本发明涉及燃料低碳转化燃烧设备领域，特别涉及一种基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置及方法。
背景技术：
化学链燃烧技术(chemicalloopingcombustion，clc)是一种具备co2内分离特征的新型燃烧技术，无需消耗额外的能量便可实现co2的分离；同时，该技术满足能量梯级利用的原则，可以提高系统中能量的利用效率；此外，该技术可以尽量抑制nox的生成。因此，化学链燃烧技术应用于燃料的转化过程，对于减少我国co2排放，实现燃料的经济、高效、清洁利用具有重要意义。
目前，利用化学链燃烧技术实现碳基燃料的转化基本途径是将碳基燃料直接引入燃料反应器，首先，利用气化介质h2o或co2对碳基燃料进行气化，生成合成气(主要为co和h2)，然后载氧体颗粒再与合成气进行反应。因此，在燃料反应器中燃料的气化以及气化合成气与载氧体的反应同时进行。但是该方式的技术问题是与气化产物的燃烧速率相比，碳基燃料的气化速率低，气化过程是速率限制步骤。此外，由于载氧体的耐温性能的限制，空气反应器和燃料反应器的温度较低(一般＜1200℃)，这会造成反应速率很慢以及碳的不完全转化，也会严重影响碳基燃料的转化率。目前的燃料反应器大多采用流化床反应器，碳基燃料和载氧体在该反应器中的停留时间短，造成未转化的碳损失大，主要表现在小颗粒飞灰中的碳会被烟气携带出燃料反应器，造成碳转化率的下降，而大粒径未转化的碳颗粒会循环进入空气反应器被空气氧化，造成碳捕集效率的下降。
其次，目前碳基燃料直接化学链燃烧过程中燃料的灰可能会显著的降低载氧体的寿命，若采用高反应性能的载氧体(如ni基、cu基、co基载氧体等)会明显提高系统的运行成本。因此，在碳基燃料直接化学链燃烧过程中的廉价载氧体(如铁矿石、钛铁矿、钢渣等工业含铁废料等)更有吸引力。然而，这些这类载氧体的反应性能较弱，因此，造成了最终碳基燃料的转化效率较低。
再次，目前采用的多数为流化床反应器，在流化床反应器中碳基燃料与载氧体充分混合，必然会有部分燃料处于床层上部，这部分燃料热解及气化产生的可燃气体与载氧体的接触时间较短，未完全转化的便随烟气逸出反应器，因此会造成部分可燃气体的损失。
因此，避免高活性载氧体被煤灰等组分的影响，提高燃料反应器中碳基燃料的转化率，减小未转化的可燃气体损失，是化学链燃烧过程的关键，急需一种新型的化学链燃烧装置及方法，以实现碳基燃料的高效转化利用。
技术实现要素：
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置及方法，可以避免煤中的杂质对第二载氧体的污染；延长反应器中气固及固固接触的时间，提高碳基燃料的转化率；降低未转化可燃气体的损失；还可进行碳基燃料的分级利用，实现焦炉煤气的制备、焦炭的燃烧及co2的有效分离。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，包括燃料反应器、快速床空气反应器、鼓泡床空气反应器和焦油燃烧器；所述燃料反应器包括干馏段ⅰ、流化床燃料反应段ⅱ、移动床燃料反应段ⅲ；所述干馏段ⅰ一端上设有进料装置，所述干馏段ⅰ另一端上设有输送管，所述输送管穿过流化床燃料反应段ⅱ置于移动床燃料反应段ⅲ内；所述流化床燃料反应段ⅱ与移动床燃料反应段ⅲ连通，所述流化床燃料反应段ⅱ与移动床燃料反应段ⅲ之间通过布风板分割；所述移动床燃料反应段ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器、第一旋风分离器和第一返料器连接形成封闭环；所述流化床燃料反应段ⅱ通过管道依次与第二旋风分离器、鼓泡床空气反应器和第二返料器连接形成封闭环；所述流化床燃料反应段ⅱ内的布风板上放置第二载氧体，所述移动床燃料反应段ⅲ内放置第一载氧体。
