專利名稱：一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置及其使用方法，屬于化學鏈系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
化學鏈燃燒(Chemical looping combustion)技術是一種革命性的新型燃燒方式，它將傳統(tǒng)的一步燃燒反應分解為兩步分別在燃料反應器和空氣反應器中進行，通過中間循環(huán)氧載體(通常為金屬氧化物)將空氣中的氧提供給燃料。在傳統(tǒng)燃燒反應中，因為N2的稀釋，煙氣中CO2濃度僅13%左右，需要消耗大量的能量才能將其捕集；而在化學鏈燃燒過程中，燃料和空氣是隔離的，因此在燃料反應器中產(chǎn)生的煙氣不會被空氣中的N2稀釋，其主要成分為CO2和H2O,經(jīng)過簡單的冷凝就可以得到高純度的CO2以便利用或封存。同時，它還能有效抑制其他污染物的產(chǎn)生，而且，因為能量的梯級利用，化學鏈燃燒方式可以提高 系統(tǒng)的熱效率。因此，化學鏈燃燒技術是一種高效、清潔的燃燒方式，目前也是國內(nèi)外研究的熱點方向?；瘜W鏈燃燒技術的燃料適應性很強，氣體、液體、固體燃料均能適用。而針對不同燃料形式、氧載體類型的反應器設計一直是化學鏈技術研究領域的一項重要工作。2000年以前，化學鏈技術的相關研究主要集中在使用氣體燃料方面，2000年后，各國研究者才逐漸開發(fā)燃用固體燃料(主要是煤、石油焦等)的化學鏈系統(tǒng)。燃用固體燃料比燃用氣體燃料的化學鏈燃燒過程更復雜，更難以控制，主要原因是燃料反應器中的固-固反應速率比空氣反應器中的氣-固反應速率小2-3個數(shù)量級，在兩個反應器的結構設計和運行控制上存在很大的困難。目前設計的用于燃用固體燃料的化學鏈燃燒反應器主要是串型流化床反應器(Interconnected fluidized-bed)和雙循環(huán)流化床反應器(Dual CFB)。串行流化床反應器形式類似于傳統(tǒng)的循環(huán)流化床，由一個快速床的空氣反應器和一個低速鼓泡床/湍流床的燃料反應器組成，兩個反應器之間用流動密封閥隔絕，然而簡單的低速鼓泡床/湍流床結構依然很難滿足顆粒長停留時間的需求。雙循環(huán)流化床反應器由兩個循環(huán)流化床系統(tǒng)串接而成，這給系統(tǒng)設計、運行控制都帶來了較大的困難，同時也會加大系統(tǒng)經(jīng)濟投資。而并行反應器結構主要是針對氣體燃料，它的結構簡單，操作方便，但是密封效果較差，CO2的捕集效率較低，也無法適用于固體燃料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種適用于固體燃料的結構簡單、操作方便、CO2捕集效率高、密封性能好且能有效控制燃料反應器中顆粒停留時間的化學鏈燃燒裝置及其使用方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是提供一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于包括空氣反應器流化床，旋風分離器與空氣反應器流化床連接，燃料反應器流化床通過第一流動密封閥連接旋風分離器，螺旋進料器設于燃料反應器流化床的側(cè)面；下降管上端口連接燃料反應器流化床，下降管下端口通過第二流動密封閥連接回料管上端口，回料管下端口連接空氣反應器流化床。優(yōu)選地，所述空氣反應器流化床包括空氣反應主室，空氣反應器布風板設于空氣反應主室下方，空氣反應器提升管通過空氣反應器過渡段設于空氣反應主室上方；空氣反應主室與所述回料管連接，空氣反應器提升管與所述旋風分離器連接。優(yōu)選地，所述旋風分離器包括氣固分離器及設于其下方的旋風分離器下降管；氣固分離器的入口與所述空氣反應器提升管的上端出口水平連接，旋風分離器下降管的下端出口連接所述第一流動密封閥。