專利名稱：一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤的清潔燃燒和高效利用領(lǐng)域，涉及一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法。
背景技術(shù)：
二氧化碳(CO2)是對生態(tài)環(huán)境影響最大的一種溫室氣體。化石燃料的燃燒產(chǎn)生了大量的CO2，造成了地表和低層大氣溫度的升高，并引發(fā)了全球氣候變暖，對人類生存和社會發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。因此，減少和控制二氧化碳的排放已經(jīng)成為全社會的共識。我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了減排(X)2將成為今后可持續(xù)發(fā)展的主要內(nèi)容之一?；瘜W(xué)鏈燃燒(CLC)是一種新穎的燃燒理念，能量釋放機理是無火焰化學(xué)反應(yīng)，燃料不直接與空氣接觸燃燒，而是以載氧體在兩個反應(yīng)器(空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器)之間的循環(huán)交替反應(yīng)來實現(xiàn)燃料的燃燒過程，打破了自古以來的火焰燃燒概念。載氧體在空氣反應(yīng)器中進行氧化反應(yīng)，然后在燃料反應(yīng)器中與燃料進行還原反應(yīng)，生成(X)2和H2O,通過冷凝，即可得到高純度的C02。CLC相比傳統(tǒng)燃燒方式的主要優(yōu)點是燃料燃燒產(chǎn)生的(X)2沒有被N2稀釋，因此分離(X)2的能耗低。此外CLC在NOx零排放，高熱效率方面也有優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，克服常規(guī)的CLC系統(tǒng)難以解決的低硬度貴重載氧體在反應(yīng)裝置中易損耗的問題，達到煤燃燒效率高，CO2出口濃度高，貴重載氧體損耗小的目的。技術(shù)方案本發(fā)明提出了一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，本裝置由主副兩個循環(huán)回路I和II構(gòu)成，兩回路均由循環(huán)流化床，旋風(fēng)分離器，返料系統(tǒng)，以及錯流移動床組成。具體而言，主回路I中循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)
高顆粒濃度、高循環(huán)倍率和高顆粒通量的煤的氣化及氣化產(chǎn)物與載氧體發(fā)生的無焰燃燒反應(yīng)過程；回路I中錯流移動床空氣反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)載氧體的重新載氧過程；而回路I中旋風(fēng)分離器內(nèi)實現(xiàn)了載氧體和煙氣的有效分離。對于回路II而言，錯流移動床燃料反應(yīng)器實現(xiàn)了煙氣中還原性氣體的繼續(xù)燃燒過程，而回路II中循環(huán)流化床空氣反應(yīng)器實現(xiàn)了載氧體的重新載氧過程。煤與載氧體燃燒的氣體產(chǎn)物從回路II錯流移動床燃料反應(yīng)器的出口排出，其主要成分為(X)2和水蒸汽的混合物，經(jīng)冷凝便可分離出高純度的co2。流程可簡述為
1)煤顆粒和氣化劑從加壓高密度循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的底部區(qū)域進入，發(fā)生氣化反應(yīng)，然后氣化產(chǎn)物和從返料入口 C返回的再生載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氣化產(chǎn)物被載氧體氧化成CO2和H2O ；
2)反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶失活載氧體離開燃料反應(yīng)器，進入旋風(fēng)分離器，失活載氧體被分離出來進入空氣反應(yīng)器，煙氣進入副回路II ；
