一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉及CO

摘要

本发明公开了一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉，包括空气预热器、氧化反应器、第一旋风分离器、设有松动风口的溢流槽、还原反应器、第二旋风分离器、高温烟气引风机、高温除尘器、燃煤锅炉、低温除尘器、烟气冷却压缩纯化装置。本发明还提供了利用上述锅炉进行CO

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉 锅炉及CO₂捕集方法。

背景技术

自从工业文明以来，地球大气中的CO₂浓度由于人类的生产活动而急剧上升。CO₂作为一种典型的温室气体，直接导致温室效应。随着近年来全球气候变化日益显著，CO₂捕集与封存(CCS)技术成为当今能源和环境科学领域研究的热点问题。化学链燃烧是 20世纪80年代发展起来的一种CO₂分离捕集技术。燃煤电厂CO₂排放具有分压低、流量 大和温度高等特点，是大规模减排CO₂最值得重视的领域。在常规的空气燃烧方式下，烟 气成分绝大部分为氮气，二氧化碳的浓度较低，一般仅为10％～15％，直接分离低浓度 的二氧化碳成本非常高，经济性也很差。富氧燃烧技术也称为O₂/CO₂燃烧技术，或空 气分离/烟气再循环技术，该技术是应用O₂/CO₂的混合气替代空气作为燃料燃烧的氧化 剂，从而提高烟气中CO₂体积分数的一种新型燃烧技术。富氧燃烧使用O₂/CO₂代替空 气，将烟气冷凝除水即可得到高浓度的二氧化碳(干烟气中的二氧化碳浓度可高达95％ 以上)，这样将烟气加压使二氧化碳液化从而达到分离的效果，是一种很有发展潜力的 二氧化碳捕集技术。但该燃烧方式最大的缺陷是经济性差，主要由于在富氧燃烧模式下 需要消耗大量的纯氧供燃料燃烧。

目前常用的制氧方法分两类，一类是分离法，即将空气中的氧与氮通过物理的方法 进行分离，获得不同浓度的氧气，如深冷法、变压吸附法和膜分离法；另一类为制取法， 即采用化学试剂，通过氧化还原反应，从无到有地产生氧气，如超氧化物制氧、氯酸盐 分解、电解水和陶瓷制氧等。传统富氧燃烧需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使 得富氧燃烧系统经济性和能源利用效率下降，研究新型高效低成本的制氧方法是富氧燃 烧进一步发展所急需解决的关键问题之一。

发明内容

本发明目的是提供一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉，在实现富氧 燃烧过程的同时能够有效降低制氧功耗，具有提高发电效率、减少CO₂排放的优点。本 发明还提供了利用上述集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉进行CO₂捕集的 方法。

本发明采用以下技术方案：

一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉，其特征在于，包括空气预热器 (3)、氧化反应器(1)、第一旋风分离器(5)、设有松动风口的溢流槽(2)、还原反应 器(4)、第二旋风分离器(7)、高温烟气引风机(8)、高温除尘器(9)、燃煤锅炉(10)、 低温除尘器(11)、烟气冷却压缩纯化装置(12)；空气预热器(3)和氧化反应器(1) 下端进口相连，氧化反应器(1)下端侧通过设有松动风口的溢流槽(2)和还原反应器 (4)相连，氧化反应器(1)上端出口和第一旋风分离器(5)相连，第一旋风分离器 (5)的上端出口和空气预热器(3)相连，第一旋风分离器(5)的下料管(6)插入还 原反应器(4)内部；还原反应器(4)上端出口和第二旋风分离器(7)相连，第二旋 风分离器(7)的下料管(13)和还原反应器(4)侧部相连，第二旋风分离器(7)的 上端出口和燃煤锅炉(10)的燃烧器相连；燃煤锅炉(10)的炉膛出口烟道设有烟气抽 气口与高温除尘器(9)相连，高温除尘器(9)经高温烟气引风机(8)与还原反应器 (4)下端的烟气入口相连，燃煤锅炉(10)的尾部烟道经低温除尘器(11)与烟气冷 却压缩纯化装置(12)相连。

所述燃煤锅炉(10)不设空气预热器。

利用上述集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉进行CO₂捕集方法，包括如 下步骤：

步骤一、空气(B)由空气预热器(3)加热后通入氧化反应器(1)，与其内低价态 的载氧体在高温条件下反应，低价态的载氧体被氧化成相应高价态的载氧体，空气(B) 成为高温欠氧空气(A)，反应产物经过第一旋风分离器(5)分离，高温欠氧空气(A) 进入空气预热器(3)降温后排入大气，高价态的载氧体由第一旋风分离器(5)的下料 管(6)进入还原反应器(4)；

