudo-boiling bed. The air reactor is made of a pipe, the upper part of which is connected to a pipeline that connects the air reactor to the cyclone. The fuel reactor is made of a tube with two pseudo-boiling layers. The layers are connected to each other through a tube. The fuel reactor is connected to the air reactor through a branch pipe connected to the chemical loop device. The known reactor operates at temperatures of 900 - 980 ° C. The fuel is a mixture of gaseous carbon monoxide, hydrogen or methane with nitrogen. The circulation of the oxygen accumulator occurs by the ingress of the powder through the loop from the fuel into the air reactor, followed by oxidation and separation by the cyclone back into the fluidized bed (Haiming Gu, Laihong Shen, Siwen Zhang, Miaomiao Nui, Rongyue Sun, Shouxi Jiang Enhanced fuel conversion by staging oxidation on a continuous chemical looping reactor based on iron ore oxygen carrier, J. Chemical Engineering Journal. - 2018. - 334. - pp. 829-836.) (prototype).

Недостатками предложенной конструкции является не полное сжигание топлива (конверсия CO составляет 88 – 98%) и пылеунос частиц кислородного аккумулятора, что не только ухудшает экологическую обстановку, но также способствует не полному сжиганию топлива.The disadvantages of the proposed design are incomplete fuel combustion (CO conversion is 88 - 98%) and dust removal of oxygen accumulator particles, which not only worsens the ecological situation, but also contributes to incomplete fuel combustion.

Таким образом, перед автором стояла задача разработать конструкцию реактора для сжигания топлива в химической петле, обеспечивающего увеличение полноты сгорания топлива и предотвращение пылеуноса ультрадисперсных частиц кислородного аккумулятора.Thus, the author was faced with the task of developing a reactor design for burning fuel in a chemical loop, which would increase the completeness of fuel combustion and prevent dust entrainment of ultrafine particles of the oxygen accumulator.

Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле, содержащем воздушный реактор в виде цилиндрической колонки с входным отверстием для подачи воздуха, расположенным в днище, соединенной с трубопроводом, который в свою очередь, связан с циклоном для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, который выводится через газопровод, при этом воздушный реактор посредством патрубка соединен с устройством химической петли, снабженным входным отверстием для подачи пара, и топливный реактор, имеющий входное отверстие для подачи топлива, расположенное в днище, и связанный посредством патрубков с устройством подачи кислородного аккумулятора и устройством химической петли, причем воздушный реактор и топливный реактор помещены в печь, в котором топливный реактор представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы в количестве не менее 10, при этом угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы равен 15 – 46°, а отношение длина трубы l к внешнему диаметру d петлеобразного патрубка составляет l/d =85…380, причем в верхней части топливного реактора расположен циклон для сепарации частиц кислородного аккумулятора от продуктов сгорания, сбрасываемых через газопровод, и соединенный посредством патрубка с циклоном для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, а патрубок, соединяющий топливный реактор и устройство химической петли, снабжен кварцевым фильтром. The problem is solved in the proposed design of a fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop containing an air reactor in the form of a cylindrical column with an inlet for air supply located in the bottom, connected to a pipeline, which in turn is connected to a cyclone for separating particles from oxygen-depleted air, which is removed through the gas pipeline, while the air reactor is connected by means of a branch pipe to a chemical loop device equipped with an inlet for supplying steam, and a fuel reactor having an inlet for fuel supply located in the bottom and connected by means of branch pipes to an oxygen accumulator supply device and a chemical loop device, and the air reactor and the fuel reactor are placed in a furnace, in which the fuel reactor is a quartz tube equipped with branches in the form of loop-shaped branch pipes arranged in a staggered manner along the entire length of the tube in an amount is not less than 10, while the angle between the outer wall of the pipe and the outer wall of the straight section of the pipe is 15 - 46 °, and the ratio of the pipe length l to the outer diameter d of the loop-shaped pipe is l / d = 85 ... 380, and in the upper part of the fuel reactor a cyclone is located for separating particles of an oxygen accumulator from combustion products discharged through a gas pipeline, and is connected through a branch pipe with a cyclone for separating particles from oxygen-depleted air, and a branch pipe connecting the fuel reactor and the chemical loop device is equipped with a quartz filter.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна конструкция реактора для сжигания топлива в химической петле, в котором топливный реактор представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, предлагаемой конструкции.At present, the design of a reactor for burning fuel in a chemical loop is not known from the patent and scientific and technical literature, in which the fuel reactor is a quartz tube equipped with branches in the form of loop-shaped branch pipes of the proposed design.

