一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，包括燃料反應器組件、待生返料組件、再生返料組件和空氣反應器，燃料反應器組件包括混合室、提升管、沉降室、氣固分離器、卷吸孔、排渣管和螺旋給料器，待生返料組件包括待生返料斜管和連接在待生返料斜管中的待生返料閥，再生返料組件包括再生返料斜管和連接在再生返料斜管中的再生返料閥，待生返料斜管的一端與沉降室相連，待生返料斜管的另一端與空氣反應器的上部相連，空氣反應器的下部與再生返料斜管的一端相連，再生返料斜管的另一端與混合室相連。該裝置大大提高了煤的燃燒效率和二氧化碳捕集率，實現了煤灰與載氧體的高效分離，且結構緊湊、易于實現大型化。
【專利說明】一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及能源轉化【技術領域】，具體來說，涉及一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置。
技術背景
[0002]隨著環境污染和生態破壞等問題的日益突出，減少化石能源開發利用過程中排放的大量二氧化碳已成為人們日益關注的焦點。目前傳統的二氧化碳分離技術需要消耗大量能源，導致動力系統效率大幅降低(減小59Γ1590。因此，有必要開發一種低能耗分離二氧化碳的新型燃燒技術，化學鏈燃燒技術正是基于上述背景下提出的，是實現燃料清潔、高效利用的重要組成部分，具有廣闊的發展前景。化學鏈燃燒技術將傳統的燃料與空氣直接接觸式的燃燒方式，轉變為借助于固體載氧體的供氧作用分解為兩個氣固反應的無焰燃燒技術，煤燃燒產生的氣體產物只有二氧化碳和水蒸氣，通過簡單的冷凝之后便實現了二氧化碳氣體的富集。
[0003]反應器是成功實現化學鏈燃燒技術應用的關鍵構件之一。化學鏈燃燒系統主要由燃料反應器和空氣反應器組成。如何實現燃料反應器中煤顆粒與載氧體顆粒之間的良好接觸，煤灰與載氧體之間的高效分離，載氧體顆粒在兩個反應器之間的良好循環以及避免兩個反應器之間的氣體竄混是當前煤基化學鏈燃料反應器設計和選型過程中面臨的主要難題。目前國內外大多化學鏈燃燒系統燃料反應器運行方式為鼓泡流化床，其主要不足是燃料與載氧體接觸差、載氧體利用效率低、煤燃燒效率和二氧化碳捕集率不高、反應器放大困難等。為了提高煤的燃燒效率和實現煤灰與載氧體的分離，現有裝置通過在燃料反應器出口引入外循環回路達到此目的，該方法一方面需要額外的能量去推動載氧體在燃料反應器與外循環回路之間的循環，同時在外循環回路上需要額外布置顆粒密封閥以調節載氧體顆粒的循環，由此帶來的工藝過程非常繁瑣且系統操作復雜程度增加；另一方面整個系統占地面積較大、建造和運行成本相應提高，不利于反應器系統的放大和大型化。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，該裝置可解決現有煤基化學鏈燃料反應器系統中存在的不足，提高煤的燃燒效率和二氧化碳捕集率，實現煤灰與載氧體的高效分離。
[0005]技術方案:為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:
一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，該裝置包括燃料反應器組件、待生返料組件、再生返料組件和空氣反應器；所述的燃料反應器組件包括混合室、提升管、沉降室、氣固分離器、卷吸孔、排渣管和螺旋給料器，混合室的側面與螺旋給料器的出料口相連，混合室的底端與排渣管相連，混合室上端與提升管的底端相連，提升管的頂端與氣固分離器相連，沉降室的底端固定連接在提升管的外壁上，沉降室位于提升管的上部，沉降室與提升管同軸，提升管的壁面上設有卷吸孔，氣固分離器和卷吸孔均位于沉降室內；所述的待生返料組件包括待生返料斜管和連接在待生返料斜管中的待生返料閥，所述的再生返料組件包括再生返料斜管和連接在再生返料斜管中的再生返料閥，待生返料斜管的一端與沉降室相連，待生返料斜管的另一端與空氣反應器的上部相連，空氣反應器的下部與再生返料斜管的一端相連，再生返料斜管的另一端與混合室相連；空氣反應器的底端與空氣反應器排渣管相連；所述的混合室的下端、沉降室的下端以及空氣反應器的下端均布置風室和布風板。