3)在主回路I中，旋風(fēng)分離器分離出的失活載氧體從上部進入錯流移動床空氣反應(yīng)器內(nèi)，空氣從錯流移動床空氣反應(yīng)器側(cè)面的空氣入口 E進入，兩者錯流接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，失活載氧體被空氣氧化獲得重生，而反應(yīng)后的尾氣從空氣反應(yīng)器排氣口 F排出；再生后的載氧體進入返料器，在從返料器進氣口 D進入的流化氣體的作用下，回到燃料反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)；
4)主回路I中分離出的煙氣經(jīng)排氣管、閥門橫向進入副回路II的錯流移動床燃料反應(yīng)器，被其中的的高活性載氧體氧化；被還原的載氧體顆粒進入返料器，在由返料器進氣口 G 進入的流化氣體的作用下返回空氣反應(yīng)器重獲載氧能力；移動床燃料反應(yīng)器出口的氣體產(chǎn)物為CO2和H2O,經(jīng)冷凝剔除H2O后獲得高純度的CO2。所述的燃料反應(yīng)器采用加壓操作方式，具有高密度即固-氣體積比大于0. 1、高循環(huán)倍率即50 100和高顆粒通量及>200kg/m2s的特點。所述的排氣管出口通過閥門與錯流移動床反應(yīng)器相連通，排氣管排出的煙氣在其中與高活性載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，提高了燃燒效率和出口 ω2濃度。從錯流移動床反應(yīng)器11排氣口排出的氣體經(jīng)冷凝除去H2O后，便可獲得高純度的 CO2。有益效果與現(xiàn)有的常規(guī)CLC系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點
1、本裝置由主、副兩個循環(huán)回路I和II構(gòu)成，兩回路均由循環(huán)流化床，旋風(fēng)分離器，返料系統(tǒng)，以及錯流移動床組成，主回路I和副回路II連接處布置一個閥門，可以根據(jù)載氧體的活性及硬度的不同來選擇關(guān)閉或打開閥門，使主回路I單獨參與反應(yīng)或主副回路同時參與反應(yīng)，用來完成一種或兩種載氧體搭配的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)，具有很好的選擇性。2、回路I中旋風(fēng)分離器排出的煙氣存在部分未反應(yīng)的還原性氣體，通過回路II中的錯流移動床時還原性氣體會繼續(xù)和高性能載氧體顆粒發(fā)生反應(yīng)而被氧化，從而提高煤的總體燃燒效率以及CO2的出口濃度。3、將低硬度高性能的貴重載氧體(例如NiO)放在回路II中進行反應(yīng)，由于副回路 II的功率和系統(tǒng)尺寸遠小于主回路I，因此副回路II中貴重載氧體的損耗遠
小于主回路I中的廉價載氧體，保證了經(jīng)濟效益。4、主回路I中錯流移動床具有較小的床寬和較大的通氣截面，使過床氣體阻力減小，氣體的處理能力增強，可有效實現(xiàn)失活載氧體的重新載氧過程。此外，和流化床空氣反應(yīng)器相比，錯流移動床空氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。5、主回路I中，將加壓高密度循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器與錯流移動床空氣反應(yīng)器聯(lián)合運用，分別實現(xiàn)煤/載氧體的燃燒反應(yīng)過程和載氧體的載氧反應(yīng)過程。通過加壓促進燃料反應(yīng)器內(nèi)的還原反應(yīng)，解決了兩反應(yīng)器內(nèi)因反應(yīng)速率存在數(shù)量級差而導(dǎo)致的速率匹配問題。6、系統(tǒng)采用加壓操作，主回路燃料反應(yīng)器具有高密度(固-氣體積比大于0. 1)、高循環(huán)倍率(50 100)、高物料通量(>200kg/m2s)的特點，物料顆粒停留時間長，氣固反應(yīng) (如煤氣化反應(yīng)、氣化產(chǎn)物還原載氧體反應(yīng))劇烈，大幅提高了煤的燃燒效率。


圖1是加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒方法的示意圖，
主回路I中，加壓高密度循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器1，旋風(fēng)分離器2，料腿3，新鮮載氧體顆粒給料器4，錯流移動床空氣反應(yīng)器5，格柵板6，失活載氧體顆粒排料器7，返料器8，閥門 9，排氣管10 ；煤顆粒入口 A，氣化劑入口 B，主回路返料入口 C，主回路I返料器進氣口 D，主回路I空氣入口 E，主回路I空氣反應(yīng)器排氣口 F，
