還原區(qū)域內(nèi)帶有灰燼和細(xì)粒去除的化學(xué)鏈燃燒方法以及使用該方法的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的固體碳?xì)浠衔锝o料的化學(xué)鏈燃燒方法，其實施還原區(qū)域的特殊構(gòu)造，還原區(qū)域具有：在致密流化床條件下運(yùn)行的第一反應(yīng)區(qū)域（R1）；第二反應(yīng)區(qū)域（R2）；快速分離區(qū)域（S3），其用于分離未燃燒固體饋送顆粒、飛灰和來自區(qū)域（R2）的混合物內(nèi)攜帶氧的材料顆粒；煙氣除塵（S4）；顆粒流劃分區(qū)域（D7），一部分顆粒直接再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域（R1），其余部分送到淘洗分離區(qū)域（S5），以便通過管線（18）收集灰燼，并通過管線（20）將致密顆粒再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域（R1）。本發(fā)明還涉及一種用來實施所述方法的化學(xué)鏈燃燒裝置。
【專利說明】還原區(qū)域內(nèi)帶有灰燼和細(xì)粒去除的化學(xué)鏈燃燒方法以及使用該方法的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)鏈氧化還原燃燒(redox)的領(lǐng)域，其燃燒用于生產(chǎn)能量、合成氣體和/或氫的含有碳?xì)浠衔锕腆w饋送物。
[0002]具體來說，本發(fā)明涉及去除化學(xué)鏈燃燒裝置中還原反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的灰燼。
[0003]技術(shù)術(shù)語
[0004]化學(xué)鏈燃燒或CLC:在下文中，所謂CLC (化學(xué)鏈燃燒)是指活性質(zhì)量上的鏈氧化還原過程。一般地說，可以指出的是，術(shù)語“氧化和還原”是分別針對活性質(zhì)量的氧化或還原狀態(tài)而使用的。在化學(xué)鏈燃燒裝置中，氧化區(qū)域是氧化還原質(zhì)量被氧化的地方，而還原區(qū)域是氧化還原質(zhì)量被還原的地方。
_5] 液化作用
[0006]在熱處理過程中，有機(jī)化合物失去揮發(fā)物，首先是水和二氧化碳、液體，然后氣態(tài)碳?xì)浠衔铮偃缓笫且谎趸?，并且最終是氫。該過程被稱作液化作用。液化作用溫度和該現(xiàn)象的量級依賴于初始有機(jī)化合物。因此，對于排名逐漸提高的媒，液化作用在提高的溫度下發(fā)生。
[0007]流化床
[0008]在其余的描述中，
[0009]-所謂致密流化床是指這樣的流化床，其中，氣含率εg小于0.9，較佳地小于0.8，
[0010]-所謂稀疏流化床是指這樣的流化床，其中，金屬氧化物顆粒體積分?jǐn)?shù)小于10體積(vol.) %。
【背景技術(shù)】
[0011]灰燼問題
[0012]化學(xué)鏈燃燒是使用諸如金屬氧化物之類的攜帶氧的材料進(jìn)行的，攜帶氧的材料在合適的操作條件下在還原區(qū)域(稱作“燃料反應(yīng)器”)內(nèi)放出氧。一旦被還原，該材料被送到氧化區(qū)域(稱作“空氣反應(yīng)器”)，那里，它接觸氧化氣體(諸如空氣或水蒸汽)而被再氧化。
[0013]更一般地說，化學(xué)鏈燃燒過程包括一個或多個反應(yīng)區(qū)域，其中，燃料(例如，含碳?xì)浠衔锏酿佀臀?的燃燒是通過與帶有氧的固體接觸而進(jìn)行的，在固體送回到燃燒(或還原)區(qū)域之前，該固體其后通過與空氣或水蒸汽接觸，至少在一個氧化區(qū)域內(nèi)再氧化。允許進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)的還原區(qū)域一般地由流化床或運(yùn)輸床組成。
[0014]使固體碳?xì)浠衔镳佀臀镞M(jìn)行化學(xué)鏈燃燒(CLC)是這樣一種方法，其特別地允許通過回收燃燒反應(yīng)所釋放的熱量來產(chǎn)生能量(水蒸汽、電力等)，同時產(chǎn)生富含CO2的煙氣。因此，有可能在冷凝和壓縮煙氣之后考慮捕獲co2。通過控制燃燒以及在燃燒區(qū)域的下游進(jìn)行所需要的凈化，還可能生產(chǎn)出合成氣或甚至氫氣。
[0015]在與還原區(qū)域內(nèi)的化學(xué)鏈燃燒相關(guān)的反應(yīng)機(jī)理中，已經(jīng)確定，固體燃料經(jīng)過氣化階段，由于水蒸汽或二氧化碳的存在以及溫度的存在，促進(jìn)了該氣化階段，然后，氣化階段產(chǎn)生的氣體經(jīng)與攜帶氧的材料相接觸而被氧化。如果固體燃料含有揮發(fā)物，則揮發(fā)物經(jīng)與熱的攜帶氧的材料接觸至少部分地液化，然后，揮發(fā)物被氧化。在攜帶氧的材料根據(jù)操作條件自然釋放氧的情形中，還可能通過由燃料反應(yīng)器中材料所釋放的氣體氧讓固體燃料直接氧化。
