一种三反应器结构的化学链燃烧装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种三反应器结构的化学链燃烧装置和方法。所述化学链燃烧装置包括空气反应器流化床，空气反应器流化床通过提升管与旋风分离器连接；旋风分离器底部与燃料反应器连接；燃料反应器上设有螺旋进料器，其特征在于，燃料反应器通过下降管与净化反应器的物料入口连接，净化反应器的物料出口通过回料管与空气反应器流化床的反应室连接。该装置结构特别适用于固体燃料的化学链燃烧反应，在所添加的净化反应器内利用水蒸汽进行流化和净化，通过调节流化蒸汽的流量在实现将氧载体中残留的碳颗粒通过气化反应清除的同时，还能实现将氧载体清洗并将细小颗粒携带出净化反应器的目的。
【专利说明】一种三反应器结构的化学链燃烧装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三反应器结构的化学链燃烧装置和方法，属于化学燃烧系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002]化学链燃烧(Chemical looping combustion)技术是一种具革命性的新型燃烧方式，它将传统的一步燃烧反应分解为两步分别在燃料反应器和空气反应器中进行，通过中间循环氧载体(通常为金属氧化物)将空气中的氧提供给燃料。在传统燃烧反应中，因为N2的稀释，烟气中CO2浓度仅13%左右，需要消耗大量的能量才能将其捕集；而在化学链燃烧过程中，燃料和空气是隔离的，因此在燃料反应器中产生的烟气不会被空气中的N2稀释，其主要成分为CO2和H2O,经过简单的冷凝就可以得到高纯度的CO2以便利用或封存。同时，它还能有效抑制其他污染物的产生，而且，因为能量的梯级利用，化学链燃烧方式可以提高系统的热效率。因此，化学链燃烧技术是一种高效、清洁的燃烧方式，目前也是国内外研究的热点方向。
[0003]在化学链燃烧过程中，燃料适应性强，气体、液体、固体燃料均能适用。而针对不同燃料形式、氧载体类型的反应器设计一直是化学链技术研究领域的一项重要工作。2000年以前，化学链技术的相关研究主要集中在使用气体燃料方面，2000年后，各国研究者才逐渐开发燃用固体燃料(主要是煤、石油焦等)的化学链系统。燃用固体燃料比燃料气体燃料的化学链燃烧过程更复杂，更难以控制，主要原因是因为燃料反应器中的固-固反应速率比空气反应器中发生的气-固反应速率小2-3个量级，因此在两个反应器的结构设计和运行控制上存在着很大的困难。目前设计的用于燃用固体燃料的化学链燃烧反应器主要是串型流化床反应器(Interconnected fluidized-bed)和双循环流化床反应器(Dual CFB)。串行流化床反应器形式类似于传统的循环流化床，由一个快速床的空气反应器和一个低速鼓泡床/湍流床的燃料反应器组成，两个反应床之间用流动密封阀隔绝；双循环流化床反应器由两个循环流化床系统串接而成。这两种反应器结构虽然有所不同，但均是基于两反应器结构，即一个燃料反应器，一个空气反应器。目前，相关研究结果表明，在燃用固体燃料的化学链燃烧系统中，从燃料反应器出来的氧载体中携带有部分碳颗粒并被直接传输到空气反应器中，这种情况的后果是降低了系统的CO2捕捉效率。另外，氧载体颗粒的微孔结构堵塞以及随着循环次数的增加氧载体颗粒尺寸变小均是影响系统性能的不利因素。因此现在需要针对传统化学链燃烧系统的结构进行改进，以解决上述技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对燃用固体燃料的化学链燃烧系统中从燃料反应器排出的氧载体颗粒中含有残留碳颗粒以及氧载体颗粒(特别是天然氧载体)不断变细等问题，在传统化学链燃烧反应器结构上进行改进，实现更好的系统热力性能和经济性能。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三反应器结构的化学链燃烧装置，包括空气反应器流化床，空气反应器流化床包括反应室，反应室内设有布风板，反应室设有进气口一，反应室上方设有过渡段，过渡段通过提升管与旋风分离器连接，旋风分离器顶部设有排气口 一 ；旋风分离器底部与燃料反应器连接，燃料反应器顶部设有排气口二，底部设有排渣口及进气口三；燃料反应器上设有螺旋进料器，其特征在于，燃料反应器通过下降管与净化反应器的物料入口连接，净化反应器的物料出口通过回料管与空气反应器流化床的反应室连接；净化反应器顶部设有排气口三，底部设有进气口五。
