煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置

摘要

煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置为煤颗粒和气化剂在加压高密度循环流化床燃料反应器1内发生气化反应，气化产物与返回燃料反应器1的载氧体发生氧化还原反应，生成CO

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤化学链燃烧分离CO₂的装置，属于燃料的清洁燃烧和高效利用领域。

技术背景

二氧化碳是诸多潜在的温室效应气体中影响最大的温室气体，如何减排二氧化碳已经成为今后人类可持续发展的主要内容之一。化学链燃烧(ChemicalLooping Combustion，简称CLC)是国际公认的具有重要前景的CO₂减排技术之一。它的基本原理是燃料不直接与空气接触燃烧，而是以载氧体在两个反应器之间的循环交替反应来实现燃烧过程：一方面在空气反应器中利用载氧体分离空气中的氧，另一方面在燃料反应器中由载氧体将空气中的氧传递到燃料中，进行燃料的燃烧。由于燃烧过程中，燃料与空气没有直接接触，燃烧产物只有二氧化碳和水蒸汽，利用简单的冷却装置就可以分离出CO₂，从而实现CO₂的富集，因此是一种清洁燃烧方式。

自1983年德国科学家提出化学链燃烧概念以来，国际上许多研究机构都对其开展了一系列的研究。到目前为止，采用气体燃料或液体燃料的CLC工艺和载氧体研究比较成熟，而燃煤CLC的研究尚处于起步阶段，基于气体和液体燃料直接转化到固体燃料(如煤、生物质)的各种工艺路线都存在不少问题。由于煤/载氧体燃烧反应速率与载氧体载氧反应速率相差2～3个数量级，常规的系统难以很好地实现煤/载氧体燃烧反应与载氧体载氧反应的优化匹配，因此至今尚未得到国际公认的工艺技术路线。当前，国际上许多研究机构正纷纷寻求新的思路，研发煤化学链燃烧分离CO₂的新技术。

发明内容

技术问题：本发明针对常规的CLC系统难以很好地实现煤/载氧体燃烧反应与载氧体载氧反应的优化匹配问题，提供一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置，该装置具有燃烧效率高、载氧能力强、分离出的CO₂浓度高及CO₂最终捕集率高的效果。

技术方案：本发明提供了一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置。本发明的思路是：加压高密度循环流化床燃料反应器内实现高颗粒浓度、高循环倍率和高颗粒通量下的煤与载氧体的燃烧反应过程；错流移动床空气反应器内实现载氧体的载氧反应过程；两级旋风装置分别实现载氧体和含碳煤灰的有效分离并促进含碳煤灰的完全燃烧。煤与载氧体燃烧的气体产物主要是CO₂和水蒸汽的气体混合物，经除尘冷凝完成CO₂的分离。下面参照图1，具体说明本发明的技术路线和目标的具体实现。

煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置包括加压高密度循环流化床燃料反应器、一级旋风分离器、一级料腿、新鲜载氧体颗粒给料器、错流移动床空气反应器、格栅板、失活载氧体颗粒排料器、一级返料器、一级排气管、二级旋风分离器、二级排气管、二级料腿和二级返料器；

其中加压高密度循环流化床燃料反应器的上部与一级旋风分离器相连通，一级旋风分离器的下部通过一级料腿与错流移动床空气反应器相连通，错流移动床空气反应器的下部通过一级返料器与加压高密度循环流化床燃料反应器的下部相连通，构成一级循环回路；

加压高密度循环流化床燃料反应器的上部与一级旋风分离器相连通，一级旋风分离器的上部通过一级排气管与二级旋风分离器的上部相连通，二级旋风分离器的下部通过二级料腿与二级返料器连通，二级返料器的出口与加压高密度循环流化床燃料反应器相连通，构成二级循环回路。

所述的加压高密度循环流化床燃料反应器的顶部出口连接一级旋风分离器；底部入口由下到上依次为气化剂入口、煤颗粒入口、一级返料入口和二级返料入口，其中气化剂入口布置在加压高密度循环流化床燃料反应器的底部，煤颗粒入口、一级返料入口和二级返料入口布置在加压高密度循环流化床燃料反应器的侧面。

所述的错流移动床空气反应器中设有许多向其中心倾斜的格栅板，在错流移动床空气反应器两侧分别设有空气入口和空气反应器排气口，在错流移动床空气反应器下部设有失活载氧体颗粒排料器，在错流移动床空气反应器上部设有新鲜载氧体颗粒给料器。

