專利名稱：一種可分離二氧化碳的煤燃燒裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于燃煤二氧化碳分離與減排領域，具體涉及一種可分離二氧化碳的煤燃
燒裝裝置。
背景技術：
燃燒化石燃料(煤、石油及天然氣)所排放的二氧化碳是造成全球變暖的主要原 因，然而隨著人們認識的不斷深入，全球氣候變暖對人類生存和社會發(fā)展產生的嚴重影響 已引起了世界各國廣泛關注，減少的控制二氧化碳的排放成為了當前全社會的共識。我國 以煤為主的能源結構決定了減排二氧化碳將成為今后可持續(xù)發(fā)展的主要內容之一。目前主流的二氧化碳減排技術主要有三種燃后捕獲、富氧燃燒和燃前捕獲。存在 的主要問題是減排成本太高，如后燃捕獲的吸收劑再生，純氧燃燒的制氧過程均需要消耗 大量的能源。相關數(shù)據(jù)顯示后燃捕獲和純氧燃燒將消耗電站25-28%所產生的電力，發(fā)電 成本增加30-40% ；前燃捕獲的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)技術也會使發(fā)電成本增加25%左右。 造成以上減排成本高的主要原因如下上述技術大都采用常規(guī)的煤燃燒技術，即以空氣為 氧化劑，一步氧化反應工藝路線，空氣中存在的大量氮氣進入煙氣中，因此生成煙氣中的二 氧化碳濃度很低，僅占10-15%，導致二氧化碳的后續(xù)處理，包括濃縮提純和壓縮填埋的成 本太高?，F(xiàn)有利用化學鏈燃燒可置換燃燒方式分離二氧化碳的方法，如中國專利 03152977. 1,200510040519. 3和200710118134. 3，上述三個專利中，采用的裝置和方法具 有如下不足其一、上述專利采用細長的循環(huán)流化床作為空氣反應器，采用高度較低的鼓泡 流化床或噴動流化床作為燃料反應器；這種結構實際上是將處理氣體燃料的思路照搬到處 理煤中來，這在實際運行中是不合理的，因為煤要先進行煤氣化反應變成氣體燃料，然后再 與氧載體發(fā)生還原反應，而在燃料反應器中發(fā)生的煤氣化反應速度要比氧載體在空氣反應 器中的氧化反應低幾個數(shù)量級，因此現(xiàn)有的燃料反應器結構不能滿足整個系統(tǒng)反應的時間 要求；其次，以上裝置均在常壓下運行，分離后的二氧化碳需進行后續(xù)壓縮，能耗高；最后、 氧載體是采用貴金屬氧化物如氧化鎳、氧化銅或氧化鈷，或采用廉價的硫酸鈣，貴金屬氧化 物雖然反應活性較好，但價格高，在實際運行中由于不可避免的跑損，要補充氧載體，會造 成運行成本急劇上升；廉價的硫酸鈣氧載體在反應過程中有二氧化硫析出的問題，造成環(huán) 境問題。

實用新型內容本發(fā)明的目的在于提供一種可高效、低成本分離二氧化碳的煤燃燒裝置，能夠在 無能量耗損的條件下實現(xiàn)二氧化碳的高效分離。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，主要由燃料反 應器、一級旋風分離器、料腿和空氣反應器串聯(lián)組成，所述燃料反應器的下部是大截面的混 合室，上部是小截面的提升管，所述提升管的高度是所述混合室的高度的3倍以上。[0007]為了提高煤的處理能力，使得設備緊湊，降低后續(xù)二氧化碳壓縮能耗，由所述燃料 反應器、所述一級旋風分離器、所述料腿和所述空氣反應器串聯(lián)組成的整個系統(tǒng)都設置在 一個壓力殼內，系統(tǒng)中與外界相通的進口、出口穿過所述壓力殼；所述壓力殼上設置有充壓 閥和放壓閥，來調節(jié)壓力殼內的壓力。