[0006]优选地，所述旋风分离器底部通过第一流动密封阀与燃料反应器连接，第一流动密封阀底部设有进气口二。
[0007]优选地，所述下降管与净化反应器的物料入口之间设有第二流动密封阀，第二流动密封阀底部设有进气口四。
[0008]优选地，所述物料入口的水平位置比物料出口的水平位置高。
[0009]本发明还提供了一种三反应器结构的化学链燃烧方法，其特征在于，采用上述任意一种三反应器结构的化学链燃烧装置，将从燃料反应器中排出的氧载体颗粒经过第二流动密封阀后传输到净化反应器中，利用水蒸汽进行流化和净化，通过调节流化蒸汽的流量在实现将氧载体中残留的碳颗粒通过气化反应清除的同时，还能将氧载体清洗并将细小颗粒携带出净化反应器。
[0010]优选地，所述净化反应器的流化形态为湍动床。
[0011]所述的三反应器结构的化学链燃烧装置中的燃料反应器中从进气口三通入流化气体水蒸汽和/或CO2将固体燃料气化，具体的反应为:
[0012]C+H20 —H2+C0
[0013]C+C02 —2C0
[0014]生成的C0、H2与燃料反应器中的氧载体发生还原反应，具体的反应为:
[0015]Me0+H2 — Me+H2 O
[0016]Me0+C0 — Me+C02
[0017]反应生成的混合烟气中富含CO2和H2O,从排气口 二排出，经过简单的冷凝过程即可得到高浓度的co2。同时，从得到的混合烟气中抽取一部分返回至进气口三作为燃料反应器的流化气体，这样设计流程的优点在于:1.合理利用气源，减少额外能源消耗；2.烟气再循环可以提高烟气中CO2的浓度。当烟气中含有一部分CO和/或4时，这样一方面增加了CO2提纯的能量消耗，另一方面也降低了燃料的利用效率，而烟气的再循环可以有效克服这些问题。
[0018]在燃用固体燃料时，因为燃料停留时间不够、燃料氧载体颗粒接触时间不够或氧载体性能降低等方面的原因，从燃料反应器中排出的氧载体颗粒中往往存在残留的碳颗粒，并且氧载体颗粒表面的微孔中也有可能堵塞有碳颗粒或灰分，这样会影响系统的CO2捕捉效率以及系统的热力、经济性能。另一方面，随着循环次数的增加，氧载体颗粒会不断破碎变小，氧载体颗粒尺寸的变化将影响物料在流化床系统中的流化性能以及在旋风分离器中的分离性能。因此，在净化反应器中，使用水蒸汽作为流化气体，一方面，可以通过反应
[0019]C+H20 —H2+C0
[0020]将残留的碳颗粒气化，产生的合成气可进一步将氧载体颗粒还原；另一方面，通过调节水蒸汽的流量，可以对氧载体颗粒进行吹扫净化，将氧载体表面及微孔中富集的灰分、残留碳等物质以及已经破碎到很细小颗粒的氧载体携带并通过排气口三排出。如此实现氧载体颗粒的净化、筛选等目的。
[0021]净化之后，氧载体颗粒被输送到空气反应器流化床中，从空气反应器流化床底部进气口一通入空气作为流化气体将还原态的氧载体颗粒流化，在空气反应器下端主室内发生氧载体颗粒的氧化反应，当流化颗粒经过过渡段，空气反应器的横截面积迅速减小，颗粒的流化形式从湍动流化转换成快速流化，流化气体将氧载体颗粒迅速提升、输送的同时将氧载体颗粒进一步氧化至稳定状态。在旋风分离器中，氧载体颗粒与产生的烟气被分离，烟气中富含N2，从旋风分离器上端被排出，而氧载体颗粒通过下降管进入第一流动密封阀内，第一流动密封阀从进气口二依然通入水蒸汽作为流化风，起到密封左右，氧载体颗粒进一步被输送至燃料反应器内，完成一次氧载体颗粒的外循环。固体燃料通过螺旋进料器从燃料反应器的壁面添加。
[0022]水蒸汽作为气化介质，可以将氧载体中残留的碳颗粒气化，提高系统CO2捕捉效率；水蒸汽作为流化风，可以将氧载体颗粒表面及空隙中富集的碳、灰分或其他物质吹扫、清洗，实现净化目的；通过调节流化风的流量，还可以将破碎后形成的细小氧载体颗粒随同灰分等物质一起携带出净化反应器。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明提供的三反应器结构的化学链燃烧装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0025]实施例
