專利名稱：煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO₂的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤和固體廢棄物的循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒的裝置和方法，屬于煤燃燒、固體廢棄物的資源化利用和流化床燃燒技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國是目前世界上最大的二氧化碳排放國，來自環(huán)境保護(hù)和國際輿論的壓力迫使我國必須尋找高效合理的CO2減排手段。同時(shí)，我國也是世界上最大的廢棄物產(chǎn)生國，固體廢棄物產(chǎn)生量的逐年增長(zhǎng)已對(duì)我國環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡造成嚴(yán)重影響，其中，固體廢棄物中的可燃部分占到我國固廢總量的一半以上?，F(xiàn)階段由于技術(shù)和條件的限制，我國對(duì)可燃固廢的綜合利用率依然很低。利用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(CLC)處理可燃固體廢棄物，既實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，減少其對(duì)環(huán)境的污染，又可幫助緩解煤炭供需的壓力，降低二氧化碳排放量，有利于促進(jìn)我國多元化能源結(jié)構(gòu)的形成，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。現(xiàn)有的可燃固體廢棄物大多以熱化學(xué)處理(燃燒，氣化和熱解)方法轉(zhuǎn)化為燃料，這些傳統(tǒng)方法的燃燒產(chǎn)物成分復(fù)雜，CO2不易分離?；瘜W(xué)鏈燃燒(CLC)則是一種新穎的燃燒理念，其能量釋放機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)燃料的燃燒過程。由載氧體首先與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，然后在燃料反應(yīng)器中與燃料進(jìn)行還原反應(yīng)生成二氧化碳和水，因此生成的二氧化碳易被分離。目前在我國，不僅現(xiàn)有使用的固體廢棄物處理技術(shù)及裝備長(zhǎng)期為國外所壟斷，具有前瞻性的化學(xué)鏈燃燒(CLC)的核心技術(shù)和中試級(jí)別裝置更是都掌握在國外研究機(jī)構(gòu)的手中；當(dāng)前國內(nèi)已具備了自主研發(fā)能力，必須在較短的時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)差距，研發(fā)出適合于我國國情、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固體廢棄物化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，避免重復(fù)走引進(jìn)吸收的發(fā)展道路。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的在于提供一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，克服煤/可燃固體廢棄物和載氧體的燃燒反應(yīng)速率與載氧體載氧反應(yīng)速率的匹配等問題，并設(shè)計(jì)一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2方法，該方法能使二者反應(yīng)速率相匹配，達(dá)到燃燒效率高、載氧體的載氧能力強(qiáng)、分離出的CO2濃度高及CO2最終捕集率高等效果。技術(shù)方案本實(shí)用新型提出了一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置。煤和固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器；分離系統(tǒng)包括一級(jí)慣性分離器、一級(jí)慣性分離器出口、一級(jí)料腿、二級(jí)旋風(fēng)分離器、二級(jí)旋風(fēng)分離器出口和二級(jí)料腿；載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器、新鮮載氧體顆粒給料器、J形返料閥和失活載氧體顆粒排料器；循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器上部通過彎頭與一級(jí)慣性分離器連接，一級(jí)慣性分離器的下部接一級(jí)料腿，一級(jí)慣性分離器的頂部通過一級(jí)慣性分離器出口接二級(jí)旋風(fēng)分離器的上部，二級(jí)旋風(fēng)分離器的下部通過二級(jí)料腿接一級(jí)料腿的中部，一級(jí)料腿的下部出口位于錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器中，錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器的下部通過J形返料閥接循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部，失活載氧體顆粒排料器、反應(yīng)器氣化劑(水蒸氣)入口和反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的最底部；可燃固體廢棄物入口，煤顆粒入口位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部的壁上。