[0006]進一步，所述的卷吸孔靠近沉降室的底端。
[0007]進一步，所述的混合室的橫截面直徑大于提升管的直徑，沉降室為上粗下細的錐形體。
[0008]進一步，所述的待生返料斜管與空氣反應器之間的夾角、再生返料斜管與混合室之間的夾角均為45°飛0°。
[0009]進一步，所述的卷吸孔以提升管中心軸為中心，呈圓環陣列對稱式布置。
[0010]進一步，所述的氣固分離器為斗笠型慣性分離器。
[0011]進一步，所述的待生返料閥和再生返料閥均為U型閥。
[0012]進一步，所述的混合室為湍流流化床；所述的提升管為快速流化床；所述的沉降室和空氣反應器均為鼓泡流化床。
[0013]進一步，所述的燃料反應器混合室、提升管和沉降室運行溫度為90(T100(TC ;所述的空氣反應器的運行溫度在95(Tl050°C。
[0014]進一步，所述的提升管、氣固分離器、沉降室和卷吸孔形成的載氧體顆粒循環構成了整個系統的內循環回路；所述的混合室、提升管、沉降室、待生返料組件、空氣反應器和再生返料組件形成的載氧體顆粒循環構成了整個系統的外循環回路。
[0015]有益效果:與現有技術相比，本發明具有如下優點:
(I)在燃料反應器組件中的混合室、提升管和沉降室內實現了煤與載氧體的多段式反應，有效提高了煤的燃燒效率以及二氧化碳捕集率。
[0016](2)通過在提升管上設置卷吸孔，沉降室下部的載氧體顆粒被卷吸進入提升管，大大提高了提升管內載氧體顆粒的濃度，進而強化了氣化產物與載氧體顆粒之間的氣固反應，提高了二氧化碳氣體濃度。
[0017](2)燃料反應器下部設計成直徑較大的混合室，且呈現為湍流流化床狀態，與現有絕大多數裝置燃料反應器密相區運行方式為鼓泡流化床相比，本裝置能夠顯著提高煤顆粒與載氧體顆粒之間的混合，進而提高煤與載氧體的燃燒反應。提升管采用比混合室直徑小的結構，有利于提高載氧體顆粒、煤灰以及未反應煤顆粒的上升速度，從而能夠提高氣固分離器的分離效率。
[0018](3)燃料反應器沉降室為上粗下細的類錐形結構，采用直徑較大的沉降室上端有利于降低密度較大的載氧體以及少量未反應煤顆粒的速度，使兩種顆粒較易回落到沉降室下端，而密度較小的煤灰顆粒則被上升氣流攜帶到燃料反應器出口，從而實現煤灰與載氧體以及少量未反應煤顆粒的高效分離；采用直徑較小的沉降室下端可以保證顆粒在沉降室下端的充滿度，防止氣體通過待生返料組件竄混進入空氣反應器。
[0019](4)本發明中氣固分離器采用斗笠型慣性分離器，與傳統的旋風分離器相比，具有阻力小、結構簡單、易于布置、造價低等優點。
[0020](5)本發明裝置中引入了與提升管為同軸圓環形設置的沉降室以及在提升管上部設置卷吸孔，不僅提高了煤的燃燒效率和二氧化碳捕集率以及煤灰與載氧體的高效分離，而且沉降室替代了現有裝置中存在的復雜的燃料反應器外循環回路；與外循環回路相比，本發明的內循環回路直接依靠進入混合室和沉降室的氣體推動載氧體顆粒的循環，不需要消耗額外的能量，因而降低了整個系統的能耗。同時，本發明也不需要額外設置機械密封閥調節載氧體的循環通量，使得整個化學鏈燃料反應器系統結構更加緊湊，操作更加簡便，易于實現裝置的放大和大型化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的結構示意圖。
