專利名稱：具有co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃燒含碳固體材料以產(chǎn)生電力和/或蒸汽的燃燒裝置。固體材料可以是諸如煤的礦物燃料，以及廢物或農(nóng)業(yè)廢棄物，它們被注入到一個燃燒倉中，例如流化床燃燒倉。
背景技術(shù)：
燃燒礦物燃料會產(chǎn)生少量的CO2和SO2氣體排放。在燃燒倉中注入石灰石可以減少原位SO2的排放，但是這種SO2排放的減少伴隨著除含碳材料燃燒產(chǎn)生的CO2之外的間接CO2產(chǎn)物。因為CO2是一種溫室氣體，它的排放必須被限制，強制捕獲全部或部分CO2。
包含在燃燒廢氣中的CO2可以利用多種方法捕獲并存儲在燃燒裝置的下游。首先，它可以通過溶劑洗滌來捕獲，例如單乙醇胺，它可以選擇性地溶解包含在廢氣中的CO2，隨后溶劑通過涉及將蒸汽注入到第二個反應(yīng)器中的加熱流程提取CO2而再生，之后再生的溶劑被供給到廢氣洗滌反應(yīng)器。然而，這種方法需要作為燃燒反應(yīng)必需的惰性質(zhì)并且包含在廢氣中的氮氣處理，廢氣中的CO2體積含量通常占15％左右。這意味著CO2捕獲裝置必須按現(xiàn)有氮氣的比例評估。此外，加熱再生的缺點是必須要有大量的蒸汽，這又妨礙了電力和/或蒸汽生產(chǎn)裝置的能效。
用回收的CO2置換包含在廢氣中的氮氣惰性質(zhì)，然后可以想象利用O2/CO2氧化劑實現(xiàn)燃燒。然而，氧氣不得不由空氣分離裝置從空氣中產(chǎn)生，并且低溫系統(tǒng)要消耗大量的能量。
上述的方法是基于在大氣壓下燃燒和捕獲CO2的，但是也有可能產(chǎn)生一種整合到電力生產(chǎn)循環(huán)中的裝置，在壓力下氣化固體燃料，例如煤。在壓力下的氣化產(chǎn)生一種包含CO、H2、CO2和H2O的合成燃氣。這些氣化裝置被連接到燃氣渦輪，并且在這種情況下，壓力下的CO2通過用壓力下的溶劑洗滌而被回收，這對隨后的CO2傳輸更有利，它必須在150巴的超臨界液態(tài)下實現(xiàn)。氣化反應(yīng)使用由空氣分離裝置產(chǎn)生的加壓氧氣，這是昂貴的。除它的復(fù)雜性外，上述類型的裝置有點不可靠，因為通常它的實用性僅僅為80％。
利用金屬氧化物作為氧載體，實現(xiàn)完全CO2回收的氣體燃燒(但不是固體材料)，在本領(lǐng)域也是熟知的。氧化物在兩個反應(yīng)器之間循環(huán)，在其中它可能在循環(huán)床反應(yīng)器中與空氣接觸而被氧化也有可能與氣體燃料接觸而被還原。這種方法的優(yōu)點是不需要分離空氣，因為氧化物包含氧載體，但是它不能用于固體燃料。另外，這些裝置必須在兩個反應(yīng)器之間完全密封，耗盡留在氧化反應(yīng)器中的O2和從還原反應(yīng)器泄露的CO2以不污染空氣。然而，為了使用非常昂貴的氣體燃料，它可以更經(jīng)濟地使用具有用來處理燃料氣體的熱回收裝置的高效(60％)燃氣渦輪，而不是使用低效的(45％)蒸汽渦輪鍋爐。
最后，CO2可以利用鈣的碳酸鹽循環(huán)捕獲，在此處碳酸鹽在循環(huán)流化床接觸反應(yīng)器中的循環(huán)流化床裝置下游形成，在第二個反應(yīng)器中通過熱輸入被分解，并重新循環(huán)到反應(yīng)器，在反應(yīng)器中它們與包含CO2的燃料氣體接觸。以這種方式釋放的CO2可以被回收存儲。
