專利名稱：一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)鏈燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝。
背景技術(shù)：
近年來，全球氣 候變暖趨 勢日益加劇，各種自然災(zāi)害也明顯增加，大量研究表明這與人類利用化石燃料有著密切的聯(lián)系。煤、石油與天然氣等化石燃料提供了 85%以上的世界用能的同時，但也在燃燒利用過程中也產(chǎn)生了大量的溫室氣體，是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的一個主要原因。1997年京都會議制定的頗具影響的《京都議定書》中規(guī)定了六種主要的溫室氣體C02、CH4、N20、NFCs、PFCs、SF6，其中CO2的增加對增強溫室效應(yīng)的貢獻大約是70%，因此公約的核心是節(jié)約能源、提高能源利用效率以達到控制和減少CO2排放。盡管人類活動所引起的CO2的排放量比自然循環(huán)過程中的釋放量要少得多，但在人類大量使用化石燃料之前，地球上CO2的排放與吸收基本上出于平衡狀態(tài)；而人類活動排放的大量CO2,使得這種平衡在短時間內(nèi)被打破，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇。并且CO2在大氣中的壽命很長(50-200年)，而且自然界對CO2的吸收率非常小，使得CO2在自然界中的累積量急劇增加。因此，減少化石燃料燃燒所排放的CO2對于控制溫室效應(yīng)和全球變暖具有重要的意義。因此，如何減少CO2的排放成為各國關(guān)注的熱點?；瘜W(xué)鏈燃燒一種減排CO2的有效方法，它是通過載氧體將空氣中的氧以晶格氧的方式傳遞給燃料，實現(xiàn)燃料在無空氣氛圍下的燃燒，從而富集CO2。化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)包括2個反應(yīng)器，即燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器。金屬氧化物作為氧載體在兩個反應(yīng)器中循環(huán)，實現(xiàn)氧和能量的轉(zhuǎn)移。一個高效的化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)至少要滿足下述三個主要條件(I)在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器間運載足夠的載氧體；(2)能夠提供足夠的反應(yīng)時間；(3)能夠阻止兩個反應(yīng)器之間的氣體混合。目前，國內(nèi)外大多采用的是串行流化床反應(yīng)器化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)。其中，空氣反應(yīng)器為快速流化床，空氣將載氧體顆粒攜帶到氣固分離器，載氧體經(jīng)分離進入燃料反應(yīng)器，載氧體與燃料反應(yīng)后由燃料反應(yīng)器進入一個顆粒密封裝置回到空氣反應(yīng)器。雖然這種反應(yīng)器由較高的燃氣轉(zhuǎn)化效率，但在固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中，受其結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，其存在著固體混合物分離困難等問題，導(dǎo)致載氧體的傳遞量和利用效率均較低，實現(xiàn)大型化運行仍然任重道遠?；瘜W(xué)鏈燃燒反應(yīng)器不僅要符合前述化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)的運行要求，還要考慮到其大型化和簡易化運行的要求。完成上述要求才能使得化學(xué)鏈燃燒技術(shù)帶來實質(zhì)性的經(jīng)濟價值和社會價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)系統(tǒng)及工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置相連，第一氣固分離裝置的固體出口與燃料反應(yīng)器相連；燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置相連，第二氣固分離裝置的固體出口與燃料反應(yīng)器相連，第二氣固分離裝置的氣體出口與冷凝裝置的入口相連，冷凝裝置的氣體出口與燃料反應(yīng)器相連，在空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置之間，以及燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置之間設(shè)置至少一個電磁控制裝置。具體連接方式為在空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置之間設(shè)置第一電磁控制裝置時，空氣反應(yīng)器出口與第一電磁控制裝置的進口相連，第一電磁控制裝置的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器相連，第一電磁控制裝置的無磁性載氧體出口通過第一氣固分離裝置與燃料反應(yīng)器相連 ；在燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置之間設(shè)置第二電磁控制裝置時，燃料反應(yīng)器的出口與第二電磁控制裝置的入口相連，第二電磁控制裝置的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器相連，第二電磁控制裝置的無磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置的入口相連。