进一步，所述进料装置包括碳基燃料进料口和燃料搅拌器，所述碳基燃料进料口安装在所述干馏段i一端上，所述碳基燃料进料口与燃料搅拌器连通，所述燃料搅拌器位于所述干馏段i内部。
进一步，所述移动床燃料反应段ⅲ底部设有气化介质入口b；所述第二旋风分离器上部设有二氧化碳和水蒸气排气口f。
进一步，所述第一载氧体为铁矿石、钛铁矿、工业含铁废料中的一种或几种的混合物；所述第二载氧体为ni基载氧体、cu基载氧体、co基载氧体中的一种或几种的复合载氧体。
进一步，还包括焦油燃烧器、焦油捕集器和干馏段夹套；所述干馏段i外侧设有干馏段夹套，所述鼓泡床空气反应器和第一旋风分离器分别通过管道与焦油燃烧器进口连接，所述干馏段i的出气口与焦油捕集器进口连通，所述焦油捕集器出口与焦油燃烧器进口连接，所述焦油燃烧器出口与干馏段夹套连通。
一种基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏的方法，包括如下步骤：
准备阶段：所述布风板上放置第二载氧体，所述移动床燃料反应段ⅲ底部放置第一载氧体；通过所述移动床燃料反应段ⅲ底部的气化介质入口b提供气化剂；
干馏段i反应阶段：碳基燃料进料口添加碳基燃料到干馏段i内部；所述碳基燃料在干馏段i干馏生成焦炭、煤焦油和焦炉煤气；
移动床燃料反应段ⅲ反应阶段：干馏段i反应阶段生成的焦炭通过输送管进入移动床燃料反应段ⅲ，焦炭在气化介质存在的条件下发生气化，气化后的合成气与第一载氧体发生反应，生成co2和h2o；
流化床燃料反应段ⅱ反应阶段：移动床燃料反应段ⅲ反应阶段生成的co2和h2o和未转化的合成气随气化介质进入流化床燃料反应段ⅱ，未转化的合成气与第二载氧体发生反应，生成co2和h2o，通过冷凝水蒸气，可捕集高浓度的co2；
第一载氧体氧化反应和重复利用阶段：经过移动床燃料反应段ⅲ反应第一载氧体转变为还原态第一载氧体，通过重力进入所述快速床空气反应器内，还原态第一载氧体与所述快速床空气反应器内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态第一载氧体；通过第一旋风分离器将所述快速床空气反应器内的贫氧空气和所述氧化态第一载氧体进行分离，所述氧化态第一载氧体通过第一返料器进入所述移动床燃料反应段ⅲ中；
第二载氧体氧化反应和重复利用阶段：经过流化床燃料反应段ⅱ反应第二载氧体转变为还原态第二载氧体，通过第二旋风分离器进入所述鼓泡床空气反应器内，还原态第二载氧体与所述鼓泡床空气反应器内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态第二载氧体；通过自重氧化态第二载氧体进入第二返料器，从而进入所述流化床燃料反应段ⅱ中。
进一步，所述干馏段ⅰ反应阶段过程中干馏段ⅰ的温度为600～950℃；所述流化床燃料反应段ⅱ反应阶段过程中流化床燃料反应段ⅱ的温度为750-950℃；所述移动床燃料反应段ⅲ反应阶段过程中移动床燃料反应段ⅲ的温度为750～950℃；所述快速床空气反应器内的温度为850-1100℃。
进一步，所述移动床燃料反应段ⅲ内单位横截面积的气体标态上升速度均小于0.2m/s，所述碳基燃料在所述移动床燃料反应段ⅲ内的反应时间超过10min。
进一步，所述干馏段i反应阶段中生成的所述煤焦油和焦炉煤气进入焦油捕集器分离，所述焦炉煤气通过焦炉煤气出口e收集；所述煤焦油进入焦油燃烧器进行燃烧，产生的热量传递到干馏段夹套内，用于给干馏段i反应提高热能。