不幸地，所有這些后燃燒CO2捕獲技術(shù)的缺點是增加了一種到兩種傳統(tǒng)火電站的投資成本因素，且需要大的區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可在大氣壓力下操作的用于燃燒含碳固體材料的燃燒裝置，該裝置整合有CO2捕獲能力，不需要預(yù)先的空氣分離，不需要重新循環(huán)CO2以替代燃燒氣體中的氮氣。由于它的簡單和緊湊，這種系統(tǒng)降低了CO2捕獲成本并產(chǎn)生了用于發(fā)電的蒸汽。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于燃燒含碳固體材料的燃燒裝置1包括一個氧化物還原反應(yīng)器，第一個旋流器，一個用于重新獲得燃料氣體的交換器，一個氧化物氧化反應(yīng)器，第二個旋流器，和一個用于控制循環(huán)氧化物溫度的交換器，在其中循環(huán)被還原然后在兩個反應(yīng)器的每一個中氧化的氧化物，該裝置的特征在于固體燃料在進入氧化物還原反應(yīng)器之前是磨碎的。氧化物在第一次與燃料接觸時被還原，燃料與氧化物釋放的氧氣反應(yīng)，隨后氧化物與空氣接觸而被氧化，空氣再生氧化物。小尺寸的固體氧化物顆粒使得燃燒更完全和更快并產(chǎn)生幾乎100％的飛灰。
根據(jù)另一個特征，該裝置在單獨的回路中從還原反應(yīng)器中釋放濃縮的CO2和從氧化反應(yīng)器中釋放燃氣。燃燒的發(fā)生伴隨產(chǎn)生的CO2流的分離并且不需要空氣分離。
根據(jù)一個特定的特征，燃料是煤。煤包含易揮發(fā)的材料、水分、灰和固定碳。
根據(jù)另一個特征，煤在磨碎后的平均顆粒直徑小于500μ。煤在被引入用于在高溫(700℃到1150℃)下還原氧化物的反應(yīng)器之后被分成碎塊。這種煤的顆粒尺寸范圍避免了要被提取的粗灰在還原反應(yīng)器底部的積累，并且產(chǎn)生幾乎是100％的飛灰。煤中易揮發(fā)的材料在煤被加熱后非?？斓蒯尫牛⑴c氧化物放出的氧氣反應(yīng)從而產(chǎn)生部分燃燒，隨后固定碳繼續(xù)燃燒。
根據(jù)另一個特征，還原反應(yīng)器具有一個由蒸汽流化的循環(huán)流化床。固體燃料具有低的燃燒動力學，因此有必要使用一種循環(huán)流化床作為還原反應(yīng)器以獲得經(jīng)由反應(yīng)器內(nèi)的固體內(nèi)部重復(fù)循環(huán)和經(jīng)由第一個旋流器的外部重復(fù)循環(huán)的較長處理時間的優(yōu)勢。
根據(jù)一個補充特征，床由CO2流化。除蒸汽之外，床由蒸汽和重復(fù)循環(huán)的CO2混合物流化。
根據(jù)一個特定的特征，從第一個旋流器提取的氧化物和含碳殘渣混合物通過去除裝置清洗含碳殘渣。由氧化物和含碳殘渣構(gòu)成的固體床在還原反應(yīng)器的底部被再次循環(huán)，床的一部分在循環(huán)床的虹吸管的底部被提取然后在一個專門用來去除含碳殘渣的裝置中清洗或清除。含碳殘渣已經(jīng)從中去除的氧化物被傳輸?shù)窖趸磻?yīng)器利用高溫用空氣進行氧化。如果固體床被直接傳輸?shù)窖趸磻?yīng)器，含碳殘渣的燃燒將產(chǎn)生CO2，而且這將減少CO2的總體捕獲，使反應(yīng)器中的熱交換不平衡，并導(dǎo)致氧化反應(yīng)器的熱交換器的過載。耗盡氧氣的空氣在交換器中冷卻并隨后在排放到大氣之前去除塵土。
根據(jù)一個特定的特征，用于去除含碳殘渣的裝置僅由蒸汽流化。蒸汽在CO2冷卻系統(tǒng)中被凝結(jié)。在這個裝置中，通過利用氧化物和含碳殘渣之間的顆粒尺寸和密度的差異，流化將氧化物從含碳殘渣中分離出來。氧化物的顆粒尺寸范圍從50μ到500μ，密度從2000kg/m3到7000kg/m3，而含碳殘渣的顆粒尺寸范圍從5μ到50μ，密度從500kg/m3到1500kg/m3。
根據(jù)一個特定的特征，含碳殘渣被蒸汽帶走并供給到氧化物還原第一反應(yīng)器。由于流化，最細的和最輕的顆粒，也就是那些含碳殘渣，被流化蒸汽帶走并供給到還原反應(yīng)器。在氣化煤的過程中，蒸汽還有其他優(yōu)點，這在本領(lǐng)域是公知的，即把供給到還原反應(yīng)器的含碳殘渣轉(zhuǎn)化為CO。因此，流化蒸汽作為一種分離介質(zhì)、傳輸介質(zhì)和含碳殘渣的轉(zhuǎn)化器。