優(yōu)選地，所述燃料反應器流化床包括燃料反應器左反應室和燃料反應器右反應 室，燃料反應器中間隔板設于燃料反應器左反應室和燃料反應器右反應室之間，燃料反應器中間隔板的上方和下方分別有上開口和下開口，燃料反應器布風板設于燃料反應器左反應室和燃料反應器右反應室的下方；燃料反應器左反應室連接所述螺旋進料器的出口，燃料反應器下降管設于燃料反應器左反應室上方且其上端與所述第一流動密封閥連接；燃料反應器右反應室的出口壁面上水平設有孔/條格，燃料反應器右反應室的出口壁面連接所述下降管上端口。優(yōu)選地，所述燃料反應器下降管的出口低于所述上開口。 優(yōu)選地，所述燃料反應器右反應室的壁面上的孔/條格低于所述上開口。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是提供一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置的使用方法，其特征在于從燃料反應器布風板的下方分別向燃料反應器左反應室和燃料反應器右反應室通入流化風，且燃料反應器左反應室流化風速比燃料反應器右反應室流化風速高。本發(fā)明提供的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置工作時，氧載體在空氣反應器流化床和燃料反應器流化床之間循環(huán)的同時，氧載體在燃料反應器流化床內(nèi)部的左、右反應室之間還存在著內(nèi)循環(huán)，這樣可以充分增加氧載體在燃料反應器流化床內(nèi)的停留時間以及氧載體與固體燃料顆粒的接觸時間。燃料反應器流化床內(nèi)的流化模式為鼓泡床/湍流床，利用流化顆粒的聯(lián)通效應，燃料反應器左反應室內(nèi)的顆粒會從上開口溢出至燃料反應器右反應室內(nèi)，而燃料反應器右反應室內(nèi)的顆粒會從下開口流入至燃料反應器左反應室內(nèi)形成順時針的內(nèi)循環(huán)。在整個燃料反應器流化床內(nèi)部，固體燃料顆粒能與氧載體充分長時間地接觸，將氧載體還原成金屬單質(zhì)或低價態(tài)的金屬氧化物。同時，結合燃料反應器右反應室的流化控制以及燃料反應器右反應室的出口壁面上的孔或條格，可以有效控制氧載體的排出速率。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果(I)可以適用于固體燃料的化學鏈燃燒反應，在燃料反應器內(nèi)并行流化床的結構可以有效提聞顆粒的停留時間，提聞反應效率；(2)燃料反應器出口壁面上的孔/條格結構可以靈活控制氧載體的流出速率；(3)將燃料反應器產(chǎn)生的部分煙氣循環(huán)，可以顯著提高系統(tǒng)CO2捕集效率；(4)流動密封閥中以水蒸氣作為流化介質(zhì)可以起到良好的密封作用，同時對系統(tǒng)中的氧化-還原反應不產(chǎn)生影響。
本發(fā)明提供的裝置克服了現(xiàn)有技術的不足，適用于固體燃料的化學鏈燃燒反應，結構簡單，操作方便，CO2捕集效率高，密封性能好，且能有效控制燃料反應器中顆粒停留時間，提聞反應效率。


圖I為本發(fā)明提供的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置示意圖；附圖標記說明I-空氣反應器流化床；1-1-空氣反應器布風板；1-2-空氣反應主室；1-3-空氣反應器過渡段；1-4_空氣反應器提升管；2_旋風分離器；2-1_氣固分離器；2-2_旋風分離器下降管；3_第一流動密封閥；4_螺旋進料器；5_燃料反應器流化床；5-1_燃料反應器布風板；5-2_燃料反應器左反應室；5-3_燃料反應器右反應室；5-4_燃料反應器中間隔板；5-5-出口壁面；5-6_燃料反應器下降管；5-7_上開口 ；5-8_下開口 ；6_下降管；7_第二流 動密封閥；8-回料管。
