專利名稱：一種化學鏈燃燒固體燃料的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種化學鏈燃燒的方法和裝置，尤其涉及一種化學鏈燃燒固體燃料并分離CO2的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
自從工業(yè)文明以來，地球大氣中的CO2濃度由于人類的生產(chǎn)活動而急劇上升。CO2 作為一種典型的溫室氣體，直接導致溫室效應。隨著近年來全球氣候變化日益顯著，CO2捕集與封存(CCS)技術(shù)成為當今能源和環(huán)境科學領域研究的熱點問題?；瘜W鏈燃燒是20世紀80年代發(fā)展起來的一種CO2分離捕集技術(shù)?；瘜W鏈燃燒過程在兩個反應器內(nèi)完成，一個是空氣反應器，另一個是燃料反應器，在兩個反應器中循環(huán)的固體物質(zhì)叫做載氧體。在空氣反應器中，低價態(tài)的載氧體被空氣中的氧氣氧化成為高價態(tài)，載氧體獲得氧；高價態(tài)的載氧體進入燃料反應器，在燃料反應器中被燃料氣體還原，即載氧體釋放氧，載氧體由高價態(tài)重新回到為低價態(tài)，燃料反應器的氣體產(chǎn)物為水蒸氣和CO2，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2,實現(xiàn)CO2的分離；低價態(tài)的載氧體回到空氣反應器進行下次循環(huán)?；瘜W鏈燃燒總的反應仍為燃料在空氣中的燃燒反應，獲得與燃料在空氣中燃燒相等的熱量，但是經(jīng)過這個循環(huán)，化學鏈燃燒過程實現(xiàn)了 CO2的內(nèi)在分離而不需要額外的能耗。因此，化學鏈燃燒是一種具有前途的CO2捕集技術(shù)并成為當今的研究熱點之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種化學鏈燃燒固體燃料的方法和裝置，本發(fā)明在實現(xiàn)固體燃料燃燒的同時能夠有效分離CO2，具有減少溫室氣體排放的優(yōu)點，本發(fā)明利用充分利用反應自身放熱，降低系統(tǒng)成本，提高可靠性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種化學鏈燃燒固體燃料的方法，將煤與水蒸氣通過氣化反應器下端的燃料水蒸氣入口加入氣化反應器中，氣化反應器的溫度控制在900-950°C，煤與水蒸氣發(fā)生氣化反應， 生成含有主要成分為H2、CO的合成氣；氣化過程產(chǎn)生的灰渣通過氣化反應器底部的排渣口排出；合成氣經(jīng)過輸送管進入燃料反應器的底部；將低價態(tài)的載氧體Ni置于空氣反應器中，在空氣反應器底部中通入空氣，空氣反應器處于流態(tài)化，空氣反應器的溫度控制在 900-950°C, Ni被空氣氧化，生成高價態(tài)的NiO，同時釋放出熱量，用于提供氣化反應器中的反應所需熱量；NiO被空氣提升至旋風分離器，氣固經(jīng)過分離，分離后氣體從旋風分離器出口逸出，NiO通過旋風分離器下料管進入燃料反應器；來自氣化反應器的合成氣經(jīng)過輸送管進入燃料反應器；燃料反應器處于鼓泡流態(tài)化，燃料反應器的溫度控制在850-90(TC，來自氣化反應器的合成氣與高價態(tài)載氧體NiO發(fā)生反應，固體產(chǎn)物為Ni，氣體產(chǎn)物為CO2與水蒸氣；C02與水蒸氣經(jīng)過燃料反應器出口逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2,實現(xiàn)0)2捕集；燃料反應器中的Ni經(jīng)過溢流槽重新回到空氣反應器，從而使Ni實現(xiàn)循環(huán)利用。本發(fā)明的裝置方案如下一種用于上述化學鏈燃燒固體燃料的方法的裝置，由空氣反應器、氣化反應器、旋風分離器、輸送管、燃料反應器、溢流槽以及旋風分離器下料管組成；氣化反應器置于空氣反應器內(nèi)部；氣化反應器的頂端連接輸送管；輸送管連接燃料反應器底部；空氣反應器的上端與旋風分離器相連；旋風分離器的下端為旋風分離器下料管；旋風分離器下料管插入燃料反應器的內(nèi)部；燃料反應器通過溢流槽與空氣反應器下端側(cè)相連；溢流槽的底部設有松動風口 ；氣化反應器的底部設有燃料水蒸氣入口與排渣口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(I)、本發(fā)明采用的CO2分離方式簡單，易于得到純凈的co2。本發(fā)明屬于化學鏈燃燒技術(shù)，繼承了常規(guī)化學鏈燃燒的優(yōu)點。