專利名稱：一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源清潔能源和高效利用領(lǐng)域，涉及一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，適用于天然氣(主要成分為甲烷)，煤氣化合成氣(主要成分為％和CO混合氣)等氣體燃料，煤、生物質(zhì)、石油焦、污泥等固體燃料和各種氧載體的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。
背景技術(shù)：
化學(xué)鏈燃燒(chemical looping combustion,簡(jiǎn)稱CLC)具有CO2高效低能耗回收、化學(xué)能梯級(jí)利用、抑制NOx生成和近零排放等優(yōu)點(diǎn)，是解決能源高效利用與環(huán)境友好的重要技術(shù)之一。CLC系統(tǒng)由空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器組成，通過(guò)循環(huán)利用的氧載體(一般為過(guò)渡金屬氧化物)，在燃料反應(yīng)器中釋放活性晶格氧和在空氣反應(yīng)器中恢復(fù)活性晶格氧，將傳統(tǒng) 的燃料與空氣直接接觸反應(yīng)的劇烈燃燒反應(yīng)分解為兩個(gè)相對(duì)較溫和的氧化還原過(guò)程?？杀苊馊剂涎趸a(chǎn)生CO2與其他難分離組分(如空氣燃燒中的N2)混合，燃燒反應(yīng)器出口尾氣僅含有CO2和水蒸氣，水蒸氣只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凝即可分離高純度CO2，從而實(shí)現(xiàn)高效低能耗內(nèi)分離CO2和能量的梯級(jí)利用，提高能源轉(zhuǎn)化效率。由于反應(yīng)溫度較低，通常在1000°C左右，并且燃料反應(yīng)器中氣氛不含N2，所以不會(huì)有快速型和熱力型NOx生成。

發(fā)明內(nèi)容
本文的發(fā)明目的在于提供一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，該裝置可以保證燃料(特別是固體燃料如煤粉)燃燒充分和高濃度CO2富集，提高能量循環(huán)利用效率。本發(fā)明提供的一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，其特征在于，該裝置包括串聯(lián)的第一、第二流化床，第一流化床包括空氣反應(yīng)器，第一旋風(fēng)分離器，第一流動(dòng)密封閥，第一立管，以及第一、第二返料斜管；第二流化床包括燃燒反應(yīng)器，第二、第三旋風(fēng)分離器，第二流動(dòng)密封閥，第二立管，以及第三、第四返料斜管；空氣反應(yīng)器下端為湍動(dòng)床或者鼓泡床，作為擴(kuò)大段，空氣反應(yīng)器上端為快速床；第一旋風(fēng)分離器的入口端與空氣反應(yīng)器上端的出口連接，旋風(fēng)分離器的物料出口端與第一流動(dòng)密封閥的進(jìn)料室入口通過(guò)第一立管相連，第一返料斜管的一端與燃燒反應(yīng)器下端相連，另一端與第一流動(dòng)密封閥的第一返料室出口連接；燃燒反應(yīng)器下端為湍動(dòng)床或者鼓泡床，同樣作為擴(kuò)大段，燃燒反應(yīng)器上端為快速床；第二旋風(fēng)分離器的入口端與燃燒反應(yīng)器上端的出口連接，第二旋風(fēng)分離器的物料出口端與第二流動(dòng)密封閥的進(jìn)料室入口通過(guò)第二立管相連，第三返料斜管的一端與空氣反應(yīng)器下端相連，另一端與第二流動(dòng)密封閥的第一返料室出口連接；第一流動(dòng)密封閥的第二返料室出口與空氣反應(yīng)器下端連接，第二流動(dòng)密封閥的第二返料室出口與燃燒反應(yīng)器下端連接；第一旋風(fēng)分離器的氣體出口與第一換熱器相連；第二旋風(fēng)分離器的氣體出口通過(guò)管路與第三旋風(fēng)分離器的入口連接。本發(fā)明中空氣反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器中的擴(kuò)大段為湍動(dòng)流化床或者鼓泡床，流化介質(zhì)分別為空氣和水蒸氣(或者水蒸氣和煙氣的混合氣)，操作溫度為常溫 100(TC，操作壓力為常壓。本發(fā)明中兩個(gè)反應(yīng)器均采用雙流化床(即湍動(dòng)流化床和快速床)的組合形式。這種結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)化率更高，CO2分離更純，熱量傳遞利用效率更高。這種結(jié)構(gòu)既保證了氧載體的停留時(shí)間使其充分反應(yīng)，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程，也保證了循環(huán)流化床中氧載體的顆粒循環(huán)速率；操作簡(jiǎn)單并可控調(diào)節(jié)范圍廣，控制反應(yīng)器和流動(dòng)密封閥的流化氣速即可控制氧載體的循環(huán)流量，使得有充足的氧載體與煤粉的氣化產(chǎn)物反應(yīng)，保證煤粉燃燒充分和高濃度CO2(用于煤直接化學(xué)鏈燃燒時(shí))；尾部煙氣的能量回收，用于水蒸氣的產(chǎn)生，提高能量循環(huán)利用效率。由于將通常燃料與空氣的一步氧化還原過(guò)程分為相對(duì)溫和的氧化和還原兩個(gè)過(guò)程，提高能源利用效率。


