耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置

耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置

　　技术领域

　　本发明属于能源清洁和高效利用领域，涉及一种耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置，适用于循环物料中未反应炭在碳分离器实现加速脱除从而提高系统碳捕集效率的化学链技术。

　　背景技术

　　化学链技术(Chemical Looping Technology，简称CLT)是一种利用载氧体(金属氧化物等)在氧化还原条件下晶格氧的化学键生成断裂特点，在不同反应环境中循环实现燃烧/气化过程对氧的需求。化学链系统中，载氧体在空气反应器内发生氧化反应，氧气中的氧原子间化学键断裂，氧原子与金属生成新的化学键，载氧体“载氧”，并伴随着大量热量的释放(发生放热反应)，排气含有高浓度的N2和少量的O2。携带晶格氧的载氧体在燃料反应器内发生还原反应，晶格氧的化学键断裂，氧原子与气体燃料或固体燃料挥发分析出、碳气化后的可燃气体分子(CH4、H2、CO等)生成新的化学键，吸收热量(发生吸热反应)。若改变燃料反应器内气氛随之改变，炉内发生燃烧或气化过程。燃料反应器排气中无N2，只需简单的冷凝(H2O(g)→H2O(l))而不需要消耗额外的能量可得到含碳气体(燃烧：CO2；气化：CO/CH4等)。循环物料被运输到空气反应器重新携带晶格氧，完成一次循环，整个过程释放-吸收的能量等于传统燃烧/气化的能量，却实现了能量梯级利用的原则，可以提高系统中能量的利用效率。此外，该技术可以尽量抑制NOx的生成。因此，化学链燃烧技术应用于燃料的转化过程，对CO2排放进行了收集，实现燃料的经济、高效、清洁利用具有重要意义。

　　由于燃料反应器内发生的所有化学反应中，碳的气化过程最缓慢，碳转化率相对低，未反应残炭与载氧体在反应器内混合均匀，难以分离，随循环进入空气反应器燃烧生成CO2排出，导致捕集效率降低。为实现残炭与载氧体的分离，提出了碳分离器的设计。

　　目前，碳分离器的设计理念目前主要有两种：一种是残炭颗粒停留时间延长法，即通过延长残炭与载氧体从燃料反应器到空气反应器的路径，增加残炭颗粒的停留时间，使得其充分气化，与载氧体分离，该方法一般通过在燃料反应器与空气反应器之间增设碳分离器(鼓泡床)实现，当燃料反应器反应不充分时，碳分离器需要大的体积和流动阻力来延长残炭停留时间，因此，容易导致两个反应器之间物料交换有严重的迟滞；另一种是残炭颗粒与载氧体分离法，即基于残炭颗粒和载氧体颗粒物性差异(终端速度、密度、粒径、磁性等)，将残炭颗粒从混合物中分离出来，送回燃料反应器继续反应，从而增加残炭颗粒反应率的方法，由于燃料颗粒和载氧体颗粒经过多次循环后，容易发生破碎或烧结，导致颗粒的分离物性差异变小，从而存在分离效率下降的问题。

　　发明内容

　　本发明要克服现有技术的上述缺点，提出一种耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置。

　　在本发明中，碳分离器设计采用不同于上述列出的两种碳分离器设计理念，提出耦合空气反应器热强化残炭反应法，将碳分离器采用夹套方式设计在空气反应器之外，通过空气反应器壁面传热，充分利用空气反应器放热反应的热量，强化、加快残炭的化学反应过程，达到提高化学链燃烧/气化过程中载氧体与残炭的分离，提高化学链燃烧/气化反应的碳捕集效率，提高整体能量利用率。其中，改变燃料反应器内气氛随之改变，炉内发生燃烧或气化过程。

　　本发明所采用的技术方案如下：

　　耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置包括：燃料反应器，燃料反应器旋风分离器，燃料反应器旋风分离器立管，燃料反应器返料机构，夹套碳式分离器，夹套式碳分离器旋风分离器，夹套式碳分离器旋风分离器立管，夹套式碳分离器上返料机构，夹套式碳分离器下返料机构，空气反应器，空气反应器旋风分离器，空气反应器旋风分离器立管，空气反应器返料机构，烟气/蒸汽利用装置。