目前工業(yè)上成熟的CO2分離技術(shù)有胺吸附法，胺吸附法的主要缺點為胺吸附劑的生產(chǎn)工藝復雜，成本高昂；同時胺吸附劑有毒，其在生產(chǎn)和使用過程中不可避免地會對操作人員的健康產(chǎn)生危害，并對環(huán)境造成二次污染。近年來新發(fā)展起來的富氧燃燒也是一種有效的CO2分離捕集技術(shù)，但是富氧燃燒的空分裝置在純氧的制備過程中需要大量的能耗，直接降低整個系統(tǒng)效率。將燃料通過化學鏈燃燒的方式進行利用， 燃料在化學鏈燃燒的過程中釋放的熱量與燃料在空氣中的燃燒釋放的熱量相等，但是本發(fā)明采用冷凝的方法，內(nèi)在地實現(xiàn)了 CO2和水蒸氣的分離而不需要額外的能耗，更值得一提的是，在利用化學鏈燃燒的熱量中，由于傳熱溫差低，系統(tǒng)的損失降低，系統(tǒng)的能量使用效率得到提聞。(2)、本發(fā)明能夠使用固體燃料，符合我國國情，便于取材，降低系統(tǒng)成本。在經(jīng)典的化學鏈燃燒中，燃料反應器通常采用氣體燃料，比如天然氣。但是，我國是一個少油、缺氣、多煤的國家。煤作為我國主要的化石燃料，其儲量遠遠高于天然氣。將煤直接用于化學鏈燃燒是一條煤燃燒過程中實現(xiàn)CO2捕集的有效途徑。如果將煤和水蒸氣直接送入燃料反應器，煤的氣化和載氧體的還原在燃料反應器中同時進行，雖然這樣可以加快燃料反應器內(nèi)的反應速率，但是由于煤中含有灰分，灰分與載氧體難以分離，其直接粘附在載氧體表面，造成載氧體失活；同時，煤可能和載氧體夾雜在一起進入空氣反應器中，使空氣反應器出口的煙氣中含有CO2,降低了 CO2的捕集效率。而本發(fā)明中，燃料燃燒在氣化反應器中進行，反應后生成含有主要成分為H2、C0的合成氣輸送至燃料反應器后與NiO接觸，Ni與空氣在空氣反應器中反應生成的NiO輸送至燃料反應器，與合成氣反應，氣體產(chǎn)物水蒸氣和CO2 經(jīng)燃料反應器出口排出，固體產(chǎn)物Ni回到空氣反應器中循環(huán)利用；整個系統(tǒng)中氣化反應器中反應剩余的灰分等，依然留在氣化反應器中并由排渣口排出，避免了灰分與載氧體的接觸；而整個反應系統(tǒng)中的CO2，都是在燃料反應器中反應生成，同時產(chǎn)生的是水蒸氣，從而通過冷凝的方法即可方便的獲取純凈的CO2,解決了灰分導致載氧體失活以及CO2隨空氣反應器出口的煙氣排出導致的捕集效率降低的問題。(3)、本發(fā)明簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低投資運行成本。以往在使用煤作為燃料進行化學鏈燃燒時，需要增加額外的氣化爐，將煤在單獨的氣化爐中進行氣化，氣化后生成的合成氣再送入燃料反應器與載氧體反應，可以有效避免載氧體與煤的直接接觸，避免了載氧體粘附灰分而失活。這種方式需要額外的氣化爐，由于氣化反應是一個吸熱反應，需要有熱源提供氣化的熱量，常規(guī)的氣化爐中的熱量來自煤的部分燃燒，為了保證合成氣熱值，外界向氣化爐輸送純氧，純氧與煤燃燒提供氣化反應需要的熱量，但是生產(chǎn)純氧需要空分裝置，空分裝置在制取純氧的過程中又將消耗大量的能量，降低了系統(tǒng)凈效率。所以，將煤氣化后的合成氣進行化學鏈燃燒是一種使用固體燃料的有效途徑，但是缺點在于需要額外的空分裝置提供純氧供給氣化爐。本發(fā)明將氣化反應器置于空氣反應器內(nèi)部，氣化反應器中的煤氣化所需熱量直接來源于空氣反應器中Ni被空氣氧化生成高價態(tài)的NiO同時釋放出的熱量放熱，不需要以往進行化學鏈燃燒時的空分裝置，減少了投資與運行成本，提高了系統(tǒng)的運行
可靠性。


圖I為本發(fā)明化學鏈燃燒固體燃料的裝置圖。
具體實施例方式實施例I
一種化學鏈燃燒固體燃料的方法，將煤與水蒸氣通過氣化反應器下端的燃料水蒸氣入口加入氣化反應器中，氣化反應器的溫度控制在900-950°C，煤與水蒸氣發(fā)生氣化反應， 生成含有主要成分為H2、CO的合成氣；氣化過程產(chǎn)生的灰渣通過氣化反應器底部的排渣口排出；合成氣經(jīng)過輸送管進入燃料反應器的底部；將低價態(tài)的載氧體Ni置于空氣反應器中，在空氣反應器底部中通入空氣，空氣反應器處于流態(tài)化，空氣反應器的溫度控制在 900-950°C, Ni被空氣氧化，生成高價態(tài)的NiO，同時釋放出熱量，用于提供氣化反應器中的反應所需熱量；NiO被空氣提升至旋風分離器，氣固經(jīng)過分離，分離后氣體從旋風分離器出口逸出，NiO通過旋風分離器下料管進入燃料反應器；來自氣化反應器的合成氣經(jīng)過輸送管進入燃料反應器；燃料反應器處于鼓泡流態(tài)化，燃料反應器的溫度控制在850-90(TC，來自氣化反應器的合成氣與高價態(tài)載氧體NiO發(fā)生反應，固體產(chǎn)物為Ni，氣體產(chǎn)物為CO2與水蒸氣；C02與水蒸氣經(jīng)過燃料反應器出口逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2,實現(xiàn)0)2捕集；燃料反應器中的Ni經(jīng)過溢流槽重新回到空氣反應器，從而使Ni實現(xiàn)循環(huán)利用。 通入溢流槽6的底部D的松動風采用水蒸氣。實施例2