所述一級旋風分離器的煙氣出口處設置有二級旋風分離器，二級旋風分離器上部 是煙氣出口，煙氣(主要是二氧化碳和水蒸汽)通過壓力殼排出，下部是顆粒出口，分離的 顆粒再從一級旋風分離器側面返回；所述一級旋風分離器的下端設置有一級氣體密封閥， 密封閥中部設防止氣體反竄的密封隔板；所述一級氣體密封閥的側面設顆粒出口，與起密 封作用的料腿連接，所述料腿下端出口設置在所述空氣反應器的下部密相區(qū)內；所述空氣 反應器的中下部布置橫向排列的熱交換器，側面設斜管與二級氣體密封閥側面連接，所述 二級氣體密封閥的另一側面通過斜管與所述燃料反應器的混合室相連，閥內中部設置密封 隔板；所述空氣反應器上部是貧氧空氣(氣體中氧氣量少于空氣)，所述空氣反應器的氣體 出口與氣固分離裝置相連，分離裝置上部是清潔貧氧空氣出口通過壓力殼排出，下部是分 離后顆粒從空氣反應器下部側面返回。本實用新型采用氣體密封閥和旋風分離器料腿進行 顆粒雙密封，以防止燃料反應器和空氣反應器的氣體互竄。煤進口設置在所述混合室的下部；氧載體進口設置在所 述空氣反應器的下部；所 述提升管的下部設置氧載體補充口 ；所述混合室和所述空氣反應器的底部設置有排渣口， 排放灰渣和失活氧載體。所述混合室采用低速湍流流化床方式運行；所述提升管采用快速床方式運行；所 述空氣反應器采用移動床流化床方式運行；所述氧載體為鐵礦石。本實用新型的有益效果為1、由于在燃料反應器中發(fā)生的煤氣化反應和氧載體的還原反應的反應速度遠低 于氧載體在空氣反應器中的氧化反應，為保證燃料反應器內的反應效率，本實用新型中燃 料反應器分成二個部分，下部是矮胖的混合室，采用湍流床流型，以強化煤粒與氧載體的混 合與加熱過程，上部是細長的提升管，采用快速床流型，以形成氣固的“環(huán)核”流動和顆粒 內循環(huán)，強化煤氣化反應和反應時間；空氣反應器采用移動床流化床方式，增加反應的穩(wěn)定 性，防止空氣向上進入燃料反應器的旋風分離系統(tǒng)，保證氧載體的分離與平穩(wěn)進入空氣反 應器；2、本實用新型中燃料反應器采用長停留時間的反應器結構，即反應空間變大，顆 粒能形成內循環(huán)和提高氣固湍流度，而空氣反應器則采用移動流化床使運行平穩(wěn)，熱量能 均勻釋放，同時在床內設置熱交換器，避免由于氧化反應熱量大量集中釋放而造成局部過 熱引起的結焦；3、本實用新型整個系統(tǒng)加壓后，可采取燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式運行，其系統(tǒng) 效率要比常壓系統(tǒng)的蒸汽發(fā)電模式要高；加壓裝置在煤處理相同條件下，設備更為緊湊，降 低設備的初投資；加壓系統(tǒng)采用的前端壓縮氣量要比后端煙氣壓縮氣量要小得多，能顯著 降低二氧化碳壓縮填埋的能耗。

圖1為利用本實用新型可分離二氧化碳的煤燃燒裝置反應的流程示意圖。[0016]圖2為采用本實用新型可分離二氧化碳的煤燃燒裝置實施二氧化碳分離的工藝流程圖。圖中1、燃料反應器，1-1、混合室，1-2、提升管，2、一級旋風分離器，3、二級旋風分 離器，4、一級氣體密封閥，5、料腿，6、二級氣體密封閥，7、空氣反應器，8、氣固分離裝置，9、 壓力殼，10、充壓閥，11、放壓閥，12、載氧體料罐，13、給料控制閥，14、輸送噴射器，15、煤罐， 16、二級燃料反應器氣固分離裝置，17、燃料側飛灰罐，18、二級空氣反應器氣固分離裝置， 19、空氣側飛灰罐，20、煙氣輪機，21、余熱鍋爐，22、冷卻器，23、儲水罐，24、蒸汽輪機，25、二 氧化碳壓縮機，26、空氣壓縮機。
具體實施方式