所述的加压高密度循环流化床燃料反应器内，煤颗粒和气化剂发生气化反应，然后气化产物和载氧体发生氧化还原反应，生成CO₂和H₂O。整个燃料反应器空间的固-气体积比大于0.1，并且可达到大于200kg/m²s的颗粒通量和50～100倍的循环倍率。

所述的一级旋风分离器内完成载氧体颗粒和煤颗粒的分离。载氧体颗粒进入一级料腿，烟气和未燃烧的煤颗粒以及少量的载氧体细粉从一级旋风分离器排气管排出。

所述的错流移动床空气反应器，分离下来的载氧体从空气反应器上部入口进入，载氧后从下部出口流出，反应所需的空气从空气反应器一侧的空气入口进入，从另一侧的排气口排出。

所述的二级旋风分离器内实现烟气和固体颗粒的二次分离，含碳煤灰和少量载氧体细粉进入二级料腿，而烟气(CO₂与水蒸汽混合物)从二级旋风分离器排气管排出。

有益效果：本发明具有如下的特色及优点：

1、本发明的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置，将加压高密度循环流化床与错流移动床联合运用，分别实现煤与载氧体的燃烧反应过程和载氧体的载氧反应过程。通过大幅提高燃烧反应过程中颗粒的停留时间，解决由于燃烧反应与载氧反应的速率存在数量级差而导致的反应匹配问题。

2、本发明采用的加压高密度循环流化床燃料反应器，具有高密度(固-气体积比大于0.1)、高循环倍率(50～100)和高颗粒通量(＞200kg/m²s)，颗粒停留时间远大于普通循环流化床反应器，并且气固湍流反应(如煤和蒸汽的气化反应、气化产物还原载氧体反应)速率明显增加，不仅大大提高了煤的燃烧效率，而且气相产物中CO等不完全燃烧产物有效降低，可分离出高浓度的CO₂。

3、本发明的加压高密度循环流化床燃料反应器内，载氧体浓度远高于普通循环流化床反应器，煤的气化产物被载氧体连续快速氧化，从而提高了气化反应速率，促进了煤的气化反应。

4、本发明的一级旋风分离器，根据载氧体颗粒和含碳煤灰在密度和粒径上的差异，将载氧体颗粒分离至一级料腿，而烟气和含碳煤灰则从一级旋风分离器排气管排出，从而保证含碳煤灰基本不进入空气反应器中燃烧，既提高了CO₂的捕集率，又避免了含碳煤灰在空气反应器中燃烧引起的烧结问题。

5、本发明的错流移动床空气反应器设计成了特殊的错流移动床，颗粒在错流移动床内快速通过，这样即使载氧体内混入少量含碳煤灰，由于反应时间短、颗粒较大、接触面积小，不会发生烧结，降低了含碳煤灰在空气反应器中燃烧引起的烧结风险；和流化床空气反应器相比，错流移动床空气反应器结构简单，控制方便。

6、本发明的二级分离装置为高效旋风分离器，能够有效分离含碳煤灰，有效延长含碳煤灰在燃料反应器内的停留时间，提高煤的燃烬度。

附图说明

图1是本发明的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置具体实施的系统图，其中包括：加压高密度循环流化床燃料反应器1，一级旋风分离器2，一级料腿3，新鲜载氧体颗粒给料器4，错流移动床空气反应器5，格栅板6，失活载氧体颗粒排料器7，一级返料器8，一级排气管9、二级旋风分离器10，二级排气管11，二级料腿12，二级返料器13，煤颗粒入口A，气化剂入口B，一级返料入口C，二级返料入口D，空气入口E，空气反应器排气口F，一级返料器进气口G，二级旋风分离器出气口H，二级返料器进气口I。

具体实施方式

本发明提供的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置，该装置包括加压高密度循环流化床燃料反应器1、一级旋风分离器2、一级料腿3、新鲜载氧体颗粒给料器4、错流移动床空气反应器5、格栅板6、失活载氧体颗粒排料器7、一级返料器8、一级排气管9、二级旋风分离器10、二级排气管11、二级料腿12和二级返料器13。

所述的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离二氧化碳的装置由两级循环回路组成：加压高密度循环流化床燃料反应器1的上部与一级旋风分离器2相连通，一级旋风分离器2的下部通过一级料腿3与错流移动床空气反应器5相连通，错流移动床空气反应器5的下部通过一级返料器8与加压高密度循环流化床燃料反应器1的下部相连通，构成一级循环回路；加压高密度循环流化床燃料反应器1的上部与一级旋风分离器2相连通，一级旋风分离器2的上部通过一级排气管9与二级旋风分离器10的上部相连通，二级旋风分离器10的下部通过二级料腿12与二级返料器13连通，二级返料器13的出口与加压高密度循环流化床燃料反应器1相连通，构成二级循环回路。