根據(jù)一個特定的特征，熱交換器被安置在氧化反應(yīng)器虹吸管底部出口之下的外床上。床的一部分被再次循環(huán)到氧化反應(yīng)器的底部并到達流化床交換器，通過控制用于再次循環(huán)固體的進料閥的打開從而控制部分荷載的操作溫度，這就因此在進入交換器之后冷卻了所述固體。
根據(jù)一個特定的特征，氧化物和飛灰分離器被放置在用于富含CO2的廢氣的熱交換器之后。在旋流器下游，來自還原反應(yīng)器的燃氣(CO2、H2O、SO2)和飛灰在熱交換器中冷卻之后通過灰塵提取器分離。通過顆粒之間的互相摩擦(磨損)和降級產(chǎn)生的細氧化物顆粒從飛灰中分離并被供給到氧化反應(yīng)器。
根據(jù)另一個特征，氧化劑是金屬氧化物。金屬氧化物可以是基于鐵、鎳、礬土或它們的混合物。
根據(jù)另一個特征，金屬氧化物是基于鐵的?；阼F的金屬氧化物是優(yōu)選地，因為這是成本最小的金屬氧化物。氧化劑可以采用FeO、Fe2O3或Fe3O4的形式。


在閱讀下述描述后，本發(fā)明將會被更好地理解，這些描述僅作為實例給出并涉及附圖，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種燃燒裝置的總圖，和圖2是一種含碳殘渣分離器的詳圖。
具體實施例方式
裝置1包括一個氧化物還原反應(yīng)器2，一個氧化物氧化反應(yīng)器3，兩個旋流器4、5，每個旋流器都專供一個反應(yīng)器使用，和兩個背籠6和7，包含著用于廢氣的交換器66和用于空氣的交換器67，每個都專供其中一個反應(yīng)器使用。
還原反應(yīng)器2通過粉煤貯倉8供給燃料。煤是預(yù)先粗略磨碎的。
反應(yīng)器2通過蒸汽和反復(fù)利用的CO2混合物被流化。當裝置被開動時，床僅被蒸汽流化。
當在反應(yīng)器2中還原后，包含CO2、SO2和蒸汽的氧化物進入旋流器5，在其中固體氧化物顆粒從飛灰、燃氣中分離出來。
然后飛灰和燃氣進入熱交換器6。飛灰通過袋式過濾器62從燃氣中分離。然后CO2、H2O和SO2的混合物經(jīng)由一個抽氣通風扇63供給到冷卻冷凝回路64。該回路64從CO2中提取出水和殘余的H2SO4，其中一些CO2隨后進入反應(yīng)器2。
顆粒直徑小于50μm且密度大約為800kg/m3的飛灰在分離器60中從這些氧化物中分離并存儲在一個灰燼貯倉61中，它們的顆粒尺寸范圍從50μm到500μm，密度從2000kg/m3到7000kg/m3，同時氧化物進入貯倉9。分離是通過以下方式實現(xiàn)的，在流化床反應(yīng)器60中用低溫空氣流化，其中所選的流化速度使飛灰流化并經(jīng)由一個氣動傳輸裝置將它傳輸?shù)劫A倉61，并且氧化物沉淀出來在流化床反應(yīng)器60的基底上被分離出來供給到貯倉9。
旋流器5中留下的包含氧化物和含碳殘渣的固體進入虹吸管50，第一部分通過它被供給到反應(yīng)器2，第二部分被供給到用來去除含碳殘渣的裝置51。虹吸管50由蒸汽52流化。
去除裝置51由蒸汽52流化，它可分離出細和輕的顆粒，例如供給到反應(yīng)器2的含碳殘渣，更重更大的氧化物顆粒被供給到反應(yīng)器3進行氧化。如圖2所示，裝置51包括一個內(nèi)部導(dǎo)流板510，由于兩個隔間511和512之間的流化固體515的深度，它在壓力密閉的流化固體的通道上限定了兩個隔間511和512。每個隔間511和512的流化通過兩個蒸汽入口513和514獨立控制，以獲得所需的速度范圍從而在第一個隔間511中分離氧化物和含碳殘渣并將氧化物傳輸?shù)降诙€隔間512。第一個隔間511頂部的排氣口將含碳殘渣通過蒸汽傳輸?shù)椒磻?yīng)器2。