循環(huán)流化床上部通過120°角的彎頭與一級(jí)慣性分離器上部相連；與一級(jí)慣性分離器連接的一級(jí)料腿的直徑是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器直徑的兩倍，而二級(jí)旋風(fēng)分離器連接的二級(jí)料腿的直徑則是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器直徑二分之一；錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器中采用多孔板作為氣體分布器，·出口布置有截面為等邊三角形的導(dǎo)流板。本實(shí)用新型煤和固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置的操作方法為固體廢棄物和煤顆粒從循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部進(jìn)入，氣化反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶的失氧載氧體和含碳灰塵經(jīng)一級(jí)慣性分離器分離后進(jìn)入錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器，再生后的載氧體回到燃料反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)，重復(fù)以上過程；一級(jí)慣性分離器分離出來的含碳灰塵和少量失氧載氧體細(xì)顆粒隨煙氣進(jìn)入二級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)行二次分離，分離下來的固體顆粒返回至空氣反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)；二級(jí)旋風(fēng)分離器分離出最終產(chǎn)物COJPH2O排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得高純度的CO2。所述的循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)采用壓力O. IMPa,顆粒通量5 O 100 kg/m2s的常壓高通量，或壓力>0. IMPa，顆粒通量>200kg/m2s的加壓高通量?jī)煞N操作方式。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)方法思路如下在循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤和可燃固體廢棄物的氣化及氣化產(chǎn)物與載氧體發(fā)生的無焰燃燒反應(yīng)過程；在慣性分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)載氧體顆粒和煙氣的有效分離過程；在錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)載氧體的重新載氧過程。并通過重復(fù)以上過程，實(shí)現(xiàn)煤和可燃固體廢棄物的化學(xué)鏈燃燒和CO2分離。與傳統(tǒng)的固體廢棄物處理流程不同，本實(shí)用新型的處理流程為煤顆粒和可燃固體廢棄物顆粒伴隨氣化劑(水蒸氣和CO2混合物)在循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)，煤相較于固體廢棄物更容易氣化，產(chǎn)生的氣體可以加快反應(yīng)過程；氣化產(chǎn)物與返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的帶氧載氧體發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成CO2和H2O ;反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶失氧載氧體和含碳煤灰，進(jìn)入一級(jí)慣性分離器進(jìn)行分離；分離下來的失氧載氧體進(jìn)空氣反應(yīng)器內(nèi)，與橫向通過的空氣相互接觸反應(yīng)獲得再生，之后經(jīng)一級(jí)返料入口閥門返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器分離，二次分離下來的固體顆粒(含碳灰塵和失氧載氧體細(xì)顆粒)經(jīng)二級(jí)返料入口閥門返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器繼續(xù)參與燃燒反應(yīng)，分離出的氣體經(jīng)冷凝剔除H2O,獲得高純度的CO2有益效果與現(xiàn)有的常規(guī)CLC系統(tǒng)和固體廢棄物處理系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型具有如下的特色及優(yōu)點(diǎn)I、將循環(huán)流化床與錯(cuò)流移動(dòng)床聯(lián)合運(yùn)用，分別實(shí)現(xiàn)固體廢棄物/載氧體的燃燒反應(yīng)過程和載氧體的載氧反應(yīng)過程。通過大幅提高載氧體的載氧反應(yīng)速率，解決因二者反應(yīng)速率存在數(shù)量級(jí)差而導(dǎo)致的反應(yīng)匹配問題。2、燃料反應(yīng)器可采用常壓或者加壓操作，在加壓條件下，循環(huán)流化床具有密度高(固-氣體積比大于O. I)、循環(huán)倍率高(50 100)、物料通量高(>200kg/m2s)的特點(diǎn)，物料顆粒停留時(shí)間遠(yuǎn)大于普通常壓流化床反應(yīng)器，氣固湍流反應(yīng)(如煤和固體廢棄物顆粒氣化反應(yīng)、氣化產(chǎn)物還原載氧體反應(yīng))速率明顯增加，不僅大幅提高了固體廢棄物的燃燒速率，而且氣相產(chǎn)物中CO等不完全燃燒產(chǎn)物有效降低。