所述的加压高密度循环流化床燃料反应器1的顶部出口连接一级旋风分离器2；底部入口由下到上依次为气化剂入口B、煤颗粒入口A、一级返料入口C和二级返料入口D，其中气化剂入口B布置在加压高密度循环流化床燃料反应器1的底部，煤颗粒入口A、一级返料入口C和二级返料入口D布置在加压高密度循环流化床燃料反应器1的侧面。

所述的错流移动床空气反应器5中设有许多向其中心倾斜的格栅板6，在错流移动床空气反应器5两侧分别设有空气入口E和空气反应器排气口F，在错流移动床空气反应器5下部设有失活载氧体颗粒排料器7，在错流移动床空气反应器5上部设有新鲜载氧体颗粒给料器4。

煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂的装置的具体思路为：煤颗粒和气化剂(水蒸汽和CO₂混合物)从加压高密度循环流化床燃料反应器1的底部区域进入，发生气化反应，然后气化产物和返回燃料反应器1的载氧体发生氧化还原反应，气化产物被载氧体氧化成CO₂和H₂O。反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰离开燃料反应器1，进入一级旋风分离器2，失氧载氧体被分离出来进入空气反应器5，而含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气进入二级旋风分离器10。在二级旋风分离器10内，实现烟气和固体颗粒(含碳煤灰和失氧载氧体细颗粒)的二次分离，得到洁净的CO₂与H₂O(汽)的混合物，经冷凝剔除H₂O得到高纯度的CO₂，分离出的固体颗粒经过二级返料器13返料给燃料反应器1。从一级旋风分离器2出来的失氧载氧体，进入空气反应器5，与横向通过的空气相互接触发生氧化还原反应，反应后的尾气(N₂和少量O₂的混合物)从空气反应器排气口D排出，而失氧载氧体被空气氧化后再生，经过一级返料器8回到燃料反应器1继续反应。

以下参照图1来详细说明本发明的煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO₂装置的具体实施例。

本实施例以铁矿石为载氧体。水蒸气和CO₂混合物作为气化剂和流化介质，从加压高密度循环流化床燃料反应器1底部的气化剂入口B进入，携带从煤颗粒入口A进入的煤颗粒、从一级返料入口C进入的含有高浓度载氧体铁矿石的返料以及从二级返料入口D进入的煤和载氧体细颗粒混合物向上运动。在这个过程中，气化剂与煤发生气化反应，生成煤气(主要成分为CO和H₂)，煤气再与载氧体发生氧化还原反应，载氧体中的氧传递给煤气，使得CO被氧化成CO₂，H₂被氧化成H₂O(汽)，而铁矿石载氧体失去部分氧变成氧化亚铁或四氧化三铁。载氧体发生氧化还原反应，消耗CO和H₂，促进了煤的气化反应。

反应后的固体颗粒(失氧载氧体颗粒和含碳煤灰)被烟气带出，进入一级旋风分离器2，大部分失氧载氧体颗粒被分离出来进入错流移动床空气反应器5，而含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气进入二级旋风分离器10。一级旋风分离器2分离出的失氧载氧体，从错流移动床空气反应器5的顶部进入，空气则从空气入口E经过格栅板6后均匀进入，两者接触发生氧化还原反应，反应后的尾气从空气反应器排气口F排出，而失氧载氧体被空气氧化再生，再生后的载氧体进入一级返料器8，在从一级返料器进气口G进入的CO₂气体的辅助作用下，回到燃料反应器1继续反应，以上物料的循环运动构成了一级返料循环。当载氧体载氧能力明显下降时，需从失活载氧体颗粒排料器7排出永久失活的载氧体，同时，从新鲜载氧体颗粒给料器4补充相应的新鲜载氧体。

从一级旋风分离器2出来的携带含碳煤灰和少量失氧载氧体细颗粒的烟气进入二级旋风分离器10内，发生二次分离，CO₂和H₂O(汽)的气体混合物从二级旋风分离器出气口H排出，经冷凝剔除水蒸汽，得到高纯度的CO₂，分离出的固体颗粒进入二级返料器13，在从二级返料器进气口I进入的CO₂气体的辅助作用下，返回至燃料反应器1，以上物料的循环运动构成了二级返料循环。