本發(fā)明屬于化工過(guò)程設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于煤、生物質(zhì)等固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置。

背景技術(shù)：
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化學(xué)鏈技術(shù)(Chemical-Looping technology)為能源的清潔高效利用提供了一種新思路，該技術(shù)無(wú)需消耗額外能量即可實(shí)現(xiàn)CO₂的內(nèi)分離；能夠?qū)崿F(xiàn)能量的梯級(jí)利用，使系統(tǒng)的總熱效率得到提高；同時(shí)還可以控制熱力型和燃料型NO_x生成。

化學(xué)鏈技術(shù)的原理就是利用固體載體(主要為過(guò)渡金屬氧化物和CaO)將給定的化學(xué)反應(yīng)分解為氧化/還原反應(yīng)或者吸附/脫吸附反應(yīng)，其中固體載體可以進(jìn)行在兩種反應(yīng)之間傳遞氧/二氧化碳和熱量，以化學(xué)鏈燃燒過(guò)程為例，還原態(tài)的載氧體在空氣中進(jìn)行的載氧反應(yīng)和氧化態(tài)的載氧體在氣體燃料中進(jìn)行的還原反應(yīng)，載氧體在氧化和還原兩種氛圍下循環(huán)交替進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氧的轉(zhuǎn)移和燃料的燃燒。由于燃料不與空氣中游離氧直接接觸，而是與載氧體中化合態(tài)的氧進(jìn)行反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)CO₂的內(nèi)分離。

目前，化學(xué)鏈過(guò)程研究多為對(duì)天然氣和合成氣等氣體燃料的化學(xué)鏈燃燒和重整過(guò)程的研究，近幾年國(guó)內(nèi)外才對(duì)煤、生物質(zhì)和固體垃圾等固體燃料的化學(xué)鏈過(guò)程進(jìn)行關(guān)注和研究。與氣體化學(xué)鏈過(guò)程相比，固體燃料的化學(xué)鏈過(guò)程存在的最大困難在于燃料反應(yīng)器內(nèi)固-固反應(yīng)的反應(yīng)速率太小，造成反應(yīng)不充分和CO₂的捕獲效率降低，增加載氧體和固體燃料的接觸時(shí)間可以有效強(qiáng)化反應(yīng)程度。

