專利名稱：一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置及其使用方法，屬于燃燒反應器技術領域。
背景技術：
目前，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生的煙氣不會被空氣中的N2 稀釋，其主要成分為CO2和H2O,經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，目前也是國內外研究的熱點方向。化學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。目前的化學鏈燃燒反應器主要是串型流化床反應器(Interconnected fluidized-bed)和雙循環流化床反應器(Dual CFB)。這兩種反應器雖然可以實現較高的CO2減排效率，但是結構和工藝過程非常復雜，且需要很好的控制自動化技術與其匹配，同時也使得加工成本較高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單、易于操作、經濟性能好、且能達到較高的CO2捕集效率和濃度的旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置及其使用方法。為了解決上述第一個技術問題，本發明的技術方案是提供一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于包括圓柱形外殼，布風板設于圓柱形外殼的上層和下層之間，齒輪軸承設于布風板上部中心，固定軸承設于布風板下部中心，軸心一端通過齒輪連接齒輪軸承，軸心另一端連接固定軸承；旋轉葉片設于齒輪軸承上，固定葉片設于固定軸承上。優選地，所述旋轉葉片下平面和圓周均設有金屬網。優選地，所述圓柱形外殼的上層被所述旋轉葉片分隔成面積相等的N塊，N> 6 ;所述圓柱形外殼的下層被所述固定葉片分隔成4塊，分別為氣體燃料區、第一水蒸氣區、空氣區和第二水蒸氣區。優選地，所述第一水蒸氣區和第二水蒸氣區的橫截面積均與所述圓柱形外殼的上層被所述旋轉葉片分隔成的每一小塊的橫截面積相等。優選地，所述氣體燃料區和空氣區對應的上層空間均設有排氣通道。為了解決上述第二個技術問題，本發明的技術方案是提供一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置使用方法，其特征在于首先，在布風板上層旋轉葉片之間鋪設氧載體；然后，分別從圓柱形外殼下層的氣體燃料區、第一水蒸氣區、空氣區和第二水蒸氣區下部通入氣體燃料、水蒸氣、空氣和水蒸氣；最后，用電機連接軸心，帶動齒輪軸承和旋轉葉片勻速轉動。 優選地，所述氣體燃料為天然氣或合成氣。本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置的燃料不與空氣接觸燃燒，而是通過氧載體的循環轉動發生交替的氧化-還原反應，實現燃料的燃燒過程，即當氧載體轉動到氣體燃料區上方時，發生還原反應，氧載體被還原成金屬單質或低價態的金屬氧化物，同時燃料被氧化生成CO2和H2O,生成的氣體被排出，通過冷凝即可捕集到高濃度的C02。旋轉葉片繼續轉動，此部分氧載體慢慢經過第一水蒸氣區，經過水蒸氣的吹掃使得此部分氧載體中不再含有CO2，然后繼續轉動到達空氣區，發生氧化反應，氧載體被空氣中的氧氣氧化成原始狀態，富含N2和部分02、H2O的煙氣被排出，此部分氧載體繼續轉動經過第二水蒸氣區后，包含的煙氣被水蒸氣吹掃干凈，再轉動進入氣體燃料區進行下一次循環。相比現有技術，本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置具有如下有益效 果(I)切換式分級反應，可以將燃料和空氣隔離，是一種高效的CO2減排技術；(2)分級反應可以實現能量的梯級利用，有效提聞系統的熱效率；(3)結構簡單，操作方便，不需要復雜的自動化控制與其匹配，相應的投資成本和運行維護費用均能降低；(4)能實現良好的密封性能，達到較高的CO2捕集效率和較高的CO2濃度。本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置及其使用方法克服了現有技術的不足，通過切換式分級反應，能達到較高的CO2捕集效率和濃度，提高了系統的熱效率，且結構簡單、易于操作、經濟性能好。
圖I為本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置示意圖；圖2為本實施例中圓柱形外殼下層區域平面結構示意圖；附圖標記說明I-圓柱形外殼；2_旋轉葉片；3_布風板；4_固定葉片；5_齒輪軸承；6_固定軸承；7-氣體燃料區；8_第一水蒸氣區；9_空氣區；10_第二水蒸氣區。
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以一優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。圖I為本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置示意圖，所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置包括圓柱形外殼1，圓柱形外殼I內分上、下兩層，布風板3裝在圓柱形外殼I的上層和下層之間，將兩層空間隔絕。齒輪軸承5裝在布風板3上部中心，固定軸承6裝在布風板3下部中心，旋轉葉片2裝在齒輪軸承5上，固定葉片4裝在固定軸承6上。軸心一端連接固定軸承6，軸心另一端與齒輪軸承5通過齒輪連接從而帶動齒輪軸承5和旋轉葉片2轉動。在旋轉葉片2下平面和圓周(即與圓柱形外殼I內表面連接處)安裝金屬網。