　　燃料反应器出口与燃料反应器旋风分离器相连；燃料反应器旋风分离器立管与燃料反应器返料机构相连；燃料反应器返料机构与夹套式碳分离器相连；夹套式碳分离器以夹套方式布置在空气反应器外侧，其内具有物料通道和气化介质通道，两者依次紧密排列；气化介质通道和物料通道之间由隔板隔开，隔板上有供气化介质流通的孔洞，气化介质通过孔洞，与进入夹套式碳分离器的载氧体-残炭混合物反应；气化介质由烟气/蒸汽利用装置提供；夹套式碳分离器物料通道上出口与夹套式碳分离器旋风分离器相连；夹套式碳分离器旋风分离器立管与夹套式碳分离器上返料机构相连；夹套式碳分离器底部通过料管与夹套式碳分离器下返料机构连接；夹套式碳分离器下返料机构与空气反应器给料口相连；空气反应器出口与空气反应器旋风分离器相连；空气反应器旋风分离器立管与空气反应器返料机构相连；空气反应器返料机构与燃料反应器给料口相连。

　　本发明的关键在于空气反应器外夹套设计夹套式碳分离器，充分利用空气反应器中产生的热量，使夹套式碳分离器中的残炭与同步通入的气化介质发生高效反应，生成可利用气体，留下失氧载氧体，从而实现残炭与载氧体的分离，形成一种耦合夹套碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置。

　　运行时燃料反应器发生吸热反应(-ΔHF)，运行温度较低；空气反应器发生放热反应(+ΔHA)，运行温度较高，两床均处于流化状态，床温均匀。由燃料反应器出口离开的载氧体-残炭混合物通过燃料反应器旋风分离器与烟气分离，由燃料反应器返料机构送入夹套式碳分离器的物料通道。

　　空气反应器内气固反应放出的热量通过外侧壁面传递给夹套式碳分离器中的气固相；在夹套式碳分离器内相间布置物料通道和气化介质通道，物料通道与气化介质通道之间由隔板隔开，隔板上设计有气化介质孔洞，气化介质通过这些孔洞进入物料通道。载氧体-残炭混合物在物料通道中通行，被高温壁面加热，残炭与来自气化介质通道中的气化介质发生热解气化等反应过程，生成可燃气体混合物；在此过程中，残炭和气化介质混合强烈，反应接触面积大，气化反应过程强。物料通道中反应产生的可燃气体携带轻物料形成气固两相流，通过夹套式碳分离器旋风分离器后，气固分离，气相可燃气体混合物可被利用，分离下来的物料经由夹套式碳分离器旋风分离器立管、夹套式碳分离器上返料机构送至夹套式碳分离器内继续反应直至反应完全；脱除残炭的载氧体经由夹套式碳分离器底部的出口进入夹套式碳分离器下返料机构，然后被送至空气反应器给料口；在空气反应器内，载氧体与空气发生放热反应后载氧；载氧体与失去氧气的空气经过空气反应器顶部出口进入空气反应器旋风分离器后分离；载氧体进入空气反应器返料机构后被送至燃料反应器给料口，完成一个循环。

　　通过对夹套式碳分离器物料通道与气化介质通道进行设计，可以提高混合物在碳分离器内的停留时间、使气固反应相之间充分接触，同时利用空气反应器的热量加快气化反应过程。

　　物料通道形式，根据流道方向与空气反应器轴心方向的角度α，可以设计为倾斜螺旋式物料通道(0°<α<90°)与垂直下降式物料通道(α＝0°)，该设计可以增加物料在通道中的停留时间，强化气固混合程度。

　　物料通道进出口比指物料通道入口有效截面积与出口通道有效截面积之比，主要由燃料反应器中燃料性质决定。由于残炭在物料通道中与气化介质发生热解气化等反应过程，通道中的气体体积发生变化；根据燃料、运行条件不同而其变化也不同；气化介质由烟气/蒸汽利用装置提供；随着反应的进行，物料通道中的气体(残炭气化生成的可燃气体、气化介质)体积改变，因此通道进出口有效截面积比设计范围为0.1～10。

　　气化介质孔洞开孔率指气化介质通道的隔板上开孔总面积与隔板总面积之比，主要由燃料反应器中燃料性质和气化介质性质决定；设计中，孔洞的小孔直径在0.001～0.01m间选择，小孔风速设计参考值在2～100umf(umf：载氧体-残炭混合物的临界流化速度)，开孔率设计范围约为0.1％～10％。

　　在气化介质通道两侧的隔板上，根据物料流道方向与空气反应器轴心方向的角度α，气化介质孔洞的开孔位置分为两种。当0°<α<90°时，在气化介质通道的两侧隔板中，位于上方的隔板开孔，即在重力作用下物料积压的隔板；气化介质经由孔洞射入物料内，既松动物料、加快混合，又与炭充分反应。当α＝0°时，可同时在两侧隔板开孔；此时，物料垂直下落，颗粒间距大，气化介质从两侧射入颗粒之间，与物料充分接触反应。