氧化反應(yīng)器3裝備有一個啟動系統(tǒng)30，它被饋送燃料例如汽油、來自氧化物貯倉9的氧化物和通過風扇32和33導(dǎo)入的流化和氧化氣體。系統(tǒng)30將所有反應(yīng)器和固體循環(huán)回路加熱到700℃以上的溫度閾并啟動全部的反應(yīng)。加熱的固體氧化物顆粒起反應(yīng)并加熱還原反應(yīng)器2。
流化床由反應(yīng)器3內(nèi)的氧化物環(huán)流構(gòu)成，反應(yīng)器由外部的空氣流化。在反應(yīng)器3中氧化之后，氧化物和用盡的空氣進入旋流器4，在其中固體氧化物顆粒從主要由N2和O2構(gòu)成的氣體中分離出來。
在反應(yīng)器3中被加熱的空氣通過交換器7冷卻。帶來的氧化物通過一個袋式過濾器70從空氣中分離并供給到貯倉9。抽氣通風扇71隨后經(jīng)由煙道72將空氣排放到大氣中。
從旋流器4底部提取的固體氧化物顆粒進入虹吸管40，通過它第一部分被傳輸?shù)椒磻?yīng)器2的底部，第二部分被重復(fù)循環(huán)到反應(yīng)器3的底部，第三部分被直接帶到外床41，那里是一個由加壓空氣43流化的熱交換器42，最后供給到反應(yīng)器3。交換器42控制反應(yīng)器3底部的溫度，特別是在部分荷載的情況下。虹吸管40由壓縮空氣流化，壓縮空氣也供給到外床41。
反應(yīng)器3中的氧化物可以經(jīng)由貯倉9注滿，用盡的氧化物回收在一個氧化物回收貯倉31中。注滿氧化物也被證明可以補償反應(yīng)器2和3中磨損引起的損失，以及為材料傳輸和固體循環(huán)提供充足的氧化物。
回收貯倉34安置在反應(yīng)器2之下用來周期性的提取粗灰顆粒和結(jié)塊。
接下來描述各個反應(yīng)的完整循環(huán)。
磨碎的燃料被注入反應(yīng)器2，它包含一個高溫(700℃到1150℃)氧化物循環(huán)床。在使用煤的情況下，平均顆粒直徑小于500μ。燃料引入到所述的反應(yīng)器2之后被分成碎塊。燃料的顆粒尺寸范圍避免了粗灰在反應(yīng)器2底部的積累，需要提取的和產(chǎn)生的幾乎100％是飛灰。因此，灰不會積累在通過旋流器5收集的更粗的氧化物的循環(huán)床中。
因為煤是一種具有低燃燒動力學的固體燃料，易揮發(fā)的材料成分占20％-60％，所以有必要使用一種循環(huán)流化床還原反應(yīng)器，以在反應(yīng)器2中實現(xiàn)通過反應(yīng)器內(nèi)的固體內(nèi)部重復(fù)循環(huán)和經(jīng)由旋流器5的外部重復(fù)循環(huán)延長處理時間。
易揮發(fā)的材料在接下來的燃料加熱以及與氧化物放出的氧氣的反應(yīng)中非?？斓蒯尫?，從而實現(xiàn)部分燃燒，固定碳的燃燒繼續(xù)下去。
氧化物床的一部分從虹吸管50的底部提取以清洗沒有轉(zhuǎn)化成飛灰的含碳殘渣，隨后被供給到反應(yīng)器3以被空氣中的氧氣氧化。用盡氧氣的空氣在交換器7中冷卻，在它被排放到大氣之前通過一個袋式過濾器70提取其中的灰塵。
含碳殘渣不能被傳輸?shù)椒磻?yīng)器3，因為這會產(chǎn)生CO2的放熱產(chǎn)物，它隨后會被排放到大氣中，并將因而減少整個CO2捕獲且增加用于氧化反應(yīng)器3的溫度控制交換器的尺寸。
進入反應(yīng)器3之后再生的氧化物被部分供給到反應(yīng)器2以開始從反應(yīng)器3到反應(yīng)器2氧氣傳輸?shù)囊粋€新循環(huán)。供給到反應(yīng)器2的氧化物量通過一個固體流量控制閥(未示出)控制。
氧化物床的其他部分被供給到反應(yīng)器3的底部并到達流化床交換器41，通過控制固體進料閥(未示出)的打開來控制部分荷載的操作溫度。
燃燒系統(tǒng)包括用來代替用盡顆粒和在循環(huán)中損失顆粒的氧化物注滿裝置和用來更新氧化物的提取裝置。
由于用盡的高溫空氣的無腐蝕性特點，熱交換器7可以優(yōu)選地與超臨界蒸汽循環(huán)(＞600℃)共同運作。交換器66可以與超臨界蒸汽的低溫加熱共同運作。