进一步，所述干馏段ⅰ反应阶段中所述碳基燃料通过搅拌器后均匀分布在干馏段ⅰ内部。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，将燃料反应器分为干馏段ⅰ、流化床燃料反应段ⅱ和移动床燃料反应段ⅲ，在移动床燃料反应段ⅲ采用第一载氧体，在流化床燃料反应段ⅱ采用高性能的第二载氧体，可以改进避免了焦炭与第二载氧体的直接接触，从而避免碳基燃料中的杂质特别是灰分对第二载氧体的影响，减小了流化床反应段载氧体的损耗。
2.本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏的方法，焦炭进入移动床燃料反应段ⅲ，由于移动床燃料反应段ⅲ单位横截面积气体标态上升速度小于0.2m/s，焦炭在移动床燃料反应段ⅲ的停留时间超过10min，而对于传统的流化床反应器，同样单位横断面积反应器内气体标态上升速度一般高于1m/s，这明显提高了小颗粒飞灰中的碳损失，燃料在床内的停留时间远小于60s，这提高了循环进入空气反应器中的未转化的大粒径的碳含量，从而使得碳转化率较低。由此可见，本燃料反应器延长了碳基燃料与载氧体的接触时间，可以明显提高碳的转化率。
3.本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，移动床燃料反应段ⅲ上部设有流化床燃料反应段ⅱ，在移动床燃料反应段ⅲ部分未转化的合成气可进入上部流化床燃料反应段ⅱ进一步转化，使得反应更加完全，降低了未转化的可燃气体损失。而传统的化学链反应装置只采用单一流化床，在流化床上部必然会存在可燃气体，这部分可燃气体未充分转化便被气流带出燃料反应器，造成了燃料的化学不完全燃烧损失。
4.本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，将燃料反应器分为干馏段ⅰ、流化床燃料反应段ⅱ和移动床燃料反应段ⅲ，实现了碳基燃料的分级利用，在装置顶部出口可以得到焦炉煤气，经焦油捕集器分离即可得到焦油并收集以作他用；在流化床燃料反应段上部出口利用旋风分离器进行气固分离，此时只需冷凝水蒸气即可得到纯净co2，实现碳的有效捕集。
5.本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，焦油燃烧器中燃烧焦油产生的烟气携带大量热量进入干馏段夹套，为干馏提供足够热量，与燃料直接进入移动床反应段相比，明显降低了能量消耗，从而减小了载氧体的循环质量流量。
附图说明
图1为本发明所述基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置的结构示意图。
图2为本发明所述燃料反应器的示意图。
图3为本发明所述基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置的管道连接图。
图中：
1-燃料反应器；2-干馏段夹套；3-第二载氧体添加器；4-布风板；5-第一载氧体添加器；6-第一排料阀；7-快速床空气反应器；8-第一返料器；9-第一旋风分离器；10-第二排料阀；11-第二返料器；12-鼓泡床空气反应器；13-第二旋风分离器；14-焦油燃烧器；15-焦油捕集器；16-输送管；17-碳基燃料进料口；18-燃料搅拌器；i-干馏段；ⅱ-流化床燃料反应段；ⅲ-移动床燃料反应段；a-第一空气入口；b-气化介质入口；c-高温贫氧空气出口；d-第二空气入口；e-焦炉煤气出口；f-二氧化碳和水蒸气排气口。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏装置，包括燃料反应器1、快速床空气反应器7、鼓泡床空气反应器12和焦油燃烧器14；所述燃料反应器1包括干馏段i、流化床燃料反应段ⅱ、移动床燃料反应段ⅲ；所述干馏段i一端上设有进料装置，所述进料装置包括碳基燃料进料口17和燃料搅拌器18，所述碳基燃料进料口17安装在所述干馏段ⅰ一端上，所述碳基燃料进料口17与燃料搅拌器18连通，所述燃料搅拌器18位于所述干馏段i内部。