　　气化介质孔洞开孔布置形式指气化介质孔洞在气化介质通道上的布置方式，主要由燃料性质和气化介质性质以及物料通道内两相流的状态决定；对于较难燃烧的无烟煤，孔洞设计沿物料通道均匀布置，物料停留时间长，反应充分；对于较容易燃烧的褐煤，因主要的气化反应发生在物料通道上游，孔洞设计可设计可为“上游密，下游疏”：在上游长度l*(l*/L总长＝0.3～1.0)内，小孔孔距Δl上布置密，下游小孔孔距Δl下布置疏，其中，

　　本发明的特点是基于化学链燃烧/气化反应特点，即空气反应器中发生放热反应，燃料反应器生成的残炭和失氧载氧体混合物的分离需要解决残炭问题。因此，在空气反应器外设计夹套式碳分离器，在夹套式碳分离器中通入气化介质，以此充分利用空气反应器中放热反应产生的热量，使夹套式碳分离器中的残炭与同步通入的气化介质发生高效反应，生成可利用气体，留下失氧载氧体，从而实现残炭与载氧体的分离。夹套式碳分离器中气化介质通过物料通道与气化介质通道之间的气化介质孔洞通入，扰动强度高，物料与气化介质混合程度好，化学反应强烈，残炭转化率高，形成一种耦合夹套碳分离器的并置双流化床化学链高效燃烧/气化装置系统。

　　本发明的优点是：充分利用空气反应器中放热反应产生的热量，残炭与载氧体的分离效果好，CO2捕集效率降高。

　　附图说明

　　图1是本发明的整体结构示意图。

　　图2a是本发明的夹套式碳分离器的局部剖视的结构示意图。

　　图2b是图2a的P处的局部放大图。

　　图3是本发明的夹套式碳分离器的倾斜螺旋式物料通道的示意图。

　　图4a是夹套式碳分离器的垂直下降式物料通道的示意图。

　　图4b是夹套式碳分离器的垂直下降式物料通道的在K-K方向的展开图。

　　图5是夹套式碳分离器的气化介质孔洞的设计方案示意图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

　　图中部件编号为：燃料反应器1、燃料反应器旋风分离器2、燃料反应器旋风分离器立管3、燃料反应器返料机构4、夹套式碳分离器5、夹套式碳分离器旋风分离器6、夹套式碳分离器旋风分离器立管7、夹套式碳分离器上返料机构8、夹套式碳分离器下返料机构9、空气反应器10、空气反应器旋风分离器11、空气反应器旋风分离器立管12、空气反应器返料机构13、烟气/蒸汽利用装置14、物料通道15、气化介质通道17、分隔物料通道15与气化介质通道17的隔板18，以及隔板上的气化介质孔洞16。

　　实施例1

　　如图1、图2a与图2b所示，耦合夹套式碳分离器的并置双流化床化学链燃烧/气化装置包括燃料反应器1、燃料反应器旋风分离器2、燃料反应器旋风分离器立管3、燃料反应器返料机构4、夹套式碳分离器5、夹套式碳分离器旋风分离器6、夹套式碳分离器旋风分离器立管7、夹套式碳分离器上返料机构8、夹套式碳分离器下返料机构9、空气反应器10、空气反应器旋风分离器11、空气反应器旋风分离器立管12、空气反应器返料机构13、烟气/蒸汽利用装置14、物料通道15、气化介质通道17、分隔物料通道15与气化介质通道17的隔板18，以及隔板上的气化介质孔洞16。

　　燃料反应器1的炉膛顶部出口与燃料反应器旋风分离器2相连；燃料反应器旋风分离器2与燃料反应器旋风分离器立管3相连；燃料反应器旋风分离器立管3与燃料反应器返料机构4相连；燃料反应器返料机构4与夹套式碳分离器5入口相连；夹套式碳分离器5分为物料通道15和气化介质通道17，由隔板18隔开，物料通道15与气化介质通道17依次紧密排列在空气反应器10的炉膛壁面，使10内气固相对5壁面进行传热；气化介质通道17入口与烟气/蒸汽利用装置14相连，烟气来自燃料反应器旋风分离器2的排气(主要为CO2和H2O)，蒸汽来自蒸汽发生装置；物料通道15顶部出气端与碳分离器旋风分离器6相连，出料底端与碳分离器下返料机构9相连；气化介质通道17和物料通道15之间的隔板18上开设有供烟气流通的气化介质孔洞16；夹套式碳分离器旋风分离器6与夹套式碳分离器旋风分离器立管7相连；夹套式碳分离器旋风分离器立管7与夹套式碳分离器上返料机构8；夹套式碳分离器上返料机构8与夹套式碳分离器5的物料通道15相连。