圖I為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。本發(fā)明一種具有高效低能耗捕集再利用CO2的煤直接化學(xué)鏈燃燒裝置，主體采用雙循環(huán)流化床串聯(lián)配置，通過(guò)兩個(gè)反應(yīng)器和雙向流動(dòng)密封閥控制氧載體的循環(huán)速率。如圖I所示，本發(fā)明裝置包括串聯(lián)的第一、第二流化床，第一流化床包括空氣反應(yīng)器I和2,第一旋風(fēng)分離器3,第一流動(dòng)密封閥6,第一立管4,以及第一、第二返料斜管7,5。第二流化床包括燃燒反應(yīng)器11和12，第二、第三旋風(fēng)分離器15，16，第二流動(dòng)密封閥9，第二立管13，以及第三、第四返料斜管8，10空氣反應(yīng)器下端I為湍動(dòng)床或者鼓泡床，作為擴(kuò)大段，空氣反應(yīng)器上端2為快速床，作為提升管。第一旋風(fēng)分離器3的入口端與空氣反應(yīng)器上端2的出口連接，旋風(fēng)分離器3的物料出口端與第一流動(dòng)密封閥6的進(jìn)料室入口通過(guò)第一立管4相連，第一返料斜管7的一端與燃燒反應(yīng)器下端11相連，另一端與流動(dòng)密封閥6的第一返料室出口連接。燃燒反應(yīng)器下端11也為湍動(dòng)床或者鼓泡床，同樣作為擴(kuò)大段，燃燒反應(yīng)器上端12為快速床，同樣作為提升管。第二旋風(fēng)分離器15的入口端與燃燒反應(yīng)器上端12的出口連接，第二旋風(fēng)分離器15的物料出口端與第二流動(dòng)密封閥9的進(jìn)料室入口通過(guò)第二立管13相連，第三返料斜管8的一端與空氣反應(yīng)器下端I相連，另一端與第二流動(dòng)密封閥9的第一返料室出口連接。第一流動(dòng)密封閥6的第二返料室出口與空氣反應(yīng)器下端I通過(guò)第二返料管5連接，第二流動(dòng)密封閥9的第二返料室出口與燃燒反應(yīng)器下端11通過(guò)第四返料管10連接。第一旋風(fēng)分離器3的氣體出口與第一換熱器17相連。第二旋風(fēng)分離器15的氣體出口通過(guò)管路與第三旋風(fēng)分離器16的入口連接，第三旋風(fēng)分離器16的物料出口安裝有收灰裝置14 (如灰斗)，第三旋風(fēng)分離器16的氣體出口分為二路，其中一路通過(guò)循環(huán)煙氣管路21與燃燒反應(yīng)器的進(jìn)氣室連接，循環(huán)煙氣管路21上安裝有第一高溫截止閥18和煙氣流量計(jì)22。第三旋風(fēng)分離器16的氣體出口的另一路通過(guò)管路及第二高溫截止閥19與第二換熱器20連接。工作時(shí)，氧載體在空氣反應(yīng)器中進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成高氧勢(shì)氧載體?？刂品磻?yīng)器的操作氣速，反應(yīng)器下端可以為鼓泡床或者湍動(dòng)床，以強(qiáng)化氧載體與空氣的氧化反應(yīng)和氧載體的停留時(shí)間。通過(guò)旋風(fēng)分離器3，氧載體分離后靠重力進(jìn)入立管4流入流動(dòng)密封閥6，氧載體經(jīng)流動(dòng)密封閥6分為二路，一路通過(guò)返料斜管7進(jìn)入燃燒反應(yīng)器與煤粉反應(yīng)，另一路通過(guò)返料斜管5進(jìn)入空氣反應(yīng)器與空氣反應(yīng)，進(jìn)一步氧化。在燃燒反應(yīng)器中，采用水蒸氣或者水蒸氣和循環(huán)煙氣的混合物進(jìn)行流化，同時(shí)水蒸氣還可以將煤粉氣化。高氧勢(shì)氧載體與煤粉的氣化產(chǎn)物進(jìn)行還原反應(yīng)，生成低氧勢(shì)氧載體。低氧勢(shì)氧載體和煤灰先進(jìn)入第二級(jí)旋風(fēng)分離器15進(jìn)行分離，密度較大的低氧勢(shì)氧載體在第二旋風(fēng)分離器15分離出來(lái)，密度較小的煤灰經(jīng)第二級(jí)旋風(fēng)分離器15的氣體出口進(jìn)入第三旋風(fēng)分離器16，進(jìn)行再分離。低氧勢(shì)氧載體通過(guò)立管13進(jìn)入流動(dòng)密封閥9，經(jīng)流動(dòng)密封閥9分為二路，其中一路進(jìn)入返料斜管8返回空氣反應(yīng)器I再次進(jìn)行氧化反應(yīng)，另一路進(jìn)入返料斜管10返回燃燒反應(yīng)器11再次進(jìn)行還原反應(yīng)。如此循環(huán)完成煤粉燃燒過(guò)程并通過(guò)兩個(gè)雙向流動(dòng)密封閥調(diào)節(jié) 反應(yīng)器間的床料平衡，顆粒停留時(shí)間，氧載體的氧化還原程度。