所述空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器均為流化床反應(yīng)器。本發(fā)明提供的基于上述燃燒系統(tǒng)的燃燒工藝為將固體燃料和載氧體送入燃燒反應(yīng)器中混合燃燒并發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，利用電磁控制裝置將反應(yīng)后載氧體中包含高價態(tài)無磁性金屬氧化物的無磁性載氧體與包含低價態(tài)磁性金屬氧化物的磁性載氧體相分離，將無磁性載氧體送入燃料反應(yīng)器，將磁性載氧體送入空氣反應(yīng)器，提高載氧體的循環(huán)效率。所述載氧體為鐵基載氧體，所述低價態(tài)磁性金屬氧化物為Fe3O4,高價態(tài)無磁性金屬氧化物為Fe2O3。所述固體燃料為煤粉顆?；蛏镔|(zhì)顆粒。本實發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點本發(fā)明利用鐵基載氧體在氧化-還原反應(yīng)過程中，高價態(tài)Fe2O3無磁性、低價態(tài)Fe3O4有磁性的特點，利用電磁控制裝置，將包含低價態(tài)Fe3O4的載氧體從燃料反應(yīng)器中分離出來，送入空氣反應(yīng)器，同時將包含高價態(tài)Fe2O3的載氧體從空氣反應(yīng)器中分離出來，送入燃料反應(yīng)器；從而不僅有效實現(xiàn)了固體載氧體與未燃盡固體燃料、燃盡灰渣等固體顆粒的高效分離，而且還實現(xiàn)了高價態(tài)Fe2O3和低價態(tài)Fe3O4的有效分離。


圖I為本發(fā)明的工藝流程圖；圖中標號I-空氣反應(yīng)器；2_燃料反應(yīng)器；3_第一電磁控制裝置；4_第二電磁控制裝置；5-第一氣固分離裝置；6-第二氣固分離裝置；7_冷凝裝置。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5相連，第一氣固分離裝置5的固體出口與燃料反應(yīng)器2相連；燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6相連，第二氣固分離裝置6的固體出口與燃料反應(yīng)器2相連，第二氣固分離裝置6的氣體出口與冷凝裝置7的入口相連，冷凝裝置7的氣體出口與燃料反應(yīng)器2相連。在空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5之間，以及燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6之間設(shè)置至少一個電磁控制裝置。具體連接方式為在空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5之間設(shè)置第一電磁控制裝置3時，空氣反應(yīng)器I出口與第一電磁控制裝置3的進口相連，第一電磁控制裝置3的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器I相連，第一電磁控制裝置3的無磁性載氧體出口通過第一氣固分離裝置5與燃料反應(yīng)器2相連；在燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6之間設(shè)置第二電磁控制裝置4時，燃料反應(yīng)器2的出口與第二電磁控制裝置4的入口相連，第二電磁控制裝置4的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器I相連，第二電磁控制裝置4的無磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置6的入口相連。實施例I :·采用圖I所示的雙電磁控制裝置結(jié)構(gòu)。固體燃料選用褐煤，載氧體選用天然鐵礦石，燃料反應(yīng)器2和空氣反應(yīng)器I均為循環(huán)流化床反應(yīng)器。煤粉和炙熱的Fe2O3在燃料反應(yīng)器2中充分混合，并發(fā)生劇烈的氣化反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)；部分Fe2O3被還原為Fe3O4后，在第二電磁控制裝置4的作用下，與未還原的Fe2O3以及其他固體顆粒分離，從燃料反應(yīng)器2進入空氣反應(yīng)器I中；Fe304在空氣反應(yīng)器I中和O2反應(yīng)而被氧化為Fe2O3，并在第一電磁控制裝置3的作用下，與未氧化的Fe3O4分離，從空氣反應(yīng)器I進入燃料反應(yīng)器2，從而完成實現(xiàn)載氧體的循環(huán)。在IOOh的實驗內(nèi)，褐煤的燃盡率達99%，鐵礦石的損失率為3%。實施例2 以Y -Al2O3為載體，通過等體積浸潰法制備Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體，以褐煤為固體燃料，采用和實施例I相同的工藝進行化學(xué)鏈燃燒實驗。在IOOh的實驗內(nèi)，褐煤的燃盡率達99%, Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實施例3 以無煙煤為固體燃料，實施例2中制備的Fe2O3/ Y -Al2O3為載氧體，并采用和實施例2相同的工藝進行化學(xué)鏈燃燒實驗。在IOOh的實驗內(nèi)，無煙煤的燃盡率達98. 5%,Fe2O3/Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實施例4 以稻殼為原料，實施例2中制備的Fe2O3/ Y -Al2O3為載氧體，并采用和實施例2相同的工藝進行化學(xué)鏈燃燒實驗。在IOOh的實驗內(nèi)，稻殼的燃盡率達98%，F(xiàn)e2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實施例5 以Y -Al2O3為載體，通過沉淀法制備Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體，以玉米桿為原料，采用和實施例2相同的工藝進行化學(xué)鏈燃燒實驗。在IOOh的實驗內(nèi)，玉米桿的燃盡率達98%，F(xiàn)e2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為1%。