[0016]固體饋送物的化學(xué)鏈燃燒需要劇烈和強(qiáng)制的操作條件，以便能夠進(jìn)行燃燒反應(yīng)。為了有利于燃料的氣化，大致在800°C和1100°C之間的高溫，較佳地是850°C和1000°C之間的高溫是必要的。氣化需要的時間隨溫度變化而減少，一般地在30秒和30分鐘之間的范圍變化。因此，進(jìn)行部分的氣化以使非氣化的燃料殘余物與排出物分開并再循環(huán)它，這可以是有利的。因此，在850°C和1000°C之間的溫度范圍內(nèi)，且反應(yīng)時間范圍在I分鐘和10分鐘之間，通常為3分鐘和5分鐘之間，有可能達(dá)到范圍在50%和80%之間的每次轉(zhuǎn)換率(通過氣化)。通過增加部分氧化氣體(H20、C02)的壓力可減少氣化時間。
[0017]與固體饋送物的化學(xué)鏈燃燒相關(guān)的另一問題涉及到灰燼的形成。的確，固體燃料具有不可忽略的礦物材料含量，且一旦碳和氫的燃燒完成，便形成稱作灰燼的固體殘余物。表I借助于實例匯編了對兩種煤A和B的分析?？梢钥吹?，煤的灰燼量根據(jù)固體饋送物的來源變化，但該灰燼量不可忽略。一般地是干煤質(zhì)量的5至20%。諸如石油焦那樣的某些固體燃料具有低得多的灰燼量。也有帶較高灰燼量的固體燃料。
[0018]這些灰燼基本上由硅和鋁氧化物組成，但它們也含有其它成分，舉例來說，如表I所示。
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種固體含碳?xì)浠衔镳佀臀锏幕瘜W(xué)鏈燃燒方法，呈顆粒形式的攜帶氧的材料在其中循環(huán)，所述方法至少包括: -使固體饋送顆粒與運(yùn)行在致密流化床條件下的第一反應(yīng)區(qū)域Rl內(nèi)的攜帶氧的材料顆粒接觸， -在第二反應(yīng)區(qū)域R2中，在存在攜帶氧的材料顆粒的情況下，使來自第一反應(yīng)區(qū)域Rl的氣體排出物燃燒， -在快速分離區(qū)域S3中，使未燃燒的固體饋送顆粒、飛灰和來自區(qū)域R2的混合物內(nèi)的攜帶氧的材料顆粒分離，以用燃燒煙氣(13)運(yùn)載未燃燒固體饋送顆粒的主要部分和飛灰，并將攜帶氧的材料顆粒的主要部分送到氧化區(qū)域R0， -在煙氣除塵區(qū)域S4中，對來自分離區(qū)域S3的煙氣(13)進(jìn)行除塵，以排出除過塵的氣體流(14)和含有灰的顆粒和致密顆粒的流動(15)，所述致密顆粒主要由攜帶氧的材料顆粒和未燃燒固體饋送顆粒組成， -在流動劃分區(qū)域D7內(nèi)，將除塵級S4中分離出的顆粒流(15)分為兩個顆粒流，一個顆粒流再循環(huán)到運(yùn)行在致密態(tài)流化床條件下的第一反應(yīng)區(qū)域R1，另一個顆粒流則送到淘洗分尚區(qū)域S5， -在所述區(qū)域S5中進(jìn)行淘洗分離，以回收灰燼和將致密顆粒再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域Rl0
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括: -在位于第一反應(yīng)區(qū)域Rl下方的流化區(qū)域S6內(nèi)，使凝聚的爐灰沉淀在第一反應(yīng)區(qū)域Rl的底部中， -萃取包括至少10質(zhì)量％的凝聚爐灰的顆粒流(24)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，區(qū)域S6通過氣體而流化，使區(qū)域S6最大橫截面中的流化氣體流動速率不超過攜帶氧的材料的最小流化速率的3倍。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，利用冷卻的螺桿來進(jìn)行萃取流化區(qū)域S6內(nèi)凝聚的灰。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述固體饋送物選自:煤、焦炭、石油焦、生物質(zhì)量、浙青沙石和生活垃圾。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述攜帶氧的材料是粉狀固體，其顆粒大小達(dá)到這樣的程度，90%的顆粒大小分布在150和300微米之間的范圍。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，饋送到淘洗分離區(qū)域S5內(nèi)的所述流化氣體至少部分地由固體饋送物的燃燒所產(chǎn)生的煙氣組成。