В настоящее время даже работа реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле улучшенной конструкции, содержащим две ступени псевдоожиженного слоя, как предложено в известной конструкции-прототипе, не обеспечивает 100 %-ной полноты сгорания топлива и, кроме того, как следствие, сопровождается пылеуносом частиц кислородного аккумулятора. Как показали исследования, проведенные автором, недостатки известной конструкции обусловлены излишне высокой скоростью протекания газового потока топлива через топливный реактор, в результате чего конверсия СО не является 100%-ной и мелкодисперсные частицы кислородного аккумулятора, частично не восстановленные, уносятся через газопровод с продуктами сгорания. Задача повышения сгорания топлива до 100% и снижение пылеуноса была решена автором за счет снижения скорости протекания газового потока при неизменном объемном расходе при использовании топливного реактора предлагаемой конструкции. Газовый поток топлива, подаваемый через входное отверстие, расположенное в днище топливного реактора, проходя через трубу из кварца, разделяется на два потока перед входом в каждый патрубок, при этом одна ветвь потока через петлеобразное закругление патрубка направляется навстречу ветви основного потока, имеющей направление, заданное при входе газового потока в топливный реактор. Как показали исследования, угол, под которым встречаются два потока, обеспечивающий достаточное снижение кинетической энергии основного потока, должен быть равен 134-165°. Таким образом, достигается значительное уменьшение скорости прохождения газа по трубе топливного реактора, что обеспечивает увеличение времени прохождения потока через топливный реактор, а значит, за счет увеличения времени прохождения газового потока через реактор увеличивается пробег частиц, приводящий к увеличению степени сгорания топлива. Исследования, проведенные автором, позволили установить, что в топливном реакторе, выполненном в форме трубы из кварца с внешним диаметром петлеобразного патрубка 10 мм и соотношении общей длины топливного реактора к внешнему диаметру патрубка (d)