具體實施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。圖I為本發(fā)明提供的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置示意圖，所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置包括空氣反應器流化床1，空氣反應器流化床I的主體功能結構包括橫截面積依次減小的空氣反應主室1-2、空氣反應器過渡段1-3和空氣反應器提升管1-4?？諝夥磻鞑硷L板1-1位于空氣反應主室1-2下方，空氣反應器提升管1-4通過空氣反應器過渡段1-3裝在空氣反應主室1-2上方。旋風分離器2與空氣反應器流化床I連接。旋風分離器2包括氣固分離器2-1及位于其下方的旋風分離器下降管2-2，氣固分離器2-1的入口與空氣反應器提升管1-4的上端出口水平連接，旋風分離器下降管2-2的下端出口連接第一流動密封閥3。燃料反應器流化床5通過第一流動密封閥3連接旋風分離器2。燃料反應器流化床5包括燃料反應器左反應室5-2和燃料反應器右反應室5-3，燃料反應器左反應室5-2和燃料反應器右反應室5-3被燃料反應器中間隔板5-4隔斷，僅留存上開口 5-7和下開口
5-8。燃料反應器布風板5-1裝在燃料反應器左反應室5-2和燃料反應器右反應室5-3的下方。燃料反應器左反應室5-2連接螺旋進料器4的出口，燃料反應器下降管5-6裝在燃料反應器左反應室5-2上方且其上端與第一流動密封閥3連接。燃料反應器右反應室5-3的出口壁面5-5上水平開有孔或條格，用于控制氧載體的流出速率。燃料反應器下降管5-6出口高度以及燃料反應器右反應室出口壁面5-5上最上端孔/條格高度均在燃料反應器中間隔板5-4上開口 5-7以下。燃料反應器右反應室5-3的出口壁面5-5連接下降管6上端口，下降管6下端口通過第二流動密封閥7連接回料管8上端口，回料管8下端口連接空氣反應器流化床I。從燃料反應器流化床5流出的固體顆粒通過下降管6流入到第二流動密封閥7并通過回料管8返回到空氣反應器流化床I中。燃料反應器流化床5是一個并行流化床結構，工作時，從燃料反應器布風板5-1下方的端口 C分別向燃料反應器左反應室5-2和燃料反應器右反應室5-3通入流化風，且燃料反應器左反應室5-2流化風速比燃料反應器右反應室5-3流化風速高。流化風中的水蒸氣和/或CO2將固體燃料氣化，具體的反應為C+H20 — H2+C0C+C02 — 2C0生成的C0、H2與燃料反應器中的氧載體發(fā)生還原反應，具體的反應為Me0+H2 — Me+H2 OMeO+CO — Me+C02反應生成的混合煙氣中富含CO2和H2O,從燃料反應器流化床5上方的端口 G排出，經(jīng)過簡單的冷凝過程即可得到高濃度的co2。同時，從得到的混合煙氣中抽取一部分返回至 燃料反應器布風板5-1下方的端口 C作為燃料反應器流化床5的流化氣體，這樣設計流程的優(yōu)點在于1.合理利用氣源，減少額外能源消耗；2.煙氣再循環(huán)可以提高煙氣中CO2的濃度。當煙氣中含有一部分CO和/或H2時，一方面增加了 CO2提純的能量消耗，另一方面也降低了燃料的利用效率，而煙氣的再循環(huán)可以有效克服這些問題。燃料反應器流化床5內(nèi)設計燃料反應器中間隔板5-4將燃料反應器流化床5平分為燃料反應器左反應室5-2和燃料反應器右反應室5-3，同時燃料反應器布風板5-1左、右兩側(cè)使用不均勻布風，左反應室流化風速比右反應室流化風速高，這樣可以在燃料反應器內(nèi)形成一個順時針的顆粒內(nèi)循環(huán)，有效增大氧載體顆粒在燃料反應器內(nèi)的停留時間以及氧載體顆粒和固體燃料的接觸時間。配合流化風速以及燃料反應器右反應室5-3出口壁面
5-5上的孔/條格結構可以靈活控制氧載體的流出速率，克服燃料反應器和空氣反應器中反應速率的匹配問題。燃料反應器下端設計排渣口 E，而從燃料反應器右反應室5-3出口壁面5-5上的孔/條格流出的還原態(tài)的氧載體顆粒(金屬單質(zhì)或低價態(tài)的金屬氧化物)從下降管6流入第二流動密封閥7內(nèi)，從第二流動密封閥7端口 D通入水蒸氣作為流化風，起到良好的密封作用，然后將氧載體顆粒通過回料管8返回到空氣反應器流化床I中?？諝夥磻髁骰睮底部設計端口 A，通入空氣作為流化氣體將還原態(tài)的氧載體顆粒流化，在空氣反應器主室1-2內(nèi)發(fā)生氧載體顆粒的氧化反應，當流化顆粒經(jīng)空氣反應器過渡段1-3，空氣反應器的橫截面積迅速減小，顆粒的流化形式從湍動流化轉(zhuǎn)換成快速流化，流化氣體將氧載體顆粒迅速提升、輸送的同時將氧載體顆粒進一步氧化至穩(wěn)定狀態(tài)。