[0022]其中包括:混合室1，提升管2，沉降室3，氣固分離器4，卷吸孔5，排渣管6，螺旋給料器7，待生返料斜管8，再生返料斜管9，待生返料閥10，再生返料閥11，空氣反應器12，空氣反應器排渣管13，混合室氣化劑入口 A，沉降室氣化劑入口 B，空氣反應器空氣入口 C，燃料反應器氣體產物出口 D，空氣反應器氣體產物出口 E。
【具體實施方式】
[0023]下面將參照附圖和實例，對本發明做進一步說明。
[0024]如圖1所示，本發明的一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，包括燃料反應器組件、待生返料組件、再生返料組件和空氣反應器12。燃料反應器組件包括混合室1、提升管2、沉降室3、氣固分離器4、卷吸孔5、排渣管6和螺旋給料器7。作為優選，氣固分離器4為斗笠型慣性分離器。混合室I的側面與螺旋給料器7的出料口相連，混合室I的底端與排渣管6相連，混合室I上端與提升管2的底端相連，提升管2的頂端與氣固分離器4相連，沉降室3的底端固定連接在提升管2的外壁上，沉降室3位于提升管2的上部，沉降室3與提升管2同軸，提升管2的壁面上設有卷吸孔5，氣固分離器4和卷吸孔5均位于沉降室3內。待生返料組件包括待生返料斜管8和連接在待生返料斜管8中的待生返料閥10。再生返料組件包括再生返料斜管9和連接在再生返料斜管9中的再生返料閥
11。待生返料斜管8的一端與沉降室3相連，待生返料斜管8的另一端與空氣反應器12的上部相連。空氣反應器12的下部與再生返料斜管9的一端相連，再生返料斜管9的另一端與混合室I相連。空氣反應器12的底端與空氣反應器排渣管13相連。混合室I的下端、沉降室3的下端以及空氣反應器12的下端均布置風室和布風板。
[0025]進一步，所述的卷吸孔5靠近沉降室3的底端。沉降室底部載氧體顆粒多，屬于密相區域，可以防止提升管內的氣體通過卷吸孔進入沉降室底部，因而可以降低沉降室底部密相區的載氧體顆粒進入提升管內部的阻力。卷吸孔5以提升管2中心軸為中心，呈圓環陣列對稱式布置。這可以保證沉降室3底部的載氧體顆粒均勻進入提升管內部，降低載氧體顆粒對提升管內氣流的擾動，從而使整個系統能夠平穩運行。
[0026]進一步，所述的混合室I的橫截面直徑大于提升管2的直徑，沉降室3為上粗下細的錐形體。當混合室I和提升管2視為一體時，整體呈下粗上細的錐形體。
[0027]進一步，所述的待生返料斜管8與空氣反應器12之間的夾角、再生返料斜管9與混合室I之間的夾角均為45°飛0°。夾角設置在該范圍內，保證載氧體顆粒的良好循環，如果角度太小，載氧體顆粒容易堆積在待生返料斜管和再生返料斜管管子的底部，不利于載氧體顆粒的循環。
[0028]進一步，所述的待生返料閥10和再生返料閥11均為U型閥。混合室I為湍流流化床。提升管2為快速流化床。沉降室3和空氣反應器12均為鼓泡流化床。燃料反應器混合室1、提升管2和沉降室3運行溫度為90(Tl00(rC。空氣反應器12的運行溫度在95(Tl050°C。
[0029]本發明的裝置中，在燃料反應器內實現煤顆粒與載氧體顆粒之間的燃燒反應；在空氣反應器12內實現被還原載氧體的氧化再生；氣固分離器4實現煤灰與載氧體的高效分離；燃料反應器和空氣反應器12內產生的氣體產物經各自排出口排出，燃料反應器氣體產物出口 D排出的氣體產物為二氧化碳和水蒸氣的混合物，經簡單冷凝去除水蒸氣后實現二氧化碳氣體的富集。
[0030]本發明的裝置中，由提升管2、氣固分離器4、沉降室3和卷吸孔5形成的載氧體顆粒循環構成了整個裝置系統的內循環回路。在待生返料斜管8和再生返料斜管9上分別安裝待生返料閥10和再生返料閥11，以調節載氧體的循環流量。空氣反應器12上端通過待生返料組件與沉降室3相連，空氣反應器12下端通過再生返料組件與混合室I相連，空氣反應器12底端與空氣反應器排渣管13相連。由混合室1、提升管2、沉降室3、待生返料組件、空氣反應器12和再生返料組件形成的載氧體顆粒循環構成了整個裝置系統的外循環回路。