固體燃料化學(xué)鏈過(guò)程主要包括化學(xué)鏈燃燒(chemical looping combustion)、化學(xué)鏈氣化(chemical looping gasification)、鈣基化學(xué)鏈捕獲CO₂(calcium chemical looping)過(guò)程，空氣反應(yīng)器進(jìn)行的反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，燃料反應(yīng)器進(jìn)行的反應(yīng)多為吸熱反應(yīng)，合理利用各個(gè)反應(yīng)之間的熱量可以提高過(guò)程效率，尤其在化學(xué)鏈氣化過(guò)程中，熱量的及時(shí)傳遞對(duì)燃料反應(yīng)器中氣化反應(yīng)的進(jìn)行具有決定性作用，對(duì)整個(gè)過(guò)程熱量的整體利用有利于提高過(guò)程效率?，F(xiàn)有裝置對(duì)于燃料反應(yīng)器大多采用單室，為了解決固體燃料反應(yīng)不充分的問(wèn)題，通常需要在燃燒反應(yīng)器之后連接一個(gè)碳捕獲器，這樣就增加了反應(yīng)器的操作難度，另一方面，燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器之間通過(guò)流動(dòng)控制閥(looping seal)連接，空氣反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量主要由固體載體載到燃料反應(yīng)器，這樣使得熱量的傳遞和利用效率大大降低。尤其對(duì)于固體燃料氣化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，不利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置，將燃料反應(yīng)器做成多室結(jié)構(gòu)強(qiáng)化反應(yīng)，同時(shí)強(qiáng)放熱的空氣反應(yīng)器與吸熱的燃料反應(yīng)器設(shè)計(jì)為中間僅有隔板相隔的一體化結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化傳熱。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括第一流動(dòng)控制裝置、第一旋風(fēng)分離器、第二流動(dòng)控制裝置、第二旋風(fēng)分離器、空氣反應(yīng)器、多室燃料反應(yīng)器、固體進(jìn)料裝置、第一氣體分布板、第一氣體預(yù)分布室、第二氣體分布板、第二氣體預(yù)分布室、返料裝置和排灰口；空氣反應(yīng)器下部和多室燃料反應(yīng)器的反應(yīng)室構(gòu)成L型或田字型結(jié)構(gòu)，多室燃料反應(yīng)器中間采用第一擋板和第二擋板隔成相通的I室、II室和III室，第一擋板上部相通，第二擋板下部相通，擋板高度為多室燃料反應(yīng)器高度的1/2～3/4；空氣反應(yīng)器與多室燃料反應(yīng)器的I室通過(guò)隔板隔離開(kāi)，空氣反應(yīng)器與多室燃料反應(yīng)器的I室通過(guò)返料裝置連通，空氣反應(yīng)器高出多室燃料反應(yīng)器部分的橫截面為下部橫截面直徑的1/3～2/3，高度為下部高度的2～5倍；空氣反應(yīng)器的頂端與第一旋風(fēng)分離器連接，第一旋風(fēng)分離器的下端通過(guò)第一流動(dòng)控制裝置與多室燃料反應(yīng)器連通，第一旋風(fēng)分離器的體積為第二旋風(fēng)分離器的1.5～4倍；第二旋風(fēng)分離器的下端通過(guò)第二流動(dòng)控制裝置與多室燃料反應(yīng)器連通；多室燃料反應(yīng)器的底部設(shè)有并排結(jié)構(gòu)的第一氣體預(yù)分布室和第二氣體預(yù)分布室，多室燃料反應(yīng)器與第一氣體預(yù)分布室和第二氣體預(yù)分布室之間分別設(shè)有第一氣體分布板和第二氣體分布板；多室燃料反應(yīng)器的一側(cè)設(shè)有固體進(jìn)料器，固體載體和煤通過(guò)固體進(jìn)料裝置進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。

本發(fā)明所述多室燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器下部均為方形或者L形的一體多室流化床結(jié)構(gòu)，空氣反應(yīng)器為快速流化床，多室燃料反應(yīng)器為鼓泡流化床，空氣反應(yīng)器和多室燃料反應(yīng)器分別通過(guò)旋風(fēng)分離器和流動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)固體載體在兩反應(yīng)器中循環(huán)再生。

本發(fā)明所述空氣反應(yīng)器內(nèi)的流化介質(zhì)為空氣，反應(yīng)溫度為950℃～1200℃，壓力為常壓；多室燃料反應(yīng)器內(nèi)的流化介質(zhì)采用CO₂和/或水蒸氣，反應(yīng)溫度在800～1000℃，壓力為常壓或加壓。

本發(fā)明所述返料裝置為流動(dòng)控制裝置，或通過(guò)在空氣反應(yīng)器和多室燃料反應(yīng)器之間的隔板上開(kāi)孔和加擋板完成，開(kāi)孔位置在隔板的中心偏上位置，返料裝置用于控制固體載體的循環(huán)量和防止兩反應(yīng)器之間氣體反竄。

本發(fā)明所述固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置通過(guò)改變固體載體的類(lèi)型以及固體載體和固體燃料的配比，完成固體燃料的化學(xué)鏈燃燒、氣化或制氫，采用的固體載體包括Fe₂O₃、CuO、NiO、CaSO₄和CaO，其中CaO起捕獲CO₂的作用，其他為載氧作用。

本發(fā)明所述第一旋風(fēng)分離器用于分離貧氧空氣等氣體與固體載體，第二旋風(fēng)分離器分離合成氣或CO₂等氣體與煤灰等固體燃料灰分。

本發(fā)明所述固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置的主體結(jié)構(gòu)還包括第三旋風(fēng)分離器，第三旋風(fēng)分離器與多室燃料反應(yīng)器的II室上部相連，其高度在第一旋風(fēng)分離器和第二旋風(fēng)分離器之間。