副回路II中，錯流移動床11，新鮮載氧體顆粒給料器12，失活載氧體顆粒排料器13，格柵板14，料腿15，返料器16，上升管空氣反應(yīng)器17，旋風(fēng)分離器18，旋風(fēng)分離器排氣管19， 閥門20 ；副回路II返料器進氣口 G，副回路II返料入口 H，副回路II旋風(fēng)分離器排氣管I，副回路II燃料反應(yīng)器入口 J，副回路II燃料反應(yīng)器出口 K，副回路II空氣反應(yīng)器進氣口 L。
具體實施例方式以下參照圖1來詳細說明本發(fā)明的煤加壓高密度循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2 方法，主回路I中的載氧體以鐵礦石(主要成分為F^o3)為例，副回路II中的載氧體以NiO 為例。1)主回路I中燃料反應(yīng)器床體底部布置的布風(fēng)板為氣化劑入口，床體兩側(cè)為煤顆粒入口和返料入口。經(jīng)電加器加熱的水蒸氣作為氣化劑和流化介質(zhì)，從燃料反應(yīng)器1底部的氣化劑入口 B進入，攜帶從煤顆粒入口 A進入的煤顆粒、從返料入口 C進入的含有高濃度載氧體鐵礦石的返料以及從返料入口 D進入的煤和載氧體細顆?；旌衔锵蛏线\動。在該過程中，氣化劑與煤發(fā)生氣化反應(yīng)，生成煤氣，主要成分為CO和H2。煤氣與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，載氧體中的氧傳遞給煤氣，使得CO被氧化成CO2A2被氧化成H2O (蒸汽)，而載氧體失去部分氧生成四氧化三鐵。載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗CO和H2,也促進了煤的氣化反應(yīng)。2 )反應(yīng)后的固體顆粒(失氧載氧體顆粒和含碳煤灰)被煙氣帶出，進入與燃料反應(yīng)器出口相連的旋風(fēng)分離器2，由于粒徑較大，大部分失活載氧體顆粒被分離下來進入與料腿 3相連的錯流移動床空氣反應(yīng)器5，而含碳煤灰和少量失活載氧體細顆粒則隨煙氣從排氣管10出口進入副回路II。3)在錯流移動床空氣反應(yīng)器5內(nèi)，旋風(fēng)分離器2分離出的失活載氧體進行載氧反應(yīng)。失活載氧體顆粒從錯流移動床空氣反應(yīng)器5的頂部進入，空氣從空氣入口 E經(jīng)過格柵板6后均勻進入，兩者錯流接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，失活載氧體被空氣氧化再生，而反應(yīng)后的尾氣從空氣反應(yīng)器排氣口 F排出。再生后的載氧體進入返料器8，在從返料器進氣口 D進入的水蒸氣輔助氣體的作用下，回到燃料反應(yīng)器1繼續(xù)反應(yīng)。物料在燃料反應(yīng)器1-旋風(fēng)分離器2-錯流移動床空氣反應(yīng)器5-返料器8之間的循環(huán)運動構(gòu)成了主循環(huán)回路I。當(dāng)載氧體載氧能力明顯下降時，從新鮮載氧體顆粒給料器4補充相應(yīng)的新鮮載氧體，同時，永久失活的載氧體及灰渣從失活載氧體顆粒排料器7排出。4)當(dāng)閥門9打開時，攜帶含碳煤灰和少量失活載氧體細顆粒的煙氣通過旋風(fēng)分離器排氣管10水平進入副回路II中的錯流移動床反應(yīng)器11，與從錯流移動床頂部進口緩慢落下的NiO顆粒進行氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物(X)2和H2O (氣體)的氣體混合物從錯流移動床燃料反應(yīng)器出口 K排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得高純度的C02。被還原的Ni顆粒經(jīng)料腿15進入返料器16，在從進氣口 G進入的水蒸氣輔助氣體的作用下，返回至上升管空氣反應(yīng)器17，與從進氣口 L進入的空氣反應(yīng)重新獲得載氧能力。 物料在燃料反應(yīng)器11-旋風(fēng)分離器18-返料器16-空氣反應(yīng)器17之間的循環(huán)運動構(gòu)成了副循環(huán)回路II。當(dāng)載氧體載氧能力明顯下降時，從新鮮載氧體顆粒給料器