所述干馏段i另一端上设有输送管16，所述输送管16穿过流化床燃料反应段ⅱ置于移动床燃料反应段ⅲ内；所述流化床燃料反应段ⅱ与移动床燃料反应段ⅲ连通，所述流化床燃料反应段ⅱ与移动床燃料反应段ⅲ之间通过布风板4分割；所述移动床燃料反应段ⅲ通过管道依次与快速床空气反应器7、第一旋风分离器9和第一返料器8连接形成封闭环；所述流化床燃料反应段ⅱ通过管道依次与第二旋风分离器13、鼓泡床空气反应器12和第二返料器11连接形成封闭环；所述流化床燃料反应段ⅱ内的布风板4上放置第二载氧体，所述移动床燃料反应段ⅲ内放置第一载氧体。由于未转化合成气通过布风板4进入流化床燃料反应段ⅱ中，这样可以避免碳基燃料中灰分对第二载氧体的影响，延长了第二载氧体的使用寿命。所述第一载氧体为铁矿石、钛铁矿、工业含铁废料中的一种或几种的混合物；所述第二载氧体为ni基载氧体、cu基载氧体、co基载氧体中的一种或几种的复合载氧体。
所述移动床燃料反应段ⅲ底部设有气化介质入口b；所述第二旋风分离器13上部设有二氧化碳和水蒸气排气口f，用于收集纯净co2。所述流化床燃料反应段ⅱ上设有第二载氧体添加器3，用于添加补充第二载氧体；所述移动床燃料反应段ⅲ上设有第一载氧体添加器5，用于添加补充第一载氧体。
还包括焦油燃烧器14、焦油捕集器15和干馏段夹套2；所述干馏段ⅰ外侧设有干馏段夹套2，所述鼓泡床空气反应器12和第一旋风分离器9分别通过管道与焦油燃烧器14进口连接，所述干馏段ⅰ的出气口与焦油捕集器15进口连通，所述焦油捕集器15出口与焦油燃烧器14进口连接，所述焦油燃烧器14出口与干馏段夹套2连通。焦油燃烧器14中燃烧焦油产生的烟气携带大量热量进入干馏段夹套2，为干馏段ⅰ提供足够热量，与燃料直接进入移动床反应段相比，明显降低了能量消耗，从而减小了载氧体的循环质量流量。所述干馏段夹套2设有高温贫氧空气出口c用于排出低温的废气。
如图3所示，本发明所述的基于化学链的碳基燃料分级燃烧与干馏的方法，包括如下步骤：
准备阶段：所述布风板4上放置第二载氧体me’xoy，所述移动床燃料反应段ⅲ底部放置第一载氧体mexoy；通过所述移动床燃料反应段ⅲ底部的气化介质入口b提供气化剂；气化剂为水蒸气、co2中的一种或二者的混合物。
干馏段i反应阶段：碳基燃料进料口17添加碳基燃料，通过搅拌器18将碳基燃料均匀分布于干馏段ⅰ内部；所述的碳基燃料为煤、生物质、污泥中的一种或者其混合物。所述碳基燃料在干馏段ⅰ干馏生成焦炭、煤焦油和焦炉煤气，干馏段i的温度为600～950℃；所述煤焦油和焦炉煤气进入焦油捕集器15分离，所述焦炉煤气通过焦炉煤气出口e收集；所述煤焦油进入焦油燃烧器15进行燃烧，产生的热量传递到干馏段夹套2内，用于给干馏段i反应提高热能；
移动床燃料反应段ⅲ反应阶段：干馏段i反应阶段生成的焦炭通过输送管16进入移动床燃料反应段ⅲ，焦炭在气化介质存在的条件下发生气化，气化后的合成气与第一载氧体mexoy发生反应，生成co2和h2o；移动床燃料反应段ⅲ的温度为750～950℃。其中，移动床燃料反应段ⅲ中所发生的反应主要为：
c+h2o＝co+h2；
mexoy+co＝mexoy-1+co2；
mexoy+h2＝mexoy-1+h2o；
流化床燃料反应段ⅱ反应阶段：移动床燃料反应段ⅲ反应阶段生成的co2和h2o和未转化的合成气随气化介质进入流化床燃料反应段ⅱ，未转化的合成气与第二载氧体me’xoy发生反应，生成co2和h2o；流化床燃料反应段ⅱ的温度为750～950℃；流化床燃料反应段ⅱ中所发生的主要反应为：
me’xoy+co＝me’xoy-1+co2；