燃料反應(yīng)器內(nèi)的載氧體濃度遠(yuǎn)高于普通循環(huán)流化床反應(yīng)器，固體廢棄物的氣化產(chǎn)物被載氧體連續(xù)快速氧化，從而提高了氣化反應(yīng)速率，促進(jìn)了固體廢棄物的氣化反應(yīng)。3、打破傳統(tǒng)CLC系統(tǒng)采用流化床作為空氣反應(yīng)器的思路，采用錯(cuò)流移動(dòng)床作為空氣反應(yīng)器，失氧載氧體與空氣在其中錯(cuò)流混合反應(yīng)。4、由于空氣反應(yīng)器采用特殊的錯(cuò)流移動(dòng)床設(shè)計(jì)，載氧體顆粒在錯(cuò)流移動(dòng)床內(nèi)快速通過。即使載氧體內(nèi)混入少量含碳灰塵，由于反應(yīng)時(shí)間短、顆粒較大、接觸面積小，不易發(fā)生燒結(jié)，降低了含碳灰塵在空氣反應(yīng)器中燃燒引起的燒結(jié)風(fēng)險(xiǎn)；和流化床空氣反應(yīng)器相比，錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。5、本實(shí)用新型在循環(huán)流化床上部采用120°的彎頭與一級(jí)慣性分離器上部相連，遵循了顆粒運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)特征，與常規(guī)的直角連接方式相比，減少了顆粒對(duì)連接處的磨損，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖I是本實(shí)用新型的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置中空氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)放大示意圖。以上圖中有循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器1，一級(jí)慣性分離器2，一級(jí)慣性分離器出口3，一級(jí)料腿4，新鮮載氧體顆粒給料器5，錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器6，導(dǎo)流板7，J形返料閥8，一級(jí)返料入口閥門9，二級(jí)旋風(fēng)分離器出口 10，二級(jí)旋風(fēng)分離器11，二級(jí)料腿12，二級(jí)返料入口閥門13，空氣進(jìn)出口孔板14。可燃固體廢棄物入口 A，煤顆粒入口 B，失活載氧體顆粒排料器C，反應(yīng)器氣化劑(水蒸氣)入口 D，反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口 E，空氣入口 F，空氣反應(yīng)器排氣口 G。
具體實(shí)施方式
以下參照?qǐng)DI來詳細(xì)說明本實(shí)用新型的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的方法，載氧體以鐵礦石(主要成分為Fe2O3)為例。I)循環(huán)流化床固廢反應(yīng)器(以下或簡(jiǎn)稱燃料反應(yīng)器)1底部布置的布風(fēng)板為氣化劑入口，左下側(cè)有兩個(gè)入口，上面為可燃固體廢棄物入口 A，下面為煤顆粒入口 B。右側(cè)為一級(jí)返料入口。水蒸氣和CO2混合物作為氣化劑和流化介質(zhì)，分別從燃料反應(yīng)器I底部的反應(yīng)器氣化劑(水蒸氣)入口 D和反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口 E進(jìn)入，攜帶從可燃固體廢棄物入口 A進(jìn)入的可燃固體廢棄物顆粒和從煤顆粒入口 B進(jìn)入的煤顆粒、從一級(jí)返料入口進(jìn)入的返料向上運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，氣化劑與可燃固體廢棄物顆粒以及煤顆粒發(fā)生氣化反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w，主要成分為CO和H2?？扇?xì)怏w與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，載氧體中的氧傳遞給可燃?xì)怏w，使得CO被氧化成C02，H2被氧化成H2O (氣體)，而載氧體失去部分氧生成氧化亞鐵或四氧化三鐵。載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗CO和H2,也促進(jìn)了煤和可燃固體廢棄物的氣化反應(yīng)。2 )反應(yīng)后的固體顆粒(失氧載氧體顆粒和含碳灰塵)被煙氣帶出，進(jìn)入與燃料反應(yīng)器出口相連的一級(jí)慣性分離器2，大部分失氧載氧體顆粒被分離下來進(jìn)入與一級(jí)料腿4相連的錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(以下或簡(jiǎn)稱空氣反應(yīng)器)6，而含碳灰塵和少量失氧載氧體細(xì)顆粒則隨煙氣從一級(jí)慣性分離器出口 3進(jìn) 入二級(jí)旋風(fēng)分離器11。3)在空氣反應(yīng)器6內(nèi)，一級(jí)慣性分離器2分離出的失氧載氧體進(jìn)行載氧反應(yīng)。失氧載氧體從空氣反應(yīng)器6的頂部進(jìn)入，空氣從空氣入口 F經(jīng)過空氣進(jìn)出口孔板14后均勻進(jìn)入，兩者錯(cuò)流接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，失氧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 G排出。