下面通過實施例的方式，對本實用新型技術方案進行詳細說明，但是本實用新型 的保護范圍不局限于所述實施例。實施例1如圖1所示，一種可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，主要由燃料反應器1、一級旋風 分離器2、料腿5和空氣反應器7串聯(lián)組成，它采用兩個獨立的反應器燃料反應器1和空 氣反應器7，燃料反應器下部是大截面的混合室1-1，上部是小截面的提升管1-2，提升管高 度是混合室的3倍以上；整個系統(tǒng)設置在一個壓力殼9內，所述壓力殼9上設置有充壓閥10和放壓閥11， 用來調節(jié)壓力殼9內的壓力。燃料反應器1側面出口與一級旋風分離器2側面入口連接，一級旋風分離器2上 部為煙氣出口與二級旋風分離器3的側面連接，二級旋風分離器3上部是煙氣出口，煙氣 (主要是二氧化碳和水蒸汽)，通過壓力殼9離開旋風分離器，下部是顆粒出口，分離的顆粒 再從一級旋風分離器2側面返回；一級旋風分離器2下部接一級氣體密封閥4，密封閥中部 設防止氣體反竄的密封隔板，側面設顆粒出口與起密封作用的料腿5連接，料腿5下端出口 設置在空氣反應器7的下部密相區(qū)內；空氣反應器7中下部布置橫向排列的熱交換器，側面設斜管與二級氣體密封閥6 側面連接，密封閥的另一側面通過斜管與燃料反應器1混合室1-1相連，閥內中部設置密封 隔板；空氣反應器上部是貧氧空氣(氣體中氧氣量少于空氣)出口與氣固分離裝置8相連， 分離裝置上部是清潔貧氧空氣出口通過壓力殼9離開分離裝置，下部是分離后顆粒從空氣 反應器7下部側面返回；煤進口 12設置在燃料反應器混合室1-1的下部，氧載體進口 13設置在空氣反應 器7的下部，在燃料反應器提升管1-2的下部設置氧載體補充口 14，在燃料反應器1的混合 室1-1和空氣反應器7底部設置排渣口 15，排放灰渣和失活氧載體。所述混合室1-1采用低速湍流流化床方式運行；所述提升管1-2采用快速床方式 運行；所述空氣反應器7采用移動床流化床方式運行；所述氧載體為鐵礦石。利用可分離二氧化碳的煤燃燒裝置分離二氧化碳的方法如下(一 )、將煤輸入到所述燃料反應器1下部的混合室1-1中，與氧載體鐵礦石混合； 向混合室1-1的底部通入水蒸氣，使其與加入的煤發(fā)生汽化反應，生成煤氣(主要是一氧化 碳和氫氣)；生成的煤氣再與氧載體發(fā)生氧化還原反應，氧載體(氧化鐵)中的氧傳遞給煤 氣，一氧化碳被氧化成二氧化碳，氫氣被氧化成水蒸汽，氧載體失去部分氧變成氧化亞鐵或四氧化三鐵；( 二)、失氧后的氧載體被所述燃料反應器1中的煙氣帶出，經所述一級旋風分離 器2和所述二級旋風分離器3分離后，氣體(二氧化碳和水蒸汽)冷凝獲得高純度的二氧 化碳，失氧后的氧載體經一級氣體密封閥4和料腿5進入空氣反應器7中與空氣中的氧氣 反應，氧化生成氧化鐵，完成載氧過程；(三)、重新載氧后的氧載體經二級氣體密封閥6返回燃料反應器1，完成了一個循 環(huán)。氧載體在兩個反應器的循環(huán)過程中也作為一種熱載體，將空氣反應器中氧化反應 所放出的熱量傳遞給燃料反應器，提供煤氣化等吸熱反應所需熱量；所述燃料反應器1的溫度控制在900-1000°C，所述空氣反應器7的溫度控制在 950-1050°C ；所述燃料反應器1與所述空氣反應器7 二床間顆粒循環(huán)量采用二床間壓差控 制，壓差控制在7500Pa-15000Pa ；整個裝置系統(tǒng)集中在壓力殼9中，運行壓力在0.5Mpa以上，壓力的調節(jié)通過充壓 閥10和放壓閥11實現(xiàn)，充壓氣體為氮氣。