步骤二、还原反应器(4)下端的烟气入口通入除尘后的高温烟气，与其内高价态 的载氧体在高温、鼓泡流态化条件下反应，高价态的载氧体还原成低价态的载氧体并释 放出氧气，反应产物经过第二旋风分离器(7)分离，低价态的载氧体由设有松动风口 的溢流槽(2)返回到氧化反应器(1)内实现载氧体循环利用，含有一定浓度氧气的烟 气从第二旋风分离器(7)的上端出口进入燃煤锅炉(10)的燃烧器与煤粉(D)混合进 入炉膛燃烧；

步骤三、燃煤锅炉(10)炉膛燃烧产生的高温烟气(E)，一部分由燃煤锅炉(10) 的炉膛出口烟道经过高温除尘器(9)除尘后，通过高温烟气引风机(8)进入还原反应 器(4)下端的烟气入口；其余部分由燃煤锅炉(10)的尾部烟道经低温除尘器(11) 除尘后，进入烟气冷却压缩纯化装置(12)，得到液态二氧化碳(F)，实现CO₂捕集。

步骤一和步骤二所述载氧体为锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛矿型氧 化物。

步骤一所述高温是根据氧化反应器(1)内载氧体的不同控制在600～1300℃。

步骤二所述高温是根据还原反应器(4)内载氧体的不同控制在700～1350℃。

本发明的有益效果：

1、本发明将化学链高温空分制氧与富氧燃烧煤粉锅炉集成，与现有锅炉相比，能 有效降低富氧燃烧的制氧功耗，提高富氧燃烧机组的发电效率，并且能实现二氧化碳捕 集。

2、本发明将化学链高温空分制氧与富氧燃烧煤粉锅炉集成，与现有深冷空分技术 相比，不需要体积相当大的空分设备，既减少了设备投资，又大大减小了占地面积。

3、本发明将化学链高温空分制氧与富氧燃烧煤粉锅炉集成，有效利用抽取的烟气 温度，加热还原反应器，提高热利用率。

4、本发明将化学链高温空分制氧与富氧燃烧煤粉锅炉集成，进入锅炉燃烧器的 O₂/CO₂气流温度较高，能提高燃烧温度，提高燃烧效率与速率。

附图说明

图1为本发明集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉的示意图。

1氧化反应器、2设有松动风口的溢流槽、3空气预热器、4还原反应器、5第一旋 风分离器、6第一旋风分离器的下料管、7第二旋风分离器、8高温烟气引风机、9高温 除尘器、10燃煤锅炉、11低温除尘器、12烟气冷却压缩纯化装置、13第二旋风分离器 的下料管、A高温欠氧空气、B空气、C预热后的空气、D煤粉、E高温烟气、F液态 二氧化碳、G炉渣、H高温烟气灰分、I锅炉给水、J主蒸汽、K高压缸排汽、L再热蒸 汽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制 本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范 围之中。

传统富氧燃烧需要大规模空分制氧，投资大、能耗高，使得富氧燃烧系统经济性和 能源利用效率下降。现有的几种制氧方式，如深冷法、膜分离法和变压吸附，均是先对 空气进行分离，得到较高纯度的氧气，然后与再冷循环烟气进行混合，实际上燃料燃烧 所需的并非真正的纯氧，只是氧气含量为20～40％的氧气与二氧化碳的混合气体。此外， 燃料在氧气与二氧化碳的气氛中产生的烟气为高浓度的二氧化碳，易于分离处理，从而 缓解二氧化碳对温室效应的影响。

化学链高温空分制氧技术是基于20世纪80年代提出的化学链燃烧方式的基础上发 展而来，在富氧燃烧与二氧化碳捕集上有其独到的优点，制得O₂/CO₂混合气，并且继 承了化学链燃烧技术低耗能的特点，能够有效降低富氧燃烧的制氧能耗，提高机组发电 效率。化学链高温空分制氧需要消耗的能量主要是加热的热能，通过与富氧燃烧锅炉的 热集成，能有效降低制氧功耗，提高富氧燃烧机组的发电效率，有比较广阔的发展前景。