　　空气反应器10炉膛顶部出口与空气反应器旋风分离器11相连；空气反应器旋风分离器11与空气反应器旋风分离器立管12相连；空气反应器旋风分离器立管12与空气反应器返料机构13相连；空气反应器返料机构13与燃料反应器1给料口相连。

　　本发明装置运行时，燃料反应器1内发生吸热反应运行温度较低(650～900℃)，由燃料反应器1离开的载氧体-残炭混合物通过燃料反应器旋风分离器2与烟气分离，烟气/蒸汽作为气化介质送至烟气/蒸汽利用装置14，载氧体-残炭混合物料由燃料反应器旋风分离器立管3经燃料反应器返料机构4后，进入夹套式碳分离器5的物料通道15。

　　空气反应器10中的气固相在循环流化状态下运行温度较高(950～1100℃)，炉内气固相与夹套式碳分离器5壁面之间有剧烈对流、辐射换热，壁面温度可达～1000℃；在夹套式碳分离器5中，载氧体与残炭混合物进入物料通道15，被高温壁面加热，残炭发生干燥、热解、挥发分析出等反应；来自烟气/蒸汽利用装置14的气化介质进入气化介质通道17，被高温壁面加热后升温升压；两通道之间有气化介质孔洞16，供气化剂进入物料通道15。烟气均匀射入物料通道，残炭和气化剂发生气化反应生成可燃气体，与载氧体分离。

　　燃料反应器内发生的化学反应和反应热、空气反应器内的化学反应和反应热以及夹套式碳分离器内发生的化学反应和反应热如下(以载氧体Fe2O3/Fe3O4为例说明)：

　　(1)烟气为气化介质

　　燃料反应器(烟气为气化介质)

　　Volatile→CH4+CO+CO2+H2O+H2+…-ΔHF1

　　Char+1.5H2O＝0.5CO+0.5CO2+1.5H2-143.5kJ/mol

　　Char+CO2＝2CO-205.2kJ/mol

　　12Fe2O3+CH4＝8Fe3O4+CO2+2H2O+141.6kJ/mol

　　3Fe2O3+H2＝2Fe3O4+H2O-5.8kJ/mol

　　3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2-47.0kJ/mol

　　空气反应器(烟气为气化介质)

　　4Fe3O4+O2＝6Fe2O3+471.9kJ/mol

　　夹套式碳分离器(烟气为气化介质)Volatile→CH4+CO+CO2+H2O+H2+…-ΔHC1

　　Char+1.5H2O＝0.5CO+0.5CO2+1.5H2-143.5kJ/mol

　　Char+CO2＝2CO-205.2kJ/mol

　　(2)水蒸气为气化介质

　　燃料反应器(水蒸气为气化介质)

　　Volatile→CH4+CO+CO2+H2O+H2+…-ΔHF1

　　Char+1.5H2O＝0.5CO+0.5CO2+1.5H2-143.5kJ/mol

　　Char+CO2＝2CO-205.2kJ/mol

　　12Fe2O3+CH4＝8Fe3O4+CO2+2H2O+141.6kJ/mol

　　3Fe2O3+H2＝2Fe3O4+H2O-5.8kJ/mol

　　3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2-47.0kJ/mol

　　空气反应器(水蒸气为气化介质)

　　4Fe3O4+O2＝6Fe2O3+471.9kJ/mol

　　夹套式碳分离器(水蒸气为气化介质)

　　Volatile→CH4+CO+CO2+H2O+H2+…-ΔHC1

　　Char+1.5H2O＝0.5CO+0.5CO2+1.5H2-143.5kJ/mol

　　由于物料通道15与气化介质通道17的设计，提高了混合物在夹套式碳分离器内的停留时间，同时利用空气反应器10的热量加快了碳分离的化学反应过程。

　　如图2a与图2b所示，载氧体-残炭混合物从碳分离器5上方给入物料通道15，混合物依靠重力螺旋向下运动；气化剂从碳分离器5下方通入气化介质通道17，沿壁面螺旋向上运动，与固体相向流动。高温高压气化剂通过气化介质孔洞16以垂直于物料通道15的角度射入物料通道15，一方面使堆积物料能顺利沿螺旋通道向下运动，另一方面使烟气与残炭混合均匀，增大反应接触面积，强化气化反应过程。可以通过设计物料通道形式、通道进出口有效截面积比、气化介质孔洞开孔率、气化通道孔洞开孔形式、气化介质的压力和速度等，控制载氧体-残炭混合物在物料通道15的停留时间，进一步提高夹套式碳分离器5的分离效率。