在旋風分離器2中，氧載體顆粒與產(chǎn)生的煙氣被分離，煙氣中富含N2，從旋風分離器2上端被排出，而氧載體顆粒通過旋風分離器下降管2-2進入第一流動密封閥3內(nèi)，從第一流動密封閥3端口 B通入水蒸氣作為流化風，起到密封作用，氧載體顆粒進一步被輸送至燃料反應器左反應室5-2內(nèi)，完成一次氧載體顆粒的外循環(huán)。固體燃料通過螺旋進料器2進入燃料反應器左反應室5-2內(nèi)。本發(fā)明提供的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置工作時，氧載體在空氣反應器流化床I和燃料反應器流化床5之間循環(huán)(外循環(huán))的同時，氧載體在燃料反應器流化床5內(nèi)部的左、右反應室之間還存在著內(nèi)循環(huán)，這樣可以充分增加氧載體在燃料反應器流化床5內(nèi)的停留時間以及氧載體與固體燃料顆粒的接觸時間。燃料反應器流化床5內(nèi)的流化模式為鼓泡床/湍流床，利用流化顆粒的聯(lián)通效應，燃料反應器左反應室5-2內(nèi)的顆粒會從上開口 5-7溢出至燃料反應器右反應室5-3內(nèi)，而燃料反應器右反應室5-3內(nèi)的顆粒會從下開口 5-8流入至燃料反應器左反應室5-2內(nèi)形成一順時針的內(nèi)循環(huán)。在整個燃料反應器流化床5內(nèi)部，固體燃料顆粒能與氧載體充分長時間地接觸，將氧載體還原成金屬單質(zhì)或低價態(tài)的金屬氧化物。同時，結合燃料反應器右反應室5-3的流化控制以及燃料反應器右反應室5-3的出口壁面5-5上的圓孔或條格，可以有效控制氧載體的排出速率。以煤粉作為燃料、CaSO4-CaS氧載體循環(huán)為例，在空氣反應器流化床I內(nèi)，CaS顆粒在空氣反應主室1-2內(nèi)被空氣中的O2氧化成CaSO4，流化形式為湍動床，產(chǎn)生的CaSO4顆粒以及部分還未反應的CaS顆粒被流化到空氣反應器過渡段1-3，因為橫截面積的迅速減小，流化形式從湍動床轉(zhuǎn)換成快速床，從而將混合顆粒在空氣反應器提升管1-4內(nèi)向上輸送， 輸送過程中O2進一步將部分還未反應的CaS顆粒氧化成CaSO4，產(chǎn)生的煙氣中富含N2,同時還包含少量O2和一些微量氣體,煙氣在旋風分離器2中被分離并從旋風分離器2的上部端口 F排出，空氣反應器流化床I中的反應溫度控制在1000 1050°C之間。燃料反應器流化床5中，煤粉被燃料反應器下降管5-6輸送至燃料反應器左反應室5-2并被通入的流化風H2O和CO2氣化生成CO和H2，產(chǎn)生的合成氣將CaSO4顆粒還原至CaS,同時生成H2O和CO2從燃料反應器流化床上方的端口 G排出，部分煙氣被引回至燃料反應器布風板5-1下方的端口 C作為流化氣體；另一方面，利用流化顆粒的流通特性，燃料反應器左反應室5-2內(nèi)的固體顆粒從燃料反應器中間隔板5-4的上開口 5-7溢出至燃料反應器右反應室5-3，同時燃料反應器右反應室5-3內(nèi)的固體顆粒從燃料反應器中間隔板5-4的下開口 5-8流入至燃料反應器左反應室5-2，形成一個順時針的內(nèi)循環(huán)，有效提高了氧載體顆粒在燃料反應器流化床5內(nèi)的停留時間以及氧載體顆粒和煤粉顆粒的接觸時間，從而提高了此化學鏈燃燒系統(tǒng)的熱效率和CO2捕集效率，燃料反應器流化床5中的反應溫度控制在900 1000°C之間。本發(fā)明針對固體燃料，提供了一種串行流化床內(nèi)嵌并行流化床的化學鏈燃燒反應器。以并行流化床作為燃料反應器，靈活控制固體燃料和氧載體在燃料反應器內(nèi)的停留時間，有效匹配還原反應和氧化反應之間的速率，達到較高的CO2的捕集效率及濃度。
權利要求