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所有饋送到淘洗分離區(qū)域S5內(nèi)的流化氣體由固體饋送物的燃燒所產(chǎn)生的煙氣組成。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，直接再循環(huán)到第一致密流化床反應(yīng)區(qū)域Rl的流動代表著至少50%的流入流動劃分區(qū)域D7內(nèi)的流動。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，直接再循環(huán)到第一致密流化床反應(yīng)區(qū)域Rl的流動，代表著至少80%的流入流動劃分區(qū)域D7內(nèi)的流動。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在燃燒區(qū)域內(nèi)循環(huán)的顆粒混合物中的飛灰濃度低于5重量％。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在燃燒區(qū)域內(nèi)循環(huán)的顆?；旌衔镏械娘w灰濃度低于1重量％。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，對固體碳?xì)浠衔镳佀臀飳嵤┗瘜W(xué)鏈氧化還原燃燒的裝置，所述裝置至少包括: -第一反應(yīng)區(qū)域R1，其包括固體饋送供應(yīng)管線(10)、流化氣體供應(yīng)管線(11)以及用于來自氧化區(qū)域RO的攜帶氧的顆粒的供應(yīng)管線(8)， -第二反應(yīng)區(qū)域R2，其接受含有來自第一反應(yīng)區(qū)域Rl的顆粒的氣體燃燒排放物， -快速固體顆粒分離區(qū)域S3，其接受含有灰燼、攜帶氧材料顆粒和未燃燒固體饋送顆粒的來自第二反應(yīng)區(qū)域R2的氣體燃燒排放物，并包括排放管線(9)，用于將攜帶氧的材料顆粒的主要部分排放到氧化區(qū)域R0， -煙氣除塵區(qū)域S4，其通過入口(13)接受由來自快速固體顆粒分離區(qū)域S3的燃燒氣體所夾帶的較輕顆粒， -流動劃分區(qū)域D7，其通過入口( 15)接受從煙氣除塵區(qū)域S4中煙氣中分離出的顆粒流，所述流動包括灰燼和主要由攜帶氧的材料顆粒和未燃燒固體饋送物顆粒組成的致密顆粒， -淘洗分離區(qū)域S5，其通過入口( 17)接受在流動劃分區(qū)域D7中劃分出的顆粒流的主要部分，其包括允許供應(yīng)流化氣體的管線(19)和允許排放基本上含有飛灰和攜帶氧的材料細(xì)顆粒的較輕顆粒的管線(18)， -來自流動劃分區(qū)域D7的管線(16)，其將在流動劃分區(qū)域D7中劃分出的顆粒流的主要部分直接再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域Rl， -來自淘洗分離區(qū)域S5的管線(20)，其將通過淘洗分離出的致密顆粒再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域R1。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，第二反應(yīng)區(qū)域R2的所述流動橫截面較佳地小于第一反應(yīng)區(qū)域Rl的流動橫截面。
15.如權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于，該裝置包括用于布置在第一反應(yīng)區(qū)域Rl下方的凝聚爐灰的沉淀區(qū)域，沉淀區(qū)域包括: -凝聚灰供應(yīng)管線(21)， -流化區(qū)域S6， -一個或多個允許饋送流化氣體的管線(22)， -排放管線(23)，其用于將攜帶氧的材料顆粒再循環(huán)到第一反應(yīng)區(qū)域R1， -萃取顆粒流的裝置(24)，該顆粒流含有至少10質(zhì)量％的凝聚爐灰。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，流化區(qū)域S6是截頭錐形區(qū)域，其相對于垂直線的半角小于或等于15°。
【文檔編號】F23C99/00GK103946633SQ201280045638
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月20日
【發(fā)明者】T·戈西亞, A·霍塔特, F·格尤魯, S·里弗拉特 申請人:Ifp新能源公司, 道達(dá)爾股份有限公司