12補充相應(yīng)的新鮮載氧體，同時，永久失活的載氧體從失活載氧體顆粒排料器13排
出ο
權(quán)利要求
1.一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，其特征在于該方法具體為1)煤顆粒和氣化劑從加壓高密度循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(1)的底部區(qū)域進入，發(fā)生氣化反應(yīng)，然后氣化產(chǎn)物和從返料入口 C返回的再生載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氣化產(chǎn)物被載氧體氧化成(X)2和H2O ；2)反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶失活載氧體離開燃料反應(yīng)器(1)，進入旋風(fēng)分離器0)，失活載氧體被分離出來進入空氣反應(yīng)器(5)，煙氣進入副回路II ；3)在主回路I中，旋風(fēng)分離器(2)分離出的失活載氧體從上部進入錯流移動床空氣反應(yīng)器(5)內(nèi)，空氣從錯流移動床空氣反應(yīng)器(5)側(cè)面的空氣入口 E進入，兩者錯流接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，失活載氧體被空氣氧化獲得重生，而反應(yīng)后的尾氣從空氣反應(yīng)器排氣口 F 排出；再生后的載氧體進入返料器(8)，在從返料器進氣口 D進入的流化氣體的作用下，回到燃料反應(yīng)器(1)繼續(xù)反應(yīng)；4)主回路I中分離出的煙氣經(jīng)排氣管(10)、閥門(9)橫向進入副回路II的錯流移動床燃料反應(yīng)器(11)，被其中的的高活性載氧體氧化；被還原的載氧體顆粒進入返料器(16)， 在由返料器進氣口 G進入的流化氣體的作用下返回空氣反應(yīng)器(17)重獲載氧能力；移動床燃料反應(yīng)器(11)出口的氣體產(chǎn)物為CO2和H2O,經(jīng)冷凝剔除H2O后獲得高純度的C02。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，其特征在于所述的燃料反應(yīng)器(1)采用加壓操作方式，具有高密度即固-氣體積比大于0. 1、高循環(huán)倍率即50 100和高顆粒通量及> 200kg/m2s的特點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，其特征在于所述的排氣管(10)出口通過閥門(9)與錯流移動床反應(yīng)器(11)相連通，排氣管排出的煙氣在其中與高活性載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，提高了燃燒效率和出口 CO2濃度。
全文摘要
一種加壓雙回路循環(huán)流化床煤化學(xué)鏈燃燒的方法，具體為1)煤顆粒和氣化劑從加壓高密度循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(1)的底部區(qū)域進入，發(fā)生氣化反應(yīng)，然后氣化產(chǎn)物和從返料入口C返回的再生載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氣化產(chǎn)物被載氧體氧化成CO2和H2O；2)反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶失活載氧體離開燃料反應(yīng)器(1)，進入旋風(fēng)分離器(2)，失活載氧體被分離出來進入空氣反應(yīng)器(5)，煙氣進入副回路Ⅱ；主回路Ⅰ中分離出的煙氣經(jīng)排氣管(10)、閥門(9)橫向進入副回路Ⅱ的錯流移動床燃料反應(yīng)器(11)，被其中的的高活性載氧體氧化；被還原的載氧體顆粒進入返料器(16)，在由返料器進氣口G進入的流化氣體的作用下返回空氣反應(yīng)器(17)重獲載氧能力。
文檔編號F23C10/16GK102313283SQ20111025287
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者劉先立, 宋敏, 張懌, 王曉佳, 金保昇, 鐘文琪 申請人:東南大學(xué)