Figure 00000001
, при наличии не менее 10 петлеобразных патрубков с углом разворота одного из потоков 134-165° относительно другого позволяет снизить максимальную скорость прохождения газов по трубе реактора не менее, чем на 20%. Кроме того, предложенная конструкция обеспечивает отсутствие пылеуноса частиц размером до 1 нм. При этом максимальная высота псевдокипящего слоя, состоящего из частиц диаметром 50 мкм и плотностью 9,0 г/см3, составляет 13 мм вместо 284 мм для реактора, выполненного в форме прямой трубы аналогичного сечения без петлеобразных патрубков. Существенное влияние на достигаемый результат оказывают конструктивные особенности предлагаемого топливного реактора, так для получения угла, под которым встречаются два потока топлива, равным 134-165°, необходимо, чтобы угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы был равен 15 – 46°. При угле более 46о не наблюдается существенного снижения средней скорости протекания газа по топливному реактору. Выполнение угла менее 15о конструктивно невозможно. При соотношении общей длины топливного реактора (l) к внешнему диаметру газопроводящего патрубка (d) менее
Figure 00000002
не происходит значительного снижения скорости протекания газового потока. При соотношении
Figure 00000003
снижается общая производительность реактора. При использовании петлеобразных патрубков в количестве менее 10 не происходит достаточного снижения скорости протекания газа по топливному реактору.At present, even the operation of a fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop of an improved design, containing two stages of a fluidized bed, as proposed in a known prototype design, does not provide 100% completeness of fuel combustion and, moreover, as a consequence, is accompanied by dust ejection of oxygen accumulator particles. As shown by the studies carried out by the author, the disadvantages of the known design are due to the excessively high flow rate of the gas flow of fuel through the fuel reactor, as a result of which the CO conversion is not 100% and fine particles of the oxygen accumulator, partially not reduced, are carried away through the gas pipeline with the combustion products. The problem of increasing fuel combustion up to 100% and reducing dust emission was solved by the author by reducing the gas flow rate at a constant volumetric flow when using a fuel reactor of the proposed design. The gas flow of fuel supplied through the inlet located in the bottom of the fuel reactor, passing through a quartz tube, is divided into two flows before entering each branch pipe, while one branch of the flow through the loop-shaped rounding of the branch pipe is directed towards the branch of the main flow having a direction specified when the gas flow enters the fuel reactor. Studies have shown that the angle at which two streams meet, providing a sufficient decrease in the kinetic energy of the main stream, should be equal to 134-165 °. Thus, a significant decrease in the rate of passage of the gas through the pipe of the fuel reactor is achieved, which provides an increase in the time of passage of the flow through the fuel reactor, and therefore, due to the increase in the time of passage of the gas flow through the reactor, the path of particles increases, leading to an increase in the degree of combustion of the fuel. The research carried out by the author made it possible to establish that in a fuel reactor made in the form of a quartz tube with an outer diameter of a loop-shaped nozzle of 10 mm and the ratio of the total length of the fuel reactor to the outer diameter of the nozzle (d)
Figure 00000001
, in the presence of at least 10 loop-shaped branch pipes with an angle of rotation of one of the flows of 134-165 ° relative to the other, it allows to reduce the maximum speed of passage of gases through the reactor pipe by at least 20%. In addition, the proposed design ensures the absence of dust entrainment of particles up to 1 nm in size. In this case, the maximum height of the pseudo-boiling bed, consisting of particles with a diameter of 50 μm and a density of 9.0 g / cm 3 , is 13 mm instead of 284 mm for a reactor made in the form of a straight pipe of a similar cross section without loop-shaped branch pipes. The design features of the proposed fuel reactor have a significant impact on the achieved result, so to obtain the angle at which two fuel flows meet, equal to 134-165 °, it is necessary that the angle between the outer wall of the branch pipe and the outer wall of the straight section of the pipe is 15-46 ° ... At an angle of more than 46 °, there is no significant decrease in the average gas flow rate through the fuel reactor. Execution of an angle less than 15 ° is structurally impossible. When the ratio of the total length of the fuel reactor (l) to the outer diameter of the gas-conducting pipe (d) is less than
Figure 00000002
there is no significant decrease in the gas flow rate. With the ratio
Figure 00000003
the overall productivity of the reactor decreases. When using loop-shaped nozzles in an amount of less than 10, there is no sufficient decrease in the gas flow rate through the fuel reactor.

На фиг.1 изображен реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле предлагаемой конструкции.Figure 1 shows a fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop of the proposed design.

На фиг. 2 изображен отдельный петлеобразный патрубок.FIG. 2 shows a separate loop-shaped branch pipe.

На фиг. 3 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана по длине топливного реактора.FIG. 3 shows the results of modeling the distribution of the rate of gaseous methane along the length of the fuel reactor.

На фиг. 4 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана в реакторе, выполненном в виде прямой трубки.FIG. 4 shows the results of modeling the distribution of the rate of gaseous methane in a reactor made in the form of a straight tube.

На фиг. 5 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана в первом петлеобразном патрубке топливного реактора.FIG. 5 shows the results of modeling the distribution of the rate of gaseous methane in the first loop-shaped branch pipe of the fuel reactor.

На фиг. 6 изображен результат моделирования расчета движения частиц с диаметром 100 нм в псевдокипящем слое.FIG. 6 shows the result of modeling the calculation of the motion of particles with a diameter of 100 nm in a pseudo-boiling bed.

