专利名称：一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于化学链燃烧技术领域，具体涉及一种基于燃料反应器为三床结构的固体燃料化学链燃烧系统。
背景技术：
全球变暖、气候异常已引起世界各国的广泛关注，大量研究表明这与人类长期以来大量地排放温室气体，致使大气层中温室气体含量过高有着直接的关系。温室气体的扩散以及大气流动，使气候异常和由此引发的灾害无国界，因此，解决温室气体排放已成为全人类共同的问题。1992年6月联合国气候变化框架公约确定了稳定温室气体浓度的长期目标及人类应对气候变化的基本原则。从1997年12月制定的《京都议定书》到2007年12月巴厘会议制定的“巴厘路线图”，均将六种主要的温室气体C02、CH4, N2O, NFCs, PFCs, SF6列为了减排目标。其中以CO2(贡献大约是66%)减排为主。根据共同而有区别的原则，要 求发达国家为应对全球气候变暖承担更多的历史责任，中国也积极应对气候变化问题。在今后几十年内，我国经济发展所需的能源主要还是化石燃料，实现CO2减排就十分重要。在众多减排方法中，化学链燃烧技术是一项有着巨大优势的方法。它是一种无火焰燃烧方式，可以避免燃料与空气的直接接触，其原理是利用金属氧化物等作载氧体与燃料进行两步化学反应来代替传统的一步反应，即可以防止NOx生成，又可以富集C02。过程中既没有高能耗的设备，也不需要附加的能耗，同时满足节能与减排的要求，因此对于高效的化学链燃烧系统的研究就更为重要。化学链燃烧系统主要包括两个反应器，即燃料反应器和空气反应器。金属氧化物作为氧载体在两个反应器中循环，实现氧和能量的转移。一个高效的化学链燃烧系统至少要满足下述三个主要条件(I)在空气反应器和燃料反应器间运载足够的载氧体；(2)能够提供足够的反应时间；(3)能够阻止两个反应器之间的气体混合。目前，国内外大多采用的是串行流化床反应器化学链燃烧系统，以及少部分的并行流化床反应系统。虽然这种反应器对于气体燃料有较高的转化效率，但在固体燃料化学链燃烧系统中，受其结构和工作原理的限制，都不能有效地解决固体燃料在化学链燃烧中存在的问题。其一，固体燃料与载氧体的接触时间不足，导致固体燃料燃烧不充分；其二，固体燃料燃烧后的灰分与载氧体分离困难，导致载氧体循环使用效率低。因此，固体燃料化学链燃烧系统的大型化需要更加有效反应器。
实用新型内容本实用新型的目的在于简化固体化学链燃烧系统的结构，提高固体燃料化学链燃烧效率和载氧体分离效率，提供一种高效、清洁、经济和可连续运行的基于燃料反应器为三床结构的固体燃料化学链燃烧系统。本实用新型采用的技术方案是该系统包括燃料反应器、空气反应器、第一气固分离装置、第二气固分离装置、物料循环控制装置以及进料装置。所述燃料反应器的横截面为方形，分为气化床、主反应床和分离床三部分，气化床和主反应床为上下布置结构，通过一个布风装置相连；分离床与气化床、主反应床之间为左右布置，之间通过隔板隔开，底部设置与主反应床连通的通道；气化床的侧面与进料装置相连；气化床的顶部与第一气固分离装置的下料管相连；主反应床内设有两排交错布置的角度可调式挡板，底部设有流化风口 ；分离床底部设有风室，侧面设有载氧体出口，顶部设有烟气和灰分出口，其中载氧体出口与物料循环控制装置相连，烟气和灰分出口与第二气固分离装置相连；空气反应器为快速流化床结构，其侧面的载氧体入口与物料循环装置相连，顶部为载氧体口，与第一气固分离装置的入口相连。所述布风装置中间为气体通道，两侧设有气体和物料通道。所述进料装置的燃料出口位于布风装置的上方。所述第一气固分离装置的下料管出口位于布风装置的上方，且低于进料装置的燃 料出口位置。所述主反应床内的可调式挡板与水平面夹角为Θ，其中30°彡Θ彡60°。所述物料循环控制装置为L阀或U阀。所述气化床内添加的载氧体为活性金属氧化物，进料装置送入的固体燃料为煤粉或生物质。本实用新型与现有技术比较具有以下优点(I)采用燃料反应器三床设计方式，集气化、化学链燃烧及载氧体分离与一体。在气化床内实现固体燃料的预热、气化和部分氧化等过程；在主反应床中实现固体燃料的充分气化和氧化反应过程；在分离床内实现灰分与载氧体的分离等过程。(2)主反应床内设置的挡板采用可调式结构，可根据不同固体燃料性质以及不同的运行工况调节挡板倾斜角，调节固体燃料在反应器内的停留时间，并且可以增加反应器内气流扰动使反应更加剧烈。(3)分离床利用物料性质差异，通过调节流化风速将载氧体从气固混合物中有效的分离出来，输送至物料循环控制装置，将灰分和烟气送入气固分离装置。