再生后的載氧體經(jīng)過J形返料閥8和一級(jí)返料入口閥門9，回到燃料反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)。物料在燃料反應(yīng)器I- 一級(jí)慣性分離器2-空氣反應(yīng)器6-燃料反應(yīng)器I之間的循環(huán)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一級(jí)返料循環(huán)。當(dāng)載氧體載氧能力明顯下降時(shí)，從新鮮載氧體顆粒給料器5補(bǔ)充相應(yīng)的新鮮載氧體，同時(shí)，永久失活的載氧體從失活載氧體顆粒排料器C排出。4)攜帶含碳灰塵和少量失氧載氧體細(xì)顆粒的煙氣在二級(jí)旋風(fēng)分離器11內(nèi)發(fā)生二次分離。分離下來的固體顆粒進(jìn)入二級(jí)料腿12，經(jīng)過二級(jí)返料入口閥門13返回至一級(jí)料腿4繼續(xù)反應(yīng)。物料在燃料反應(yīng)器I- 一級(jí)慣性分離器2- 二級(jí)旋風(fēng)分離器11-空氣反應(yīng)器6-燃料反應(yīng)器I-之間的循環(huán)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了二級(jí)返料循環(huán)。CO2和H2O (氣體)的氣體混合物從二級(jí)旋風(fēng)分離器出口 10排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得高純度的C02。
權(quán)利要求1.一種煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；其特征在于，燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I);分離系統(tǒng)包括一級(jí)慣性分離器(2)、一級(jí)慣性分離器出口(3)、一級(jí)料腿(4)、二級(jí)旋風(fēng)分離器(11)、二級(jí)旋風(fēng)分離器出口(10)和二級(jí)料腿(12);載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(6 )、新鮮載氧體顆粒給料器(5 )、J形返料閥(8 )和失活載氧體顆粒排料器(C ); 循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的上部接一級(jí)慣性分離器(2)的上部，一級(jí)慣性分離器(2)的下部接一級(jí)料腿(4)，一級(jí)慣性分離器(2)的頂部通過一級(jí)慣性分離器出口(3)接二級(jí)旋風(fēng)分離器(11)的上部，二級(jí)旋風(fēng)分離器(11)的下部通過二級(jí)料腿(12)接一級(jí)料腿(4)的中部，一級(jí)料腿(4)的下部出口位于錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(6)中，錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(6 )的下部通過J形返料閥(8 )接循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的下部，失活載氧體顆粒排料器(C)、反應(yīng)器氣化劑入口(D)和反應(yīng)器氣化劑入口(E)位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的最底部；可燃固體廢棄物入口(A)，煤顆粒入口(B)位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的下部的壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，其特征在于循環(huán)流化床上部通過120°角的彎頭與一級(jí)慣性分離器上部相連；與一級(jí)慣性分離器(2 )連接的一級(jí)料腿(4)的直徑是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)直徑的兩倍，而二級(jí)旋風(fēng)分離器(11)連接的二級(jí)料腿(12)的直徑則是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)直徑二分之一；錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(6)中采用多孔板作為氣體分布器，出口布置有截面為等邊三角形的導(dǎo)流板。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；其特征在于，燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(1)；分離系統(tǒng)包括一級(jí)慣性分離器(2)、一級(jí)慣性分離器出口(3)、一級(jí)料腿(4)、二級(jí)旋風(fēng)分離器(11)、二級(jí)旋風(fēng)分離器出口(10)和二級(jí)料腿(12)；載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯(cuò)流移動(dòng)床空氣反應(yīng)器(6)、新鮮載氧體顆粒給料器(5)、J形返料閥(8)和失活載氧體顆粒排料器(C)；該方法能使二者反應(yīng)速率相匹配，達(dá)到燃燒效率高、載氧體的載氧能力強(qiáng)、分離出的CO2濃度高及CO2最終捕集率高等效果。
文檔編號(hào)F23C10/10GK202598494SQ20122022424
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者邵應(yīng)娟, 金保昇, 陳曦, 鐘文琪, 黃亞繼 申請(qǐng)人:東南大學(xué)