me’xoy+h2＝me’xoy-1+h2o；
第一载氧体氧化反应和重复利用阶段：经过移动床燃料反应段ⅲ反应第一载氧体mexoy转变为还原态第一载氧体mexoy-1，通过重力进入所述快速床空气反应器7内，快速床空气反应器7内的第一空气入口a加入新鲜空气，还原态第一载氧体mexoy-1与所述快速床空气反应器7内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态第一载氧体mexoy；通过第一旋风分离器9将所述快速床空气反应器7内的贫氧空气和所述氧化态第一载氧体进行分离，所述氧化态第一载氧体通过第一返料器8进入所述移动床燃料反应段ⅲ中；所述快速床空气反应器7主要反应为：mexoy-1+1/2o2＝mexoy，所述快速床空气反应器7内的温度为850～1100℃。所述快速床空气反应器7设有排料口，通过控制第一排料阀6，用于排出废料。
第二载氧体氧化反应和重复利用阶段：经过流化床燃料反应段ⅱ反应第二载氧体me’xoy转变为还原态第二载氧体me’xoy-1，通过第二旋风分离器13进入所述鼓泡床空气反应器12内，鼓泡床空气反应器12内的第二空气入口d加入新鲜空气，还原态第二载氧体me’xoy-1与所述鼓泡床空气反应器12内的空气进行氧化反应从而被氧化为氧化态第二载氧体me’xoy；通过自重氧化态第二载氧体进入第二返料器8，从而进入所述流化床燃料反应段ⅱ中。所述鼓泡床空气反应器12主要反应为：me’xoy-1+1/2o2＝me’xoy。所述鼓泡床空气反应器12设有排料口，通过控制第二排料阀10，用于排出废料。
实施例：将伊利诺斯煤作为碳基燃料、铁矿石作为第一载氧体、纯净nio颗粒作为第二载氧体运用于本发明中，其中煤的工业分析和元素分析数据如表1所示，铁矿石的组分分析如表2所示。
本实例中，快速床空气反应器7中的反应温度为950℃，燃料反应器的干馏段i、流化床燃料反应段ⅱ和移动床燃料反应段ⅲ的温度分别为600℃、900℃和900℃。移动床燃料反应段采用铁矿石与焦炭接触，而在流化床燃料反应段ⅱ采用nio做为第二载氧体。焦炭与nio无直接接触，因此碳基燃料中的杂质特别是灰分对nio无影响；煤经干馏后分解的焦炭在移动床燃料反应段中的停留时间＞10min；本发明小颗粒飞灰碳含量损失小于1％，循环进入空气反应器中大颗粒未转化的碳含量损失小于9％，根据碳转化率公式(燃料反应器出口气体中的含碳量与进入装置的碳基燃料中的碳含量比值)计算可得本发明中碳基燃料的碳转化率超过90％，而传统的流化床燃料反应器的碳转化率较低，约为50-80％；尽管目前文献中提及碳基燃料化学链燃烧过程中碳转化率超过90％，但是其所谓的碳转化率为燃料反应器与空气反应器出口含碳气体中所含的碳与系统进入的碳的比值，而本专利中的碳转化率仅指燃料反应器出口的含碳气体中的碳与进入系统的碳基燃料中的碳含量的比值进行计算，计算对象仅针对燃料反应器，未纳入空气反应器出口中的含碳气体中包含的碳。在移动床燃料反应段中未完全转化的合成气浓度＜0.5vol％；燃料反应器干馏段出口得到了焦油和焦炉煤气，流化床燃料反应段出口分别捕集得到纯净co2，实现碳的有效捕集，实现了碳基燃料分级燃烧与干馏；与传统的单燃料反应器相比，载氧体的循环质量流量约减少1/3。
表1伊利诺斯煤的工业分析和元素分析
表2铁矿石的组分分析表
实施例中的所述干馏段i和流化床燃料反应段ⅱ可以相互连接，但是干馏段i和流化床燃料反应段ⅱ之间内部不连通，如图1所示；也可以所述干馏段ⅰ和流化床燃料反应段ⅱ为独立二部分，仅仅是所述干馏段ⅰ内的输送管16穿过流化床燃料反应段ⅱ，这样方便空间合理的布局。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。