實施例2如圖2所示，利用可分離二氧化碳的煤燃燒裝置的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由可分離二 氧化碳的煤燃燒裝置、灰渣除塵系統(tǒng)，煤和氧載體加料系統(tǒng)，煙氣輪機20，蒸汽輪機24，空 氣壓縮機26、二氧化碳壓縮機25，余熱鍋爐21等組成。具體工作方式如下煤加入煤罐15中，給料閥13控制給煤量，再循環(huán)的二氧化碳作為輸送氣由輸送噴 射器氣力輸送到燃料反應器下部混合室1-1，煤粒采用0-2mm范圍的小顆粒，以利于氣力輸 送和煤氣化反應。煤顆粒進入混合室1-1后迅速與高溫床料(主要是氧載體氧化鐵)混合并加熱至 反應溫度(850-95(TC左右)，混合室氣體狀態(tài)速度控制在1-1. 5m/s,處于湍流流化床流型 區(qū)間，煤迅速脫除揮發(fā)份生成焦炭；焦炭然后與從混合室1-1底部布風板進來的水蒸汽發(fā)生煤氣化反應，生成一氧化 碳和氫氣，水蒸汽既是流化氣起流化作用，又是氣化反應介質，水蒸汽來自蒸汽輪機的抽 氣。氣化產物一氧化碳和氫氣隨后與氧化鐵發(fā)生氧化反應生成二氧化碳和水蒸汽，氧載體 氧化鐵被失氧還原成氧化亞鐵或四氧化三鐵，由于上述反應速度較慢，在混合室中僅有小 部分發(fā)生了反應，尚未反應的焦炭和氧載體被蒸汽和產物氣攜帶進入主反應區(qū)提升管1-2 繼續(xù)反應，提升管氣體狀態(tài)流速控制在2. 5-3. 5m/s，處于快速床流型，形成氣固的“環(huán)核”流 動-四周顆粒濃度高于中間，在管壁附近形成顆粒的內循環(huán)，以增加顆粒在床內的停留時 間，保證反應的充分進行，使焦炭完全轉化成二氧化碳。隨后二氧化碳和蒸汽等煙氣與失氧 的氧載體進入燃料反應器_級旋風分離裝置2和二級旋風分離裝置3，將氣體和顆粒進行分 離。分離后的氧載體經一級氣體密封閥4、料腿5進入空氣反應器7，在空氣反應器內氧化 亞鐵或四氧化三鐵與從底部進入的流化空氣中的氧氣進行氧化反應，氧化成氧化鐵，完成 氧載體的再生，同時釋放大量的熱量，空氣反應器運行在移動流化床區(qū)間，氣體狀態(tài)流速略 低于顆粒的最小流化速度，保障床的運行平穩(wěn)和熱量均勻釋放，床內還設置熱交換器將部 分釋放的熱量帶走，空氣反應器運行溫度在950-1050°C，高于燃料反應器50-100°C，這樣 部分熱量可通過氧載體帶入到燃料反應器，提供燃料反應器內煤氣化反應所需熱量。重新載氧后的氧載體經二級氣體密封閥進行燃料反應器的混合室，氧載體循環(huán)的主要動力是兩 個反應器的壓力差，壓差控制在7500Pa-15000Pa。氧載體(鐵礦石)通過與加煤系統(tǒng)類似 的裝置氣力輸送至空氣反應器底部，此外還在提升管下部設有新鮮氧載體的補充口，一方 面是補充因失活或跑損而減少的氧載體，另一方面可調節(jié)提升管的顆粒濃度以形成氣固的 “環(huán)核”流動。以上過程均在壓力下進行，運行壓力在0. 5MPa以上，視下游煙氣輪機的配置 而定，壓力的調節(jié)通過充壓閥10和放壓閥11實現(xiàn)，充壓氣體為氮氣。 燃料反應器和空氣反應器均設有氣體出口。燃料反應器出口煙氣在二級燃料反應 器氣固分離裝置16深入脫除煙氣中的細小飛灰，飛灰被儲存于飛灰罐17中，高溫高壓清潔 煙氣去煙氣輪機20做功發(fā)電；空氣反應器出口的高溫高壓貧氧空氣也經過二級空氣反應 器氣固分離裝置18進一步除塵后，清潔氣體進入煙氣輪機20發(fā)電，飛灰進入儲存罐19。煙 氣輪機的500°C左右的排氣，包括煙氣和貧氧空氣進入余熱鍋爐21進一步回收能量，余熱 鍋爐中間設置分隔板以防止煙氣和貧氧空氣 互混。余熱鍋爐產生的蒸汽與空氣反應器中熱 交換器產生的蒸汽一同進入蒸汽輪機24做功發(fā)電，從余熱鍋爐出來的煙氣進入冷卻器22， 煙氣中的水蒸汽冷卻變成水儲存在儲水罐23中，獲得的高純度的二氧化碳經壓縮機25后 大部分去填埋，一小部分將作為煤和氧載體的輸送風；余熱鍋爐出口的貧氧空氣則直接排 入大氣。燃料反應器的流化氣體，第一、二級氣體密封閥的流化氣體均來自蒸汽輪機的高壓 蒸汽；空氣反應器的流化氣是來自空氣壓縮機26的高壓空氣。在燃料反應器和空氣反應器 底部設置了排渣口，排出灰渣和部分失活的氧載體，以維持床內的物料平衡和反應床高。