Предлагаемый реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле состоит (см. фиг.1) из воздушного реактора (1) в виде цилиндрической колонки с входным отверстием для подачи воздуха, расположенным в днище, соединенным с трубопроводом (12), который в свою очередь, связан с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, который выводится через газопровод (3), при этом воздушный реактор (1) посредством патрубка соединен с устройством химической петли (7), снабженным входным отверстием для подачи пара, и топливного реактора (6), имеющего входное отверстие для подачи топлива, расположенное в днище, и связанного посредством патрубков с устройством подачи кислородного аккумулятора (9) и устройством химической петли (7), снабженное кварцевым фильтром (8), при этом топливный реактор (6) представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков (11), расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы в количестве не менее 10, причем угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы равен 15 – 46° (см. фиг.2), а отношение длины l трубы к внешнему диаметру d петлеобразного патрубка составляет l/d =85…380, в верхней части топливного реактора(6) расположен циклон (5) для сепарации частиц кислородного аккумулятора от продуктов сгорания, сбрасываемых через газопровод (3), и соединенный посредством патрубка с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, а патрубок, соединяющий топливный реактор (6) и устройство химической петли (7), снабжен кварцевым фильтром (8). Воздушный реактор (1) и топливный реактор (6) помещены в печь (2). The proposed reactor with a fluidized bed for burning fuel in a chemical loop consists (see Fig. 1) of an air reactor (1) in the form of a cylindrical column with an inlet for air supply located in the bottom, connected to a pipeline (12), which in its the line is connected to a cyclone (4) for separating particles from oxygen-depleted air, which is discharged through a gas pipeline (3), while the air reactor (1) is connected through a branch pipe to a chemical loop device (7) equipped with an inlet for steam supply, and a fuel reactor (6) having an inlet for fuel supply located in the bottom and connected by means of nozzles with an oxygen accumulator supply device (9) and a chemical loop device (7), equipped with a quartz filter (8), while the fuel reactor ( 6) is a quartz pipe equipped with branches in the form of loop-shaped branch pipes (11), staggered along the entire length of the pipe in the amount of n e less than 10, and the angle between the outer wall of the branch pipe and the outer wall of the straight section of the pipe is 15 - 46 ° (see. 2), and the ratio of the length l of the pipe to the outer diameter d of the loop-shaped branch pipe is l / d = 85 ... 380, in the upper part of the fuel reactor (6) there is a cyclone (5) to separate the oxygen accumulator particles from the combustion products discharged through the gas pipeline (3), and connected through a branch pipe with a cyclone (4) for separating particles from oxygen-depleted air, and the branch pipe connecting the fuel reactor (6) and the chemical loop device (7) is equipped with a quartz filter (8). The air reactor (1) and the fuel reactor (6) are placed in the furnace (2).

Результаты компьютерного моделирования показали, что средняя скорость протекания метана в топливном реакторе, представляющим собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы, составляет от 4,5 до 6,7 м/с (см. фиг. 3), в то время как для реактора, выполненного в виде кварцевой трубки аналогичного диаметра без петлеобразных патрубков составляет от 8,5 до 13,2 м/с (см. фиг. 4). Более того, вследствие разворота газового потока на угол 134 – 165° разница скоростей течения газообразного метана в сечении трубы предлагаемого реактора значительно снижена (см. фиг. 5) по сравнению с конструкцией без петлеобразных патрубков (см. фиг. 4). Ввиду снижения средней скорости протекания газообразного метана, образующего псевдоожиженный слой, происходит передача меньшей кинетической энергии частицам порошка кислородного аккумулятора, вследствие чего уменьшается максимальная высота псевдокипящего слоя. Так псевдокипящий слой, состоящий из нанодисперсных частиц манганита кальция (100 нм) не выходят за пределы первого петлеобразного патрубка топливного реактора (см. фиг. 6).The results of computer simulation showed that the average flow rate of methane in a fuel reactor, which is a quartz tube equipped with branches in the form of loop-shaped nozzles, staggered along the entire length of the tube, ranges from 4.5 to 6.7 m / s (cm Fig. 3), while for a reactor made in the form of a quartz tube of the same diameter without loop-shaped branch pipes is from 8.5 to 13.2 m / s (see Fig. 4). Moreover, due to the turn of the gas flow at an angle of 134 - 165 °, the difference in the flow rates of gaseous methane in the cross-section of the pipe of the proposed reactor is significantly reduced (see Fig. 5) compared to the design without loop-shaped branch pipes (see Fig. 4). Due to a decrease in the average flow rate of methane gas forming a fluidized bed, less kinetic energy is transferred to the particles of the oxygen accumulator powder, as a result of which the maximum height of the fluidized bed decreases. So the pseudo-boiling layer consisting of nanodispersed particles of calcium manganite (100 nm) does not go beyond the first loop-shaped branch pipe of the fuel reactor (see Fig. 6).

Реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле предлагаемой конструкции работает следующим образом. Порошок кислородного аккумулятора (например, оксида меди, манганита кальция или др.) помещают в устройство для загрузки (9), через которое он попадает в топливный реактор (6), в который снизу через входное отверстие подают газообразное топливо (метан, водород, угарный газ, синтез газ и пр), вследствие чего образуется псевдокипящий слой. Пористый кварцевый фильтр (8) не позволяет порошку, находящемуся в псевдокипящем слое, при выключении подачи топлива попасть в газопроводящую систему. Через петлю (7) с псевдокипящим слоем, образованным за счет подачи водяного пара, происходит трансфер восстановленной формы порошка кислородного аккумулятора на регенерацию в воздушный реактор (1). Продуваемый воздухом кислородный аккумулятор окисляется, поглощая тем самым кислород, и за счет заданного объёмного расхода воздуха происходит его перенос (11) в циклон (4), где происходит сепарация частиц от обедненного по кислороду воздуха, выбрасываемого в газоотвод (3). Кислородный аккумулятор попадает в циклон (5) для сепарации порошкообразных материалов от продуктов сгорания, выбрасываемых через газоотвод. После чего порошок кислородного аккумулятора попадает в первый петлеобразный патрубок (10) топливного реактора, где по траектории (указанной стрелками фиг.1) перемещается в псевдокипящий слой. Воздушный и топливный реакторы помещены в печь (2) для проведения сжигания с выделением свободного кислорода в химической петле (CLOU-процесса) при температурах от 500 до 1000 °С. Так, например, при массовом расходе кислородного аккумулятора (CaMnO3) 0,1 г/с и потоке газообразного метана в качестве топлива 1 л/мин, создающего псевдокипящий слой, средняя скорость протекания газового потока через топливный реактор равна 0,866 м/с (максимальная 2,658 м/с). Максимальная высота псевдокипящего слоя, содержащего порошок CaMnO3 со средним диаметром 50 мкм составляет не более 168 мм, что обеспечивает 100%-ную полноту сгорания топлива и снижает пылеунос A fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop of the proposed design operates as follows. The powder of the oxygen accumulator (for example, copper oxide, calcium manganite, etc.) is placed in the loading device (9), through which it enters the fuel reactor (6), into which gaseous fuel (methane, hydrogen, carbon monoxide gas, synthesis gas, etc.), as a result of which a pseudo-boiling layer is formed. The porous quartz filter (8) does not allow the powder in the fluidized bed to get into the gas supply system when the fuel supply is turned off. Through the loop (7) with a fluidized bed formed by supplying water vapor, the reduced form of the oxygen accumulator powder is transferred to the air reactor (1) for regeneration. The oxygen accumulator blown by the air is oxidized, thereby absorbing oxygen, and due to a given volumetric air flow, it is transferred (11) to the cyclone (4), where the particles are separated from the oxygen-depleted air discharged into the gas outlet (3). The oxygen accumulator enters the cyclone (5) to separate powdery materials from the combustion products emitted through the gas outlet. After that, the oxygen accumulator powder enters the first loop-shaped branch pipe (10) of the fuel reactor, where it moves along the trajectory (indicated by the arrows in Fig. 1) into the pseudo-boiling bed. The air and fuel reactors are placed in a furnace (2) for combustion with the release of free oxygen in a chemical loop (CLOU-process) at temperatures from 500 to 1000 ° C. So, for example, at a mass flow rate of an oxygen accumulator (CaMnO 3 ) of 0.1 g / s and a flow of methane gas as a fuel of 1 L / min, creating a pseudo-boiling bed, the average velocity of the gas flow through the fuel reactor is 0.866 m / s (maximum 2.658 m / s). The maximum height of a fluidized bed containing CaMnO 3 powder with an average diameter of 50 microns is no more than 168 mm, which ensures 100% complete fuel combustion and reduces dust emission