本發(fā)明使用時(shí)，載氧體和煤由固體進(jìn)料裝置進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器的I室，水蒸氣和/或CO₂作為流化介質(zhì)進(jìn)入第一氣體預(yù)分布室，然后通過(guò)第一氣體分布板使物料進(jìn)行流化，隨著物料的流化，物料依次經(jīng)過(guò)多室燃料反應(yīng)器的II室和III室，載氧體和煤充分反應(yīng)后生成的氣體通過(guò)第二旋風(fēng)分離器冷凝得到CO/H₂高品質(zhì)合成氣或者高純度的CO₂，第二旋風(fēng)分離器下部得到的固體為煤灰；載氧體經(jīng)過(guò)多室燃料反應(yīng)器三室內(nèi)完全反應(yīng)后成為還原態(tài)的載氧體，還原態(tài)的載氧體經(jīng)返料裝置進(jìn)入空氣反應(yīng)器，還原態(tài)的載氧體在空氣反應(yīng)器中被氧化為氧化態(tài)的載氧體，還原態(tài)的載氧體重新獲得氧，氧化態(tài)的載氧體經(jīng)第一旋風(fēng)分離器分離后進(jìn)入第一流動(dòng)控制裝置，再次進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器，載氧體完成一個(gè)氧化還原循環(huán)，經(jīng)過(guò)第一旋風(fēng)分離器排出的氣體為貧氧N₂，第二旋風(fēng)分離器下部得到的煤灰能作為作熱載體進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器，或由排灰口排出。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，一是采用多室流化床裝置，強(qiáng)化了固體燃料和固體載體之間的反應(yīng)；二是使熱量利用更加合理，空氣反應(yīng)器反應(yīng)生成的熱量可以直接被用來(lái)為燃料反應(yīng)器提供熱量；三是空間的布置更加精簡(jiǎn)，使化學(xué)鏈過(guò)程一體化；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，原料易得，反應(yīng)充分，成本低，熱量利用率高。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)包括第一流動(dòng)控制裝置1、第一旋風(fēng)分離器2、第二流動(dòng)控制裝置3、第二旋風(fēng)分離器4、空氣反應(yīng)器5、多室燃料反應(yīng)器6、固體進(jìn)料裝置7、第一氣體分布板8、第一氣體預(yù)分布室9、第二氣體分布板10、第二氣體預(yù)分布室11、返料裝置12和排灰口13；空氣反應(yīng)器5下部和多室燃料反應(yīng)器6的反應(yīng)室構(gòu)成L型或田字型結(jié)構(gòu)，多室燃料反應(yīng)器6中間采用第一擋板B和第二擋板C隔成相通的I室、II室和III室，第一擋板B上部相通，第二擋板C下部相通，擋板高度為多室燃料反應(yīng)器6高度的1/2～3/4；空氣反應(yīng)器5與多室燃料反應(yīng)器6的I室通過(guò)隔板A隔離開(kāi)，空氣反應(yīng)器5與多室燃料反應(yīng)器6的I室通過(guò)返料裝置12連通，空氣反應(yīng)器5高出多室燃料反應(yīng)器6部分的橫截面為下部橫截面直徑的1/3～2/3，高度為下部高度的2～5倍；空氣反應(yīng)器5的頂端與第一旋風(fēng)分離器2連接，第一旋風(fēng)分離器2的下端通過(guò)第一流動(dòng)控制裝置1與多室燃料反應(yīng)器6連通，第一旋風(fēng)分離器2的體積為第二旋風(fēng)分離器4的1.5～4倍；第二旋風(fēng)分離器4的下端通過(guò)第二流動(dòng)控制裝置3與多室燃料反應(yīng)器6連通；多室燃料反應(yīng)器6的底部設(shè)有并排結(jié)構(gòu)的第一氣體預(yù)分布室9和第二氣體預(yù)分布室11，多室燃料反應(yīng)器6與第一氣體預(yù)分布室9和第二氣體預(yù)分布室11之間分別設(shè)有第一氣體分布板8和第二氣體分布板10；多室燃料反應(yīng)器6的一側(cè)設(shè)有固體進(jìn)料器7，固體載體和煤通過(guò)固體進(jìn)料裝置7進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6進(jìn)行反應(yīng)。