图I为本实用新型的结构示意图；图中标号I-燃料反应器；2_空气反应器；3_第一气固分离装置；4_第二气固分离装置；5-物料循环控制装置；6_进料装置；a_气化床；b_主反应床；c_分离床。
具体实施方式
本实用新型提供了一种基于燃料反应器为三床结构的固体燃料化学链燃烧系统，下面通过附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。本系统的结构如图I所示，该系统包括燃料反应器I、空气反应器2、第一气固分离装置3、第二气固分离装置4、物料循环控制装置5以及进料装置6。燃料反应器I的横截面为方形，分为气化床a、主反应床b和分离床c三部分，气化床a和主反应床b为上下布置结构，通过一个布风装置相连，布风装置中间为气体通道，两侧设有气体和物料通道。分离床C与气化床a、主反应床b之间为左右布置，之间通过隔板隔开，底部设置与主反应床b连通的通道；气化床a的侧面与进料装置6相连，进料装置6的燃料出口位于布风装置的上方。气化床a的顶部与第一气固分离装置3的下料管相连，第一气固分离装置3的下料管出口位于布风装置的上方，且低于进料装置6的燃料出口位置。主反应床b内设有两排交错布置与水平面夹角为Θ的角度可调式挡板，其中30° < Θ <60° ;主反应床b的底部设有流化风口。分离床c底部设有风室，侧面设有载氧体出口，顶部设有烟气和灰分出口，其中载氧体出口与物料循环控制装置5相连，烟气和灰分出口与第二气固分离装置4相连；空气反应器2为快速流化床结构，其侧面的载氧体入口与物料循环装置5相连，顶部为载氧体口，与第一气固分离装置3的入口相连。物料循环控制装置5为L阀或U阀。本反应系统工作过程如下固体燃料经进料装置6进入燃料反应器I内的气化床a,与燃料反应器I中炽热的载氧体(高价态)混合。混合物在气化床a内成瑞流流化状态，因此固体燃料与携带大量热量的载氧体充分接触，从而迅速达到固体燃料气化所需温度，产生大量气化气体。其中可燃气体与载氧体迅速发生反应，同时固体燃料与载氧体由于激烈碰撞也会发生剧烈的化学反应。在流化状态下，固体混合物在布风装置中心以喷动状态 向以两边移动，并随可燃气体经布风装置侧边的通道进入主反应床b。主反应床b内壁上设有角度可调式挡板，固体混合物落在挡板上继续发生气化和氧化反应，挡板的作用是增加反应器内气流扰动、延长物料停留时间，使反应更加充分。在吹扫气体作用下，反应后载氧体(低价态)与产生灰分及烟气由主反应床b底部通道进入分离床C。在分离床c内，灰分随烟气进入第二气固分离器4，经过除尘装置和冷却处理后得到高纯度CO2 ;载氧体则经过分离床c底部通道进入物料循环控制装置5，然后进入空气反应器2进行循环再生。在空气反应器2内，被还原的低价态载氧体与空气发生剧烈反应，生成高价态载氧体被输送到第一气固分离器3中。尾气中的氮气和少量未反应氧气排入大气，炽热的载氧体则返回燃料反应器1，至此载氧体完成一个“氧化-还原-氧化”循环过程，从而形成一个高效、清洁、可连续运行的固体燃料化学链燃烧系统。实施例I :固体燃料选用褐煤，载氧体选用天然铁矿石(主要成分是Fe2O3)。炽热的Fe2O3与煤粉在燃料反应器中充分混合、气化和氧化还原反应。反应后的灰分随烟气进入气固分离器，经分离冷却后分别得到灰分和较高纯度的C02。被还原的氧化铁(主要成分为Fe3O4),经过分离器进入物料循环控制装置，然后返回空气反应器，进行氧化再生，氧化后的载氧体(Fe2O3)输送到燃料反应器与煤粉反应。在连续运行的IOOh实验内，褐煤的燃尽率为92%，载氧体与灰分的分离率94%，载氧体的损失率为3. 5%, CO2的捕集效率达到了 93%。实施例2 以用等体积浸溃法制备的Fe2O3/ Y -Al2O3为载氧体,无烟煤为燃料，利用实施例I中的实验工艺进行化学链燃烧实验。