權利要求一種可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，主要由燃料反應器(1)、一級旋風分離器(2)、料腿(5)和空氣反應器(7)串聯(lián)組成，其特征在于所述燃料反應器(1)的下部是大截面的混合室(1-1)，上部是小截面的提升管(1-2)，所述提升管(1-2)的高度是所述混合室(1-1)的高度的3倍以上。
2.根據(jù)權利要求1所述的可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，其特征在于由所述燃料反 應器(1)、所述一級旋風分離器(2)、所述料腿(5)和所述空氣反應器(7)串聯(lián)組成的整個 系統(tǒng)都設置在一個壓力殼(9)內，系統(tǒng)中與外界相通的進口、出口穿過所述壓力殼(9)；所 述壓力殼(9)上設置有充壓閥(10)和放壓閥(11)。
3.根據(jù)權利要求2所述的可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，其特征在于所述一級旋風 分離器(2)的煙氣出口處設置有二級旋風分離器(3)；所述一級旋風分離器(1)的下端設 置有一級氣體密封閥(4)；所述一級氣體密封閥(4)的側面設顆粒出口，與起密封作用的料 腿(5)連接，所述料腿(5)下端出口設置在所述空氣反應器(7)的下部內；所述空氣反應器 (7)的中下部布置橫向排列的熱交換器，側面設斜管與二級氣體密封閥(6)側面連接，所述 二級氣體密封閥(6)的另一側面通過斜管與所述燃料反應器(1)的混合室(1-1)相連；所 述空氣反應器(7)的氣體出口與氣固分離裝置(8)相連。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，其特征在于煤進口設 置在所述混合室(1-1)的下部；氧載體進口設置在所述空氣反應器(7)的下部；所述提升 管(1-2)的下部設置氧載體補充口 ；所述混合室(1-1)和所述空氣反應器(7)的底部設置 有排渣口。
專利摘要本實用新型提供一種可分離二氧化碳的煤燃燒裝置，主要由燃料反應器、一級旋風分離器、料腿和空氣反應器串聯(lián)組成，所述燃料反應器的下部是大截面的混合室，上部是小截面的提升管，所述提升管的高度是所述混合室的高度的3倍以上。本實用新型中燃料反應器采用長停留時間的反應器結構，顆粒能形成內循環(huán)和提高氣固湍流度，而空氣反應器則采用移動流化床使運行平穩(wěn)，熱量能均勻釋放，同時在床內設置熱交換器，避免由于氧化反應熱量大量集中釋放而造成局部過熱引起的結焦。燃料反應器和空氣反應器均在壓力下運行，以使設備緊湊，系統(tǒng)能量利用效率高和減少后續(xù)二氧化碳壓縮能耗。
文檔編號C01B31/20GK201569172SQ200920235288
公開日2010年9月1日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2009年10月21日
發(fā)明者宋啟磊, 張帥, 肖睿, 金保升, 鐘文琪 申請人:東南大學