Таким образом, автором предлагается конструкция реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле, позволяющая обеспечить полное сгорание топлива за счет увеличения конверсии оксида углерода СО и снизить пылеунос ультрадисперсного порошкообразного материала газовым потоком. Thus, the author proposes a design of a fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop, which allows complete combustion of the fuel by increasing the conversion of carbon monoxide CO and reducing the dust entrainment of an ultrafine powder material with a gas flow.

Claims (1)

Реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле, содержащий воздушный реактор (1) в виде цилиндрической колонки с входным отверстием для подачи воздуха, расположенным в днище, соединенной с трубопроводом (12), который, в свою очередь, связан с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, который выводится через газопровод (3), при этом воздушный реактор (1) посредством патрубка соединен с устройством химической петли (7), снабженным входным отверстием для подачи пара, и топливный реактор (6), имеющий входное отверстие для подачи топлива, расположенное в днище, и связанный посредством патрубков с устройством подачи кислородного аккумулятора (9) и устройством химической петли (7), причем воздушный реактор (1) и топливный реактор (6) помещены в печь (2), отличающийся тем, что топливный реактор представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков (11), расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы в количестве не менее 10, при этом угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы равен 15-46°, а отношение длины l трубы к внешнему диаметру d петлеобразного патрубка (11) составляет l/d =85…380, причем в верхней части топливного реактора (6) расположен циклон (5) для сепарации частиц кислородного аккумулятора от продуктов сгорания, сбрасываемых через газопровод (3), и соединенный посредством патрубка с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, а патрубок, соединяющий топливный реактор (6) и устройство химической петли (7), снабжен кварцевым фильтром (8). A fluidized bed reactor for burning fuel in a chemical loop, containing an air reactor (1) in the form of a cylindrical column with an air inlet located in the bottom connected to a pipeline (12), which, in turn, is connected to a cyclone (4 ) to separate particles from oxygen-depleted air, which is discharged through the gas pipeline (3), while the air reactor (1) is connected by means of a branch pipe to a chemical loop device (7) equipped with an inlet for steam supply, and a fuel reactor (6), having an inlet for fuel supply located in the bottom and connected by means of nozzles with an oxygen accumulator supply device (9) and a chemical loop device (7), and the air reactor (1) and the fuel reactor (6) are placed in the furnace (2), characterized in that the fuel reactor is a quartz tube equipped with branches in the form of loop-shaped branch pipes (11), staggered along the entire length of t pipes in an amount of at least 10, while the angle between the outer wall of the pipe and the outer wall of the straight pipe section is 15-46 °, and the ratio of the length l of the pipe to the outer diameter d of the loop-shaped pipe (11) is l / d = 85 ... 380, and in the upper part of the fuel reactor (6) there is a cyclone (5) for separating the oxygen accumulator particles from the combustion products discharged through the gas pipeline (3), and connected through a branch pipe with a cyclone (4) for separating particles from oxygen-depleted air, and the branch pipe, connecting the fuel reactor (6) and the chemical loop device (7) is equipped with a quartz filter (8).
RU2021102398A 2021-02-03 2021-02-03 Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop RU2754712C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021102398A RU2754712C1 (en) 2021-02-03 2021-02-03 Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021102398A RU2754712C1 (en) 2021-02-03 2021-02-03 Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754712C1 true RU2754712C1 (en) 2021-09-06