在连续运行的IOOh实验内，褐煤的燃尽率为96%，载氧体与灰分的分离率为98%，载氧体的损失为2. 1%,C02的捕集效率达到了 98%。实施例3 :以玉米秸杆为原料，沉淀法制备的Fe2O3/Y-Al2O3为载氧体，并采用实施例I中的实验工艺进行化学链燃烧实验。在连续运行的IOOh实验内，秸杆的燃尽率为98%，载氧体与灰分的分离率为97%，载氧体的损失为2. 6%, CO2的捕集效率达到了 96%。[0031]实施例4:以稻壳为原料，等体积浸溃法制备的Fe2O3/ Y -Al2O3为载氧体，按照实施例I中的实验工艺进行化学链燃烧实验。在连续运行的IOOh实验内，稻壳的燃尽率为99%，载氧体与灰分的分离率为95%，载氧体的损失为2. 4%, CO2的捕集效率达到了 97%。
权利要求1.一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，包括燃料反应器(I)、空气反应器(2)、第一气固分离装置(3)、第二气固分离装置(4)、物料循环控制装置(5)以及进料装置￠)，其特征在于 所述燃料反应器(I)的横截面为方形，分为气化床(a)、主反应床(b)和分离床(c)三部分，气化床(a)和主反应床(b)为上下布置结构，通过一个布风装置相连；分离床(C)与气化床(a)、主反应床(b)之间为左右布置，之间通过隔板隔开，底部设置与主反应床(b)连通的通道；气化床(a)的侧面与进料装置(6)相连；气化床(a)的顶部与第一气固分离装置(3)的下料管相连；主反应床(b)内设有两排交错布置的角度可调式挡板，底部设有流化风n ； 分离床(C)底部设有风室，侧面设有载氧体出口，顶部设有烟气和灰分出口，其中载氧体出口与物料循环控制装置(5)相连，烟气和灰分出口与第二气固分离装置(4)相连； 空气反应器(2)为快速流化床结构，其侧面的载氧体入口与物料循环装置(5)相连，顶部为载氧体口，与第一气固分离装置(3)的入口相连。
2.根据权利要求I所述的一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，其特征在于，所述布风装置中间为气体通道，两侧设有气体和物料通道。
3.根据权利要求I所述的一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，其特征在于，所述进料装置￠)的燃料出口位于布风装置的上方。
4.根据权利要求I所述的一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，其特征在于，所述第一气固分离装置(3)的下料管出口位于布风装置的上方，且低于进料装置(6)的燃料出口位置。
5.根据权利要求I所述的一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，其特征在于，所述主反应床(b)内的可调式挡板与水平面夹角为e，其中30° ^ 0 ^ 60°。
6.根据权利要求I所述的一种基于三床结构燃料反应器的固体燃料化学链燃烧系统，其特征在于，所述物料循环控制装置(5)为L阀或U阀。
专利摘要一种基于燃料反应器为三床结构的固体燃料化学链燃烧系统属于化学链燃烧技术领域。燃料反应器采用气化床、主反应床和分离床集成一体的形式，气化床和主反应床为上下布置，通过布风装置相连；分离床与气化床、主反应床之间为左右布置，气化床的侧面与进料装置相连，顶部与第一气固分离装置相连；主反应床内设有可调式挡板，分离床的侧面与物料循环控制装置相连，顶部与第二气固分离装置相连；空气反应器为快速流化床结构，其侧面与物料循环装置相连，顶部与第一气固分离装置相连。此系统可以实现固体燃料化学链燃烧反应的连续运行，在实现能量高效利用的同时实现二氧化碳的近零排放，是一种高效、清洁、经济、可持续运行的固体燃料化学链燃烧系统。
文档编号F23C10/10GK202546743SQ20122011502
公开日2012年11月21日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者梁志永, 肖显斌, 胡笑颖, 董长青, 覃吴, 高攀 申请人:华北电力大学