实施例1

一种集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉，如图1所示，包括空气预热器 3、氧化反应器1、第一旋风分离器5、设有松动风口的溢流槽2、还原反应器4、第二 旋风分离器7、高温烟气引风机8、高温除尘器9、燃煤锅炉10、低温除尘器11、烟气 冷却压缩纯化装置12。空气预热器3和氧化反应器1下端进口相连，氧化反应器1下端 侧通过设有松动风口的溢流槽2和还原反应器4相连，氧化反应器1上端出口和第一旋 风分离器5相连，第一旋风分离器5的上端出口和空气预热器3相连，第一旋风分离器 5的下料管6插入还原反应器4内部；还原反应器4上端出口和第二旋风分离器7相连， 第二旋风分离器7的下料管13和还原反应器4侧部相连，第二旋风分离器7的上端出 口和燃煤锅炉10的燃烧器相连；燃煤锅炉10的炉膛出口烟道设有烟气抽气口与高温除 尘器9相连，高温除尘器9经高温烟气引风机8与还原反应器4下端的烟气入口相连， 燃煤锅炉10的尾部烟道经低温除尘器11与烟气冷却压缩纯化装置12相连。

氧化反应器1为循环流化床，流化介质为空气，反应温度根据其内载氧体(锰基载 氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛矿型氧化物)的不同选择600～1300℃，反应压力 为常压。

还原反应器4为鼓泡流化床，流化介质为除尘后的高温烟气，反应温度根据其内的 载氧体(锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛矿型氧化物)不同选择700～1350℃， 反应压力为常压。

燃煤锅炉10与现有燃煤锅炉类似，但是不设空气预热器。设有多种烟气-水换热面 或多种烟气-蒸汽换热面，锅炉给水I温度可以较低，最后的排烟温度也很低。

实施例2

利用实施例1所述的集成化学链高温空分制氧的富氧燃烧煤粉锅炉进行CO₂捕集方 法，包括如下步骤：

步骤一、空气B由空气预热器3加热后通入氧化反应器1，与其内低价态的载氧体 在600～1300℃下反应，低价态的载氧体被氧化成相应高价态的载氧体，空气B成为高 温欠氧空气A，反应产物经过第一旋风分离器5分离，高温欠氧空气A进入空气预热器 3加热空气B，降温后排入大气，高价态的载氧体由第一旋风分离器5的下料管6进入 还原反应器4。载氧体包括锰基载氧体、钴基载氧体、铜基载氧体或钙钛矿型氧化物等。 锰基载氧体为Mn₂O₃\Mn₃O₄，钴基载氧体为Co₃O₄\CoO，铜基载氧体为CuO\Cu₂O，钙 钛矿型氧化物有LSCF(La_0.1Sr_0.9Co_0.5Fe_0.5O_3-δ)、SCCF(S_r0.5Ca_0.5Co_0.5Fe_0.5O_3-δ)、BSCF (Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ)、LBCF(La_0.3Ba_0.7Co_0.2Fe_0.8O_3-δ)等。根据氧化反应器1内载 氧体的不同控制不同的反应温度。

步骤二、还原反应器4下端的烟气入口通入除尘后的主要成分为CO₂的高温烟气， 与其内高价态的载氧体在700～1350℃、鼓泡流态化条件下反应，高价态的载氧体还原 成低价态的载氧体并释放出氧气，反应产物经过第二旋风分离器7分离，预热后的空气 C通入设有松动风口的溢流槽2将低价态的载氧体返回到氧化反应器1内实现载氧体循 环利用，含有一定浓度氧气(约10～15V％)的烟气从第二旋风分离器7的上端出口进 入燃煤锅炉10的燃烧器与煤粉D混合进入炉膛燃烧释放热量，将锅炉给水加热为主蒸 汽J以及将汽轮机高压缸排汽K加热为再热蒸汽L。高压缸排汽K、主蒸汽J、再热蒸 汽L参数与现有超超临界燃煤锅炉相近。燃烧后的炉渣G排出燃煤锅炉10外。

步骤三、燃煤锅炉10炉膛燃烧产生的高温烟气E(主要含90V％以上的CO₂与少 量的O₂、CO、SO₂、SO₃等)，一部分高温烟气E由燃煤锅炉10的炉膛出口烟道经过高 温除尘器9除尘后，温度约为1000℃，通过高温烟气引风机8进入还原反应器4下端的 烟气入口，高温烟气灰分H由高温除尘器排出；其余部分高温烟气E，由燃煤锅炉10 的尾部烟道经低温除尘器11除尘后，进入烟气冷却压缩纯化装置12，得到液态二氧化 碳F，实现CO₂捕集。