Family

ID=77670167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021102398A RU2754712C1 (en) 2021-02-03 2021-02-03 Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2754712C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1210517C (en) * 2003-12-12 2005-07-13 东南大学 Indirect combustion apparatus and method for fuel gas circulating fluidized bed
RU56559U1 (en) * 2005-12-21 2006-09-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS-FUEL IN CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE WHEN USING PARTICLES OF OXIDE CARRIERS OF OXYGEN OXYGEN
RU72041U1 (en) * 2007-12-13 2008-03-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт" INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS FUEL IN A CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE DURING THE CONTROLLED OXYGEN TRANSFER CIRCULATION
US9089826B2 (en) * 2010-06-11 2015-07-28 Technische Universitat Wien Fluidized bed reactor system
RU2568017C2 (en) * 2010-06-02 2015-11-10 Ифп Энержи Нувелль Device for particle separation for chemical combustion loop
RU2707224C2 (en) * 2015-07-21 2019-11-25 Ифп Энержи Нувелль Method and device for chemical cyclic combustion (clc) to obtain nitrogen of high degree of purity
KR102102678B1 (en) * 2018-11-26 2020-04-23 한국생산기술연구원 Metal particles falling type circulating fluidized bed boiler having a plurality of riser and its operation method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1210517C (en) * 2003-12-12 2005-07-13 东南大学 Indirect combustion apparatus and method for fuel gas circulating fluidized bed
RU56559U1 (en) * 2005-12-21 2006-09-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS-FUEL IN CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE WHEN USING PARTICLES OF OXIDE CARRIERS OF OXYGEN OXYGEN
RU72041U1 (en) * 2007-12-13 2008-03-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт" INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS FUEL IN A CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE DURING THE CONTROLLED OXYGEN TRANSFER CIRCULATION
RU2568017C2 (en) * 2010-06-02 2015-11-10 Ифп Энержи Нувелль Device for particle separation for chemical combustion loop
US9089826B2 (en) * 2010-06-11 2015-07-28 Technische Universitat Wien Fluidized bed reactor system
RU2707224C2 (en) * 2015-07-21 2019-11-25 Ифп Энержи Нувелль Method and device for chemical cyclic combustion (clc) to obtain nitrogen of high degree of purity
KR102102678B1 (en) * 2018-11-26 2020-04-23 한국생산기술연구원 Metal particles falling type circulating fluidized bed boiler having a plurality of riser and its operation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102933902B (en) Chemical loop combustion method with the reaction zone comprising gas solid separation area and the equipment using this method
AU2011260164B2 (en) Particle separation device for chemical looping combustion loop
JP5137392B2 (en) Method and system for partial regulator bypass
SU1258334A3 (en) Method of chemical treatment of fuel in pseudoliquefied layer
AU2012311411B2 (en) Chemical looping combustion method with removal of ash and fines in the reduction area, and a facility using such a method
US2906608A (en) Apparatus for dense-phase fluidisation
AU2012343706B2 (en) Chemical looping combustion method with the diluted-phase removal of ash and fines in the oxidation zone, and facility using such a method
US9616403B2 (en) Systems and methods for converting carbonaceous fuels
AU2012343707B2 (en) Chemical looping combustion method with the removal of ash and fines leaving the oxidation zone, and facility using such a method
CN101975395B (en) Dual-cycle fluidized bed device for coal-based chemical chain process
CN102083521A (en) Fluidized bed gasifier with solids discharge and classification device
WO2014159956A1 (en) Distributing secondary solids in packed moving bed reactors
JP2693864B2 (en) Device for reacting gas and powder in the enclosure
CN106269508A (en) A kind of annular fluidized bed separator of granulate mixture
JPH0240922B2 (en)
CN113195974A (en) Flat-top chemical circulation combustion reactor
RU2754712C1 (en) Fluidized bed reactor for combustion of fuel in a chemical loop
WO2004056941A1 (en) Method and plant for producing low-temperature coke
EP0308024A2 (en) Compartmented gas injection device
KR101594799B1 (en) Ash Separation Apparatus and Solid Fuel Chemical Looping Combustor Using This
US4456546A (en) Process and reactor for the preparation of synthesis gas
US11913640B2 (en) Device and method for chemical looping combustion, having a particle separator provided with an inclined intake duct
Lu et al. Cases for Numerical Simulations of Fluidized Bed Systems
CN118510608A (en) Cyclone separator for chemical looping combustion plant and method provided with an inlet duct having an inclined wall and a gas injection portion
CN118401779A (en) Chain combustion apparatus and method including a cyclonic air reactor