權(quán)利要求
1.一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)，空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)相連，第一氣固分離裝置(5)的固體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連；燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)相連，第二氣固分離裝置(6)的固體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連，第二氣固分離裝置(6)的氣體出口與冷凝裝置(7)的入口相連，冷凝裝置(7)的氣體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連，其特征在于， 在空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)之間，以及燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)之間設(shè)置至少一個電磁控制裝置； 具體連接方式為 在空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)之間設(shè)置第一電磁控制裝置(3)時，空氣反應(yīng)器(I)出口與第一電磁控制裝置(3 )的進口相連，第一電磁控制裝置(3 )的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器(I)相連，第一電磁控制裝置(3)的無磁性載氧體出口通過第一氣固分離裝置(5 )與燃料反應(yīng)器(2 )相連； 在燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)之間設(shè)置第二電磁控制裝置(4)時，燃料反應(yīng)器(2 )的出口與第二電磁控制裝置(4)的入口相連，第二電磁控制裝置(4)的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器(I)相連，第二電磁控制裝置(4)的無磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置(6)的入口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣反應(yīng)器(I)和燃料反應(yīng)器(2 )均為流化床反應(yīng)器。
3.一種基于權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的燃燒工藝，其特征在于，將固體燃料和載氧體送入燃燒反應(yīng)器(I)中混合燃燒并發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，利用電磁控制裝置將反應(yīng)后載氧體中包含高價態(tài)無磁性金屬氧化物的無磁性載氧體與包含低價態(tài)磁性金屬氧化物的磁性載氧體相分離，將無磁性載氧體送入燃料反應(yīng)器(2)，將磁性載氧體送入空氣反應(yīng)器(1)，提高載氧體的循環(huán)效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒工藝，其特征在于所述載氧體為鐵基載氧體，所述低價態(tài)磁性金屬氧化物為Fe3O4,高價態(tài)無磁性金屬氧化物為Fe203。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒工藝，其特征在于所述固體燃料為煤粉顆?；蛏镔|(zhì)顆粒。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)鏈燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝。該系統(tǒng)是基于鐵基載氧體在氧化-還原反應(yīng)過程中，高價態(tài)Fe2O3無磁性、低價態(tài)Fe3O4有磁性的特點，利用電磁控制裝置，將包含低價態(tài)Fe3O4的載氧體從燃料反應(yīng)器中分離出來，送入空氣反應(yīng)器，同時將包含高價態(tài)Fe2O3的載氧體從空氣反應(yīng)器中分離出來，送入燃料反應(yīng)器，從而完成煤、生物質(zhì)等固體燃料的化學(xué)鏈燃燒。該系統(tǒng)利用電磁分離裝置，不僅有效實現(xiàn)了固體燃料直接化學(xué)鏈燃燒過程中，載氧體與未燃盡固體燃料、燃盡灰渣等固體顆粒的高效分離，而且還實現(xiàn)了高價態(tài)Fe2O3和低價態(tài)Fe3O4的有效分離，從而實現(xiàn)了載氧體的高效充分利用。
文檔編號F23C10/28GK102878552SQ20121023275
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者董長青, 梁志永, 覃吳, 胡笑穎, 肖顯斌, 高攀 申請人:華北電力大學(xué)