1.一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于包括空氣反應器流化床(1)，旋風分離器(2)與空氣反應器流化床(I)連接，燃料反應器流化床(5)通過第一流動密封閥(3)連接旋風分離器(2)，螺旋進料器(4)設于燃料反應器流化床(5)的側(cè)面；下降管(6)上端口連接燃料反應器流化床(5)，下降管(6)下端口通過第二流動密封閥(7)連接回料管(8)上端口，回料管(8)下端口連接空氣反應器流化床(I)。
2.如權利要求I所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于所述空氣反應器流化床(I)包括空氣反應主室(1-2)，空氣反應器布風板(1-1)設于空氣反應主室(1-2)下方，空氣反應器提升管(1-4)通過空氣反應器過渡段(1-3)設于空氣反應主室(1-2)上方；空氣反應主室(1-2)與所述回料管(8)連接，空氣反應器提升管(1-4)與所述旋風分離器(2)連接。
3.如權利要求2所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于所述旋風分離器(2)包括氣固分離器(2-1)及設于其下方的旋風分離器下降管(2-2);氣固分離器(2-1)的入口與所述空氣反應器提升管(1-4)的上端出口水平連接，旋風分離器下降管(2-2)的下端出口連接所述第一流動密封閥(3)。
4.如權利要求I所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于所述燃料反應器流化床(5)包括燃料反應器左反應室(5-2)和燃料反應器右反應室(5-3)，燃料反應器中間隔板(5-4)設于燃料反應器左反應室(5-2)和燃料反應器右反應室(5-3)之間，燃料反應器中間隔板(5-4)的上方和下方分別有上開口(5-7)和下開口(5-8)，燃料反應器布風板(5-1)設于燃料反應器左反應室(5-2)和燃料反應器右反應室(5-3)的下方；燃料反應器左反應室(5-2)連接所述螺旋進料器(4)的出口，燃料反應器下降管(5-6)設于燃料反應器左反應室(5-2)上方且其上端與所述第一流動密封閥(3)連接；燃料反應器右反應室(5-3)的出口壁面(5-5)上水平設有孔/條格，燃料反應器右反應室(5-3)的出口壁面(5-5)連接所述下降管(6)上端口。
5.如權利要求4所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于所述燃料反應器下降管(5-6)的出口低于所述上開口(5-7)。
6.如權利要求4所述的一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于所述燃料反應器右反應室(5-3)的出口壁面(5-5)上的孔/條格低于所述上開口(5-7)。
7.一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置的使用方法，其特征在于從燃料反應器布風板(5-1)的下方分別向燃料反應器左反應室(5-2)和燃料反應器右反應室(5-3)通入流化風，且燃料反應器左反應室(5-2)流化風速比燃料反應器右反應室(5-3)流化風速高。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置，其特征在于包括空氣反應器流化床，旋風分離器與空氣反應器流化床連接，燃料反應器流化床通過第一流動密封閥連接旋風分離器，螺旋進料器設于燃料反應器流化床的側(cè)面；下降管上端口連接燃料反應器流化床，下降管下端口通過第二流動密封閥連接回料管上端口，回料管下端口連接空氣反應器流化床。本發(fā)明還提供一種基于固體燃料的化學鏈燃燒裝置的使用方法，其特征在于從燃料反應器布風板的下方通入流化風，且使燃料反應器左反應室流化風速比燃料反應器右反應室高。本發(fā)明提供的裝置適用于固體燃料的化學鏈燃燒反應，結構簡單，操作方便，CO2捕集效率高，密封性能好，提高了反應效率。
文檔編號F24J1/00GK102798222SQ20121031592
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權日2012年8月30日
發(fā)明者熊杰, 馬勝, 烏曉江, 倪建軍, 閆凱 申請人:上海鍋爐廠有限公司