本實(shí)施例所述多室燃料反應(yīng)器6和空氣反應(yīng)器5下部均為方形或者L形的一體多室流化床結(jié)構(gòu)，空氣反應(yīng)器5為快速流化床，多室燃料反應(yīng)器6為鼓泡流化床，空氣反應(yīng)器5和多室燃料反應(yīng)器6分別通過(guò)旋風(fēng)分離器和流動(dòng)控制裝置實(shí)現(xiàn)固體載體在兩反應(yīng)器中循環(huán)再生。

本實(shí)施例所述空氣反應(yīng)器5內(nèi)的流化介質(zhì)為空氣，反應(yīng)溫度為950℃～1200℃，壓力為常壓；多室燃料反應(yīng)器內(nèi)6的流化介質(zhì)采用CO₂和/或水蒸氣，反應(yīng)溫度在800～1000℃，壓力為常壓或加壓。

本實(shí)施例所述返料裝置12為流動(dòng)控制裝置，或通過(guò)在空氣反應(yīng)器5和多室燃料反應(yīng)器6之間的隔板A上開(kāi)孔和加擋板完成，開(kāi)孔位置在隔板A的中心偏上位置，返料裝置12用于控制固體載體的循環(huán)量和防止兩反應(yīng)器之間氣體反竄。

本實(shí)施例所述固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置通過(guò)改變固體載體的類(lèi)型以及固體載體和固體燃料的配比，完成固體燃料的化學(xué)鏈燃燒、氣化或制氫，采用的固體載體包括Fe₂O₃、CuO、NiO、CaSO₄和CaO，其中CaO起捕獲CO₂的作用，其他為載氧作用。

本實(shí)施例所述第一旋風(fēng)分離器2用于分離貧氧空氣等氣體與固體載體，第二旋風(fēng)分離器4分離合成氣或CO₂等氣體與煤灰等固體燃料灰分。

本實(shí)施例所述固體燃料化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化的多室流化床裝置的主體結(jié)構(gòu)還包括第三旋風(fēng)分離器14，第三旋風(fēng)分離器與多室燃料反應(yīng)器的II室上部相連，其高度在第一旋風(fēng)分離器和第二旋風(fēng)分離器之間。