[0031]本發明的裝置中，混合室I下端設有混合室氣化劑入口 A，沉降室3下端設有沉降室氣化劑入口 B，空氣反應器12下端設有空氣反應器空氣入口 C，燃料反應器的上部設有燃料反應器氣體產物出口 D，空氣反應器的上部設有空氣反應器氣體產物出口 E。混合室I下端通過混合室氣化劑入口 A通入水蒸氣作為氣化介質，沉降室3下端通過沉降室氣化劑入口 B通入水蒸氣作為氣化介質，空氣反應器12下端通過空氣反應器空氣入口 C通入空氣，使載氧體氧化再生。燃料反應器的氣體產物經燃料反應器氣體產物出口D排出。空氣反應器的氣體產物經空氣反應器氣體產物出口 E排出。
[0032]本發明的裝置中，燃料反應器組件為多段式反應系統且為環隙流化床結構，包括混合室1、提升管2和沉降室3。煤顆粒依次經混合室1、提升管2和沉降室3實現了煤的分段轉化和完全燃燒。載氧體和煤灰顆粒經氣固分離器4實現了煤灰與載氧體顆粒的高效分離。該裝置大大提高了煤的燃燒效率和二氧化碳捕集率，實現了煤灰與載氧體的高效分離，且結構緊湊、易于實現大型化。
[0033]下面具體介紹本裝置的工作過程。
[0034]以鐵礦石作為載氧體，其主要成分為三氧化二鐵。正常運行時，反應器內部加入一定量的鐵礦石載氧體顆粒，水蒸氣通過混合室I底部的混合室氣化劑入口 A和沉降室3底部的沉降室氣化劑入口 B的布風板通入。水蒸氣一方面作為煤氣化反應的氣化介質，另一方面作為載氧體和煤顆粒的流化介質，保證載氧體與煤顆粒之間的充分接觸以及載氧體顆粒的正常循環。煤顆粒通過燃料反應器混合室I側面的螺旋給料器7加入后，被來自于再生返料斜管9的灼熱的鐵礦石載氧體顆粒加熱，首先發生煤與水蒸氣的氣化反應，生成氣化產物(主要成分為CO和H2)。同時，氣化產物與鐵礦石載氧體顆粒發生還原反應，生成氣體產物二氧化碳和水蒸氣，鐵礦石顆粒由于參與了反應“釋氧”而被還原成四氧化三鐵。在混合室I內，絕大部分的煤顆粒被轉化，少部分煤顆粒由于停留時間較短來不及參與反應被上升氣流攜帶至提升管2中，同時被攜帶的還包括鐵礦石載氧體顆粒以及煤灰顆粒。在提升管2內，除了由混合室I攜帶至提升管2的載氧體顆粒參與反應外，從沉降室3底端通過卷吸孔5卷吸進入的載氧體顆粒提高了提升管2內的載氧體顆粒濃度，加強了氣化產物與載氧體之間的還原反應，生成更多的二氧化碳氣體。隨后載氧體、煤灰以及少量未反應的煤顆粒在快速流化狀態下撞擊氣固分離器4實現載氧體、煤顆粒與煤灰之間的分離。載氧體顆粒以及煤顆粒由于密度較大，較易落入沉降室3的下端繼續參與反應，而煤灰顆粒由于密度較小則被上升氣流攜帶至燃料反應器氣體產物出口 D，從而完成煤灰與載氧體的分離。在混合室1、提升管2和沉降室3內生成的氣體產物二氧化碳和水蒸氣經燃料反應器氣體產物出口 D排出，經冷凝裝置去除水蒸氣后實現二氧化碳氣體的富集。在混合室I內殘留的部分煤灰以及部分失活的載氧體顆粒經排渣管6排出。為了保持整個系統的物料守恒，一定量的新鮮的鐵礦石顆粒經螺旋給料器7加入到混合室I參與反應。被還原的鐵礦石載氧體顆粒從沉降室3下端經待生返料斜管8和待生返料閥10進入空氣反應器12，鐵礦石載氧體顆粒的循環流量通過控制待生返料閥10的松動風和流化風實現。進入空氣反應器12的載氧體顆粒與來自于空氣反應器底部的空氣反應器空氣入口 C的空氣接觸“吸氧”，實現載氧體的氧化再生，重新生成三氧化二鐵。空氣反應器12的氣體產物主要為含有少量氧氣的貧氧空氣，經空氣反應器氣體產物出口 E排出，部分失活的載氧體顆粒經空氣反應器排渣管13排出。在空氣反應器12內完成氧化再生的鐵礦石載氧體顆粒經再生返料斜管9和再生返料裝置11進入混合室1，參與下一個煤基化學鏈燃燒還原氧化循環反應過程。
【權利要求】