一種用于實現(xiàn)化學鏈燃燒固體燃料的方法的裝置，由空氣反應器I、氣化反應器2、旋風分離器3、輸送管4、燃料反應器5、溢流槽6以及旋風分離器下料管7組成；氣化反應器 2置于空氣反應器I內(nèi)部；氣化反應器2的頂端連接輸送管4 ;輸送管4連接燃料反應器5 底部；空氣反應器I的上端與旋風分離器3相連；旋風分離器3的下端為旋風分離器下料管 7 ;旋風分離器下料管7插入燃料反應器5的內(nèi)部；燃料反應器5通過溢流槽6與空氣反應器I下端側(cè)相連；溢流槽6的底部D設有松動風口 ；氣化反應器2的底部設有燃料水蒸氣入口 A與排渣口 B。
權(quán)利要求
1.一種化學鏈燃燒固體燃料的方法，其特征在于將煤與水蒸氣通過氣化反應器下端的燃料水蒸氣入口(A)加入氣化反應器(2)中，氣化反應器(2)的溫度控制在900-950°C， 煤與水蒸氣發(fā)生氣化反應，生成含有主要成分為H2、CO的合成氣；氣化過程產(chǎn)生的灰渣通過氣化反應器底部的排渣口(B)排出；合成氣經(jīng)過輸送管(4)進入燃料反應器(5)的底部； 將低價態(tài)的載氧體Ni置于空氣反應器(I)中，在空氣反應器底部(C)中通入空氣，空氣反應器(I)處于流態(tài)化，空氣反應器(I)的溫度控制在900-95(TC，Ni被空氣氧化，生成高價態(tài)的NiO，同時釋放出熱量，用于提供氣化反應器中的反應所需熱量；NiO被空氣提升至旋風分離器(3)，氣固經(jīng)過分離，分離后氣體從旋風分離器出口(E)逸出，NiO通過旋風分離器下料管(7 )進入燃料反應器(5 );來自氣化反應器(2 )的合成氣經(jīng)過輸送管(4 )進入燃料反應器(5);燃料反應器(5)處于鼓泡流態(tài)化，燃料反應器(5)的溫度控制在850-90(TC，來自氣化反應器(I)的合成氣與高價態(tài)的載氧體NiO發(fā)生反應，固體產(chǎn)物為Ni，氣體產(chǎn)物為CO2 與水蒸氣；C02與水蒸氣經(jīng)過燃料反應器出口(F)逸出，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的 CO2，實現(xiàn)CO2捕集；燃料反應器(5 )中的Ni經(jīng)過溢流槽(6 )重新回到空氣反應器(I)，從而使Ni實現(xiàn)循環(huán)利用。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述的化學鏈燃燒固體燃料的方法的裝置，其特征在于由空氣反應器(I)、氣化反應器(2)、旋風分離器(3)、輸送管(4)、燃料反應器(5)、溢流槽(6)以及旋風分離器下料管(7)組成；氣化反應器(2)置于空氣反應器(I)內(nèi)部；氣化反應器(2) 的頂端連接輸送管(4);輸送管(4)連接燃料反應器(5)底部；空氣反應器(I)的上端與旋風分離器(3)相連；旋風分離器(3)的下端為旋風分離器下料管(7);旋風分離器下料管(7) 插入燃料反應器(5)的內(nèi)部；燃料反應器(5)通過溢流槽(6)與空氣反應器(I)下端側(cè)相連；溢流槽(6)的底部(D)設有松動風口 ；氣化反應器(2)的底部設有燃料水蒸氣入口(A) 與排渣口(B)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于通入溢流槽(6)的底部(D)的松動風采用水蒸氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種化學鏈燃燒固體燃料的方法及其裝置，氣化反應器布置在空氣反應器內(nèi)部，煤與水蒸氣在氣化反應器中氣化，所需熱量來自外圍空氣反應器放熱；氣化反應器內(nèi)生成的合成氣進入燃料反應器；載氧體NiO在燃料反應器與合成氣反應，固體產(chǎn)物為低價態(tài)Ni，氣體產(chǎn)物為水蒸氣與CO2，冷凝分離出其中的水后，得到純凈的CO2；低價態(tài)Ni進入空氣反應器被空氣重新氧化成高價態(tài)的NiO，釋放出熱量，載氧體NiO實現(xiàn)循環(huán)利用。
文檔編號F24J1/00GK102589147SQ201210051649
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者向文國, 薛志鵬, 陳時熠 申請人:東南大學