在燃燒反應(yīng)器的第三旋風(fēng)分離器16氣體出口主要包含CO2和水蒸氣。通過(guò)選擇第一、第二高溫截止閥18、19的開合，燃燒反應(yīng)器尾氣有二種方式進(jìn)行處理。其中一種辦法是通過(guò)高溫截止閥18和煙氣流量計(jì)22再次進(jìn)入燃燒反應(yīng)器11作為流化氣并且將其中未燃盡的煤氣化氣體再次補(bǔ)燃，提高能量利用；另一種辦法是通過(guò)燃料反應(yīng)器換熱器20冷凝水蒸氣，獲得高濃度CO2，用于資源化利用和地質(zhì)封存等，其中燃燒反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器高溫?zé)煔獾哪芰靠梢杂糜诋a(chǎn)生水蒸氣。如果尾氣中未燃盡的可燃?xì)怏w較少，可直接進(jìn)行冷凝得到高純CO2,不必通過(guò)循環(huán)煙氣管路21返回燃燒反應(yīng)器11進(jìn)行補(bǔ)燃。雙向流動(dòng)密封閥還可以擴(kuò)充為具有三個(gè)或者四個(gè)返料室的流動(dòng)密封閥。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，其特征在于，該裝置包括串聯(lián)的第一、第二流化床，第一流化床包括空氣反應(yīng)器，第一旋風(fēng)分離器，第一流動(dòng)密封閥，第一立管，以及第一、第二返料斜管；第二流化床包括燃燒反應(yīng)器，第二、第三旋風(fēng)分離器，第二流動(dòng)密封閥，第二立管，以及第三、第四返料斜管； 空氣反應(yīng)器下端為湍動(dòng)床或者鼓泡床，作為擴(kuò)大段，空氣反應(yīng)器上端為快速床；第一旋風(fēng)分離器的入口端與空氣反應(yīng)器上端的出口連接，旋風(fēng)分離器的物料出口端與第一流動(dòng)密封閥的進(jìn)料室入口通過(guò)第一立管相連，第一返料斜管的一端與燃燒反應(yīng)器下端相連，另一端與第一流動(dòng)密封閥的第一返料室出口連接； 燃燒反應(yīng)器下端為湍動(dòng)床或者鼓泡床，同樣作為擴(kuò)大段，燃燒反應(yīng)器上端為快速床；第二旋風(fēng)分離器的入口端與燃燒反應(yīng)器上端的出口連接，第二旋風(fēng)分離器的物料出口端與第二流動(dòng)密封閥的進(jìn)料室入口通過(guò)第二立管相連，第三返料斜管的一端與空氣反應(yīng)器下端相連，另一端與第二流動(dòng)密封閥的第一返料室出口連接； 第一流動(dòng)密封閥的第二返料室出口與空氣反應(yīng)器下端連接，第二流動(dòng)密封閥的第二返料室出口與燃燒反應(yīng)器下端連接； 第一旋風(fēng)分離器的氣體出口與第一換熱器相連；第二旋風(fēng)分離器的氣體出口通過(guò)管路與第三旋風(fēng)分離器的入口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，其特征在于，第三旋風(fēng)分離器的氣體出口分為二路，其中一路通過(guò)循環(huán)煙氣管路與燃燒反應(yīng)器的進(jìn)氣室連接，循環(huán)煙氣管路上安裝有第一高溫截止閥和煙氣流量計(jì)；第三旋風(fēng)分離器的氣體出口的另一路通過(guò)管路及第二高溫截止閥與第二換熱器連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于清潔能源和高效利用領(lǐng)域，公開一種可變循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒裝置，包括雙循環(huán)流化床(空氣反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器)、提升管、旋風(fēng)分離器、立管、雙向流動(dòng)密封閥?？諝夥磻?yīng)器，包括湍動(dòng)流化床或者鼓泡流化床加提升管，出口與旋風(fēng)分離器相連，旋風(fēng)分離器物料出口端設(shè)有立管并與雙向流動(dòng)密封閥相連，雙向流動(dòng)密封閥通過(guò)返料斜管與燃燒反應(yīng)器、空氣反應(yīng)器相連。燃燒反應(yīng)器與空氣反應(yīng)器有相同配置結(jié)構(gòu)。本裝置用于氣體和固體燃料的直接化學(xué)鏈燃燒，例如天然氣、煤氣化合成氣、煤粉、生物質(zhì)、石油焦、污泥等，通過(guò)兩個(gè)雙向流動(dòng)密封閥平衡空氣反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器內(nèi)床料量，提高氧載體在空氣反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器中停留時(shí)間，提高煤粉燃燒效率，尾氣清潔易于CO2捕集利用并且尾氣能量回收。
文檔編號(hào)F23C10/18GK102966943SQ20121047570
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者趙海波, 馬琎晨, 鄭楚光 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)