圓柱形外殼I的上層被旋轉葉片2分隔成面積相等的N塊，N > 6。結合圖2，圓柱形外殼I的下層被固定葉片4分隔成4塊，分別為氣體燃料區7、第一水蒸氣區8、空氣區9和第二水蒸氣區10。第一水蒸氣區8和第二水蒸氣區10的橫截面積均與圓柱形外殼I的上層被旋轉葉片2分隔成的每一小塊的橫截面積相等。氣體燃料區7和空氣區9對應的上層空間均設置排氣通道。使用時，在布風板3上層旋轉葉片2之間鋪設氧載體，分別從圓柱形外殼I下層的氣體燃料區7、第一水蒸氣區8、空氣區9和第二水蒸氣區10下部通入氣體燃料(天然氣或合成氣)、水蒸氣、空氣和水蒸氣，用電機連接軸心，帶動齒輪軸承5和旋轉葉片2勻速轉動，從圓柱形外殼I下層通入的氣體燃料、水蒸氣、空氣通過布風板3使鋪設在旋轉葉片2之間的氧載體流化，流化模型為鼓泡床或湍流床，產生的煙氣通過獨立的排氣通道排出，實現高濃度CO2的捕集。鋪設在圓柱形外殼I的上層布風板3上各小區域的氧載體依次通過氣體燃料區7、第一水蒸氣區8、空氣區9和第二水蒸氣區10，經歷的過程依次是還原反應-清洗-氧化反應-清洗，不斷循環。以CH4作為燃料，以MeO表示金屬氧化物，還原反應和氧化反應過程 式如下還原反應4MeO+CH4— 4Me+2H20+C02氧化反應4M+202— 4MeO第一水蒸氣區8和第二水蒸氣區10通入水蒸氣有兩個作用一是作為惰性氣體清洗氧載體中殘留的煙氣，可以使還原反應產生的CO2不被空氣中的N2稀釋，有效捕集CO2,以便封存或利用；二是起到流化作用。當氧載體轉動到氣體燃料區7和第一水蒸氣區8交界處時，同一小塊的氧載體一部分在氣體燃料區7，一部分在第一水蒸氣區8，此部分的氧載體發生還原反應產生的CO2被通入的水蒸氣不斷吹走，通過上部的排氣通道排出。直到此部分氧載體完全經過空氣區9，到達第二水蒸氣區10，開始發生氧化反應，得到的富含N2的煙氣從空氣區9上方的排氣通道排出，當繼續轉動到空氣區9和第二水蒸氣區10交界處時，通入的水蒸氣會將此部分含有的N2吹掃干凈，然后進入氣體燃料區7。因此，第一水蒸氣區8和第二水蒸氣區10中通入水蒸氣可以起到良好的密封作用，達到較高的CO2捕集效率以及CO2濃度。
權利要求
1.一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于包括圓柱形外殼(1)，布風板(3)設于圓柱形外殼(I)的上層和下層之間，齒輪軸承(5)設于布風板(3)上部中心，固定軸承(6)設于布風板(3)下部中心，軸心一端通過齒輪連接齒輪軸承(5)，軸心另一端連接固定軸承(6);旋轉葉片(2)設于齒輪軸承(5)上，固定葉片(4)設于固定軸承(6)上。
2.如權利要求I所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于所述旋轉葉片(2)下平面和圓周均設有金屬網。
3.如權利要求I所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于所述圓柱形外殼(I)的上層被所述旋轉葉片(2)分隔成面積相等的N塊，N > 6 ;所述圓柱形外殼(I)的下層被所述固定葉片(4)分隔成4塊，分別為氣體燃料區(7)、第一水蒸氣區(8)、空氣區(9)和第二水蒸氣區(10)。
4.如權利要求4所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于所述第一水蒸氣區(8)和第二水蒸氣區(10)的橫截面積均與所述圓柱形外殼(I)的上層被所述旋轉葉片(2)分隔成的每一小塊的橫截面積相等。
5.如權利要求5所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于所述氣體燃料區(7)和空氣區(9)對應的上層空間均設有排氣通道。
6.一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置使用方法，其特征在于首先，在布風板(3)上層旋轉葉片(2)之間鋪設氧載體；然后，分別從圓柱形外殼(I)下層的氣體燃料區(7)、第一水蒸氣區(8)、空氣區(9)和第二水蒸氣區(10)下部通入氣體燃料、水蒸氣、空氣和水蒸氣；最后，用電機連接軸心，帶動齒輪軸承(5)和旋轉葉片(2)勻速轉動。
7.如權利要求7所述的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置使用方法，其特征在于所述氣體燃料為天然氣或合成氣。
全文摘要
本發明提供了一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置，其特征在于包括圓柱形外殼，布風板設于圓柱形外殼的上層和下層之間，齒輪軸承設于布風板上部中心，固定軸承設于布風板下部中心，軸心一端通過齒輪連接齒輪軸承，軸心另一端連接固定軸承；旋轉葉片設于齒輪軸承上，固定葉片設于固定軸承上。本發明提供的一種旋轉型化學鏈燃燒反應器裝置及其使用方法克服了現有技術的不足，通過切換式分級反應，能達到較高的C02捕集效率和濃度，提高了系統的熱效率，且結構簡單、易于操作、經濟性能好。
文檔編號F23C10/20GK102818259SQ20121031592
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者熊杰, 馬勝, 倪建軍 申請人:上海鍋爐廠有限公司