該裝置也可以是受壓的。
權(quán)利要求
1.一種用于在大氣壓力下操作的燃燒含碳固體材料的燃燒裝置(1)，該裝置包括一個還原反應(yīng)器(2)，第一個旋流器(5)，一個交換器(6)，一個氧化反應(yīng)器(3)，第二個旋流器(4)，和第二個交換器(7)，在其中循環(huán)被還原然后在兩個反應(yīng)器(2，3)的每個中氧化的氧化物，該裝置的特征在于含碳固體燃料在進入還原反應(yīng)器(2)之前是磨碎的。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒裝置(1)，其特征在于，該裝置在單獨的回路中從反應(yīng)器(2)中釋放濃縮的CO2和從反應(yīng)器(3)中釋放燃氣。
3.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，燃料是煤。
4.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的燃燒裝置(1)，其特征在于，煤在磨碎后的平均顆粒直徑小于500μ。
5.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，還原反應(yīng)器(2)具有一個由蒸汽流化的循環(huán)流化床。
6.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的燃燒裝置(1)，其特征在于，床由重復(fù)利用的CO2流化。
7.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，從第一個旋流器(5)提取的氧化物和含碳殘渣混合物通過專用的去除裝置(51)來清除含碳殘渣。
8.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的燃燒裝置(1)，其特征在于，去除裝置(51)由蒸汽流化。
9.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的燃燒裝置(1)，其特征在于，含碳殘渣被蒸汽帶走并供給到反應(yīng)器(2)。
10.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，流化床熱交換器被安置在氧化反應(yīng)器(3)的外床(41)。
11.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，氧化物和飛灰分離器(60)被放置在交換器(6)之后。
12.一種根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的燃燒裝置(1)，其特征在于，氧化劑是金屬氧化物。
13.一種根據(jù)前述權(quán)利要求的燃燒裝置(1)，其特征在于，金屬氧化物是基于鐵的。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種含碳固體的燃燒裝置(1)，包含一個氧化物還原反應(yīng)器(2)，第一個旋流器(5)，一個回收裝置(6)，一個氧化反應(yīng)器(3)，第二個旋流器(4)，在其中流動被還原然后在兩個反應(yīng)器(2，3)的每個中氧化的氧化物。本發(fā)明特征在于燃料在被引入還原反應(yīng)器(3)之前被磨碎。還原的固體燃料顆粒尺寸使得燃燒更完全更快，并且使得幾乎100％的產(chǎn)物是飛灰，它可以從循環(huán)的氧化物中被分離。
文檔編號F23G5/30GK1754065SQ200480005454
公開日2006年3月29日 申請日期2004年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者科琳·比爾, 讓-澤維爾·莫林 申請人:阿爾斯托姆(瑞士)有限公司