本實(shí)施例使用時(shí)，載氧體和煤由固體進(jìn)料裝置7進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6的I室，水蒸氣和/或CO₂作為流化介質(zhì)進(jìn)入第一氣體預(yù)分布室9，然后通過(guò)第一氣體分布板8使物料進(jìn)行流化，隨著物料的流化，物料依次經(jīng)過(guò)多室燃料反應(yīng)器6的II室和III室，載氧體和煤充分反應(yīng)后生成的氣體通過(guò)第二旋風(fēng)分離器4冷凝得到CO/H₂高品質(zhì)合成氣或者高純度的CO₂，第二旋風(fēng)分離器4下部得到的固體為煤灰；載氧體經(jīng)過(guò)多室燃料反應(yīng)器6三室內(nèi)完全反應(yīng)后成為還原態(tài)的載氧體，還原態(tài)的載氧體經(jīng)返料裝置12進(jìn)入空氣反應(yīng)器5，還原態(tài)的載氧體在空氣反應(yīng)器5中被氧化為氧化態(tài)的載氧體，還原態(tài)的載氧體重新獲得氧，氧化態(tài)的載氧體經(jīng)第一旋風(fēng)分離器2分離后進(jìn)入第一流動(dòng)控制裝置1，再次進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6，載氧體完成一個(gè)氧化還原循環(huán)，經(jīng)過(guò)第一旋風(fēng)分離器2排出的氣體為貧氧N₂，第二旋風(fēng)分離器4下部得到的煤灰能作為作熱載體進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6，或由排灰口13排出。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例所述多室燃料反應(yīng)器6為并排的臥目字型，中間由兩個(gè)擋板隔開(kāi)，多室燃料反應(yīng)器6的I室和II室下端相通，II室和III室上端相通，使用時(shí)，采用水蒸氣作為多室燃料反應(yīng)器6的流化介質(zhì)，物料為CaSO₄載氧體和神木煤，CaSO₄和神木煤中碳的物質(zhì)量比為1:2，將CaSO₄和神木煤由固體進(jìn)料裝置7進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6的I室，碳轉(zhuǎn)化率由現(xiàn)有單室燃料反應(yīng)器的75％提高到95％以上。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例所述多室燃料反應(yīng)器6由擋板分隔成三室結(jié)構(gòu)，多室燃料反應(yīng)器6的三室和空氣反應(yīng)器5呈田字型分布，空氣反應(yīng)器5和多室燃料反應(yīng)器6的I室之間不相通，多室燃料反應(yīng)器6的I室和II室上端相通，多室燃料反應(yīng)器6的II室和III室下端相通，多室燃料反應(yīng)器6III室和空氣反應(yīng)器返料裝置12相連，使用時(shí)，采用水蒸氣作為多室燃料反應(yīng)器6的流化介質(zhì)進(jìn)行煤化學(xué)鏈氣化反應(yīng)，物料為Fe₂O₃載氧體和神木煤，從第二旋風(fēng)分離器4上部得到的經(jīng)冷凝后的氣體成分為：CO＝28％，H₂＝52％，CO₂＝8％，碳轉(zhuǎn)化率也由現(xiàn)有單室燃料反應(yīng)器的85％提高到98％以上。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上增加第三旋風(fēng)分離器14，空氣反應(yīng)器5和多室燃料反應(yīng)器6的I室之間不相通，多室燃料反應(yīng)器6的I室和II室上端相通，II室和III室之間由返料裝置12相連，III室和空氣反應(yīng)器24同樣由返料裝置12相連，使用時(shí)，將物料Fe₂O₃載氧體、CaO和神木煤由固體進(jìn)料器7進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6的I室，水蒸氣做流化介質(zhì)進(jìn)入第一氣體預(yù)分布室9，然后通過(guò)第億氣體分布板8使物料進(jìn)行流化，隨著物料的流化，物料分別經(jīng)過(guò)II室并通過(guò)返料裝置進(jìn)入III室，載氧體和神木煤在I室和II室內(nèi)進(jìn)行煤氣化和CaO捕獲CO₂的反應(yīng)后，生成的氣體通過(guò)第二旋風(fēng)分離器4冷凝得到高純H₂，物料在III室內(nèi)完成CaCO₃的分解，經(jīng)過(guò)第三旋風(fēng)分離器13的分離上部得到高純二氧化碳?xì)怏w，然后物料經(jīng)過(guò)返料裝置進(jìn)入空氣反應(yīng)器5完成載氧體的再生，氧化態(tài)的載氧體經(jīng)第一旋風(fēng)分離器2的分離進(jìn)入第一流動(dòng)控制裝置1，再次進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6，載氧/碳體完成一個(gè)氧化還原循環(huán)和吸附脫吸附循環(huán)，經(jīng)過(guò)第一旋風(fēng)分離器2排出的氣體為貧氧N₂，第二旋風(fēng)分離器4下部得到的熱煤灰可以當(dāng)作熱載體重新進(jìn)入多室燃料反應(yīng)器6，也可以由排灰口d排出，由于煤和載氧體反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，CaCO₃分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，還原態(tài)載氧體氧化是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)器的一體化設(shè)計(jì)可以合理利用各反應(yīng)的熱量。

本實(shí)施例得到的H₂純度為95％，CO₂純度為96％，碳轉(zhuǎn)化率也由現(xiàn)有單室燃料反應(yīng)器的85％提高到95％以上。