1.一種內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，該裝置包括燃料反應器組件、待生返料組件、再生返料組件和空氣反應器(12)； 所述的燃料反應器組件包括混合室(I)、提升管(2)、沉降室(3)、氣固分離器(4)、卷吸孔(5)、排渣管(6)和螺旋給料器(7)，混合室(I)的側面與螺旋給料器(7)的出料口相連，混合室(I)的底端與排渣管(6 )相連，混合室(I)上端與提升管(2 )的底端相連，提升管(2 )的頂端與氣固分離器(4)相連，沉降室(3)的底端固定連接在提升管(2)的外壁上，沉降室(3)位于提升管(2)的上部，沉降室(3)與提升管(2)同軸，提升管(2)的壁面上設有卷吸孔(5)，氣固分離器(4)和卷吸孔(5)均位于沉降室(3)內； 所述的待生返料組件包括待生返料斜管(8)和連接在待生返料斜管(8)中的待生返料閥(10)，所述的再生返料組件包括再生返料斜管(9)和連接在再生返料斜管(9)中的再生返料閥(11)，待生返料斜管(8)的一端與沉降室(3)相連，待生返料斜管(8)的另一端與空氣反應器(12)的上部相連，空氣反應器(12)的下部與再生返料斜管(9)的一端相連，再生返料斜管(9)的另一端與混合室(I)相連；空氣反應器(12)的底端與空氣反應器排渣管(13)相連； 所述的混合室(I)的下端、沉降室(3)的下端以及空氣反應器(12)的下端均布置風室和布風板。
2.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的卷吸孔(5)靠近沉降室(3)的底端。
3.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的混合室(I)的橫截面直徑大于提升管(2)的直徑，沉降室(3)為上粗下細的錐形體。
4.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的待生返料斜管(8)與空氣反應器(12)之間的夾角、再生返料斜管(9)與混合室(I)之間的夾角均為45°?60°。
5.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的卷吸孔(5)以提升管(2)中心軸為中心，呈圓環陣列對稱式布置。
6.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的氣固分離器(4)為斗笠型慣性分離器。
7.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的待生返料閥(10)和再生返料閥(11)均為U型閥。
8.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的混合室(I)為湍流流化床；所述的提升管(2)為快速流化床；所述的沉降室(3)和空氣反應器(12)均為鼓泡流化床。
9.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的燃料反應器混合室(I)、提升管(2)和沉降室(3)運行溫度為90(Ti00(rc;所述的空氣反應器(12)的運行溫度在95(Tl050°C。
10.根據權利要求1所述的內外循環耦合的煤基化學鏈燃燒分離二氧化碳的裝置，其特征在于，所述的提升管(2)、氣固分離器(4)、沉降室(3)和卷吸孔(5)形成的載氧體顆粒循環構成了整個系統的內循環回路；所述的混合室(I)、提升管(2)、沉降室(3)、待生返料組件、空氣反應器(12)和再生返料組件形成的載氧體顆粒循環構成了整個系統的外循環回路。
【文檔編號】F23C10/26GK104197323SQ201410480616
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】肖睿, 張帥, 沈德魁, 張會巖, 曾德望 申請人:東南大學