[0026]如图1所示，为本发明提供的三反应器结构的化学链燃烧装置的结构示意图，包括空气反应器流化床1，空气反应器流化床I包括反应室1-2，反应室1-2内设有布风板1-1，反应室1-2设有进气口一 A。反应室1-2上方设有过渡段1-3，过渡段1-3通过提升管1-4与旋风分离器2连接。反应室1-2的横截面比提升管1-4的横截面大很多，所以要设置一段过渡段1-3连接反应室1-2及提升管1-4。旋风分离器2顶部设有排气口一 F。旋风分离器2底部通过第一流动密封阀3与燃料反应器5连接，第一流动密封阀3底部设有进气口二 B。燃料反应器5顶部设有排气口二 E，底部设有排渣口 D及进气口三C。燃料反应器5上设有螺旋进料器4。燃料反应器5通过下降管6与净化反应器8的物料入口 8-1连接，下降管6与净化反应器8的物料入口 8-1之间设有第二流动密封阀7，第二流动密封阀7底部设有进气口四G。净化反应器8的物料出口 8-2通过回料管9与空气反应器流化床I的反应室1-2连接，物料入口 8-1的水平位置比物料出口 8-2的水平位置高。净化反应器8顶部设有排气口三I，底部设有进气口五H。
[0027]以煤粉作为燃料、CaSO4-CaS氧载体循环为例，在空气反应器内，CaS颗粒在下部主室1-2内被空气中的O2氧化成CaSO4，流化形式为湍动床，产生的CaSO4颗粒以及部分还未反应的CaS颗粒被流化到过渡段1-3，因为横截面积的迅速减小，流化形式从湍动床转换成快速床，从而将混合颗粒在提升管1-4内向上输送，输送过程中O2继续将部分还未反应的CaS颗粒氧化成CaSO4,产生的烟气中富含N2,同时还包含少量O2和一些微量气体，烟气在旋风分离器中被分离并从排气口一 F排出，空气反应器流化床I中的反应温度控制在1000?1050°C之间。燃料反应器5中，煤粉被螺旋进料器4输送至燃料反应器5中并被通入的流化风H2O和CO2气化生成CO和H2,产生的合成气将CaSO4颗粒还原至CaS，同时生成H2O和CO2从排气口二 E排出，部分烟气被引回至进气口三C作为流化气体，燃料反应器5中的反应温度控制在900?1000°C之间。从燃料反应器5中排出的氧载体颗粒经过第二流动密封阀7后进入净化反应器8中。净化反应器8使用水蒸汽作为流化风，将氧载体颗粒中残留的碳颗粒气化，合成气进一步将氧载体还原，同时合成气被氧化成H2O和C02，同时水蒸汽将氧载体颗粒进行吹扫、清洗，将残留的灰分以及细小氧载体颗粒等携带出净化反应器8，实现氧载体颗粒的净化、筛选目的，从而提高化学链燃烧系统的CO2捕捉效率以及热力、经济性能。
【权利要求】
1.一种三反应器结构的化学链燃烧装置，包括空气反应器流化床(I)，空气反应器流化床(I)包括反应室(1-2)，反应室(1-2)内设有布风板(1-1)，反应室(1-2)设有进气口一 (A)，反应室(1-2)上方设有过渡段(1-3)，过渡段(1-3)通过提升管(1-4)与旋风分离器(2)连接，旋风分离器(2)顶部设有排气口一(F);旋风分离器(2)底部与燃料反应器(5)连接，燃料反应器(5)顶部设有排气口二(E)，底部设有排渣口(D)及进气口三(C);燃料反应器(5)上设有螺旋进料器(4)，其特征在于，燃料反应器(5)通过下降管(6)与净化反应器(8)的物料入口(8-1)连接，净化反应器(8)的物料出口(8-2)通过回料管(9)与空气反应器流化床(I)的反应室(1-2)连接；净化反应器(8)顶部设有排气口三(I)，底部设有进气口五⑶。
2.如权利要求1所述的一种三反应器结构的化学链燃烧装置，其特征在于，所述旋风分离器(2)底部通过第一流动密封阀(3)与燃料反应器(5)连接，第一流动密封阀(3)底部设有进气口二(B)。
3.如权利要求1所述的一种三反应器结构的化学链燃烧装置，其特征在于，所述下降管(6)与净化反应器(8)的物料入口(8-1)之间设有第二流动密封阀(7)，第二流动密封阀(7)底部设有进气口四(G)。
4.如权利要求1所述的一种三反应器结构的化学链燃烧装置，其特征在于，所述物料入口(8-1)的水平位置比物料出口(8-2)的水平位置高。
5.一种三反应器结构的化学链燃烧方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任意一项所述的三反应器结构的化学链燃烧装置，将从燃料反应器(5)中排出的氧载体颗粒经过第二流动密封阀(7)后传输到净化反应器(8)中，利用水蒸汽进行流化和净化，通过调节流化蒸汽的流量在实现将氧载体中残留的碳颗粒通过气化反应清除的同时，还能将氧载体清洗并将细小颗粒携带出净化反应器(8)。
6.如权利要求5所述的三反应器结构的化学链燃烧方法，其特征在于，所述净化反应器(8)的流化形态为湍动床。
【文档编号】F23C10/10GK103486576SQ201310442407
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】熊杰, 李钰, 曾天成, 姜中孝, 倪建军 申请人:上海锅炉厂有限公司