　　图3是夹套式碳分离器的倾斜螺旋式物料通道的示意图。其中，夹套式碳分离器5的物料通道15的物料通道形式、通道进出口有效截面积比，取决于化学链燃烧/气化装置的具体设计。

　　根据流道15方向与空气反应器10轴心方向的角度α，夹套式碳分离器5可以设计为倾斜螺旋式物料通道15(0°<α<90°)。载氧体-残炭混合物从夹套式碳分离器5上方给入物料通道15，混合物依靠重力的作用螺旋向下运动；气化介质从夹套式碳分离器5下方通入气化介质通道17，沿壁面螺旋向上运动，与固体相向流动。在气化介质通道17的两侧隔板18中，位于上方的隔板开孔，即在重力作用下物料积压的隔板上开孔；气化介质通过气化介质孔洞16以垂直于物料通道15的角度射入载氧体-残炭混合物中，一方面使堆积物料能顺利沿螺旋通道15向下运动，另一方面使气化介质与残炭混合均匀，增大反应接触面积，强化气化反应过程。该设计可以增加物料在通道15中的停留时间，加强气固混合程度。

　　物料通道15进出口有效截面积比指物料通道入口有效截面积与出口通道有效截面积之比，主要由燃料反应器中燃料性质决定。由于残炭在物料通道15中与气化介质发生热解、气化等反应过程，通道15中的气体体积发生变化；根据燃料、运行条件不同而其变化也不同；随着反应的进行，物料通道15中的气体(残炭气化生成的可燃气体、气化介质)体积改变，因此通道15进出口有效截面积比A入/A出设计范围约为0.1～10。

　　因此，通过改变通道设计参数以及运行参数，可以控制载氧体-残炭混合物在物料通道15的停留时间和混合扰动情况，进一步提高夹套式碳分离器5的分离效率。

　　由物料通道15排气端离开的可燃气体夹带轻物料进入夹套式碳分离器旋风分离器6，在夹套式碳分离器旋风分离器6中气固分离，可燃气体被回收利用，轻物料流经夹套式碳分离器旋风分离器立管7和夹套式碳分离器上返料机构8，被送入夹套式碳分离器5直至反应完全，最后由物料通道15出料端经夹套式碳分离器下返料机构9被送入空气反应器10。

　　空气反应器旋风分离器11出口气体为高纯度N2气体；燃料反应器旋风分离器2出口的烟气为高纯度CO2和H2O(g)的混合物(当)或合成气(当)，根据载氧体和运行条件的不同而不同。通过简单的冷凝得到的高纯度CO2或合成气，经过进一步加工可被工业应用。

　　实施例2

　　图4a是夹套式碳分离器的垂直下降式物料通道的示意图,图4b是夹套式碳分离器的垂直下降式物料通道的在K-K方向的展开图。根据流道15方向与空气反应器10轴心方向的角度α，夹套式碳分离器5可以设计为垂直下降式物料通道(α＝0°)。载氧体-残炭混合物从夹套式碳分离器5上方给入物料通道15，混合物依靠重力的作用垂直向下运动，颗粒与颗粒之间间距较大；气化介质从碳分离器5下方通入气化介质通道17，与固体相向流动。气化介质通道17的两侧隔板18都开孔；气化介质通过气化介质孔洞16从两侧射入载氧体-残炭混合物中，增大反应接触面积，充分进行气化反应。该设计可以增强在通道15中的气固混合扰动程度。

　　物料通道15进出口有效截面积比指物料通道15入口有效截面积与出口通道有效截面积之比，主要由燃料反应器中燃料性质决定。由于残炭在物料通道15中与气化介质发生热解气化等反应过程，通道15中的气体体积发生变化；根据燃料、运行条件不同而其变化也不同；气化介质由烟气/蒸汽利用装置14提供；随着反应的进行，物料通道15中的气体(残炭气化生成的可燃气体、气化介质)体积改变，因此通道15进出口有效截面积比A入1/A出1与A入2/A出2设计范围约为0.1～10。

　　其中，夹套式碳分离器5的物料通道15的物料通道形式、通道进出口有效截面积比，取决于化学链燃烧/气化装置的具体设计。

　　改变通道设计参数以及运行参数，可以控制载氧体-残炭混合物在物料通道15的停留时间和混合扰动情况，进一步提高夹套式碳分离器5的分离效率。

　　实施例3

　　图5是夹套式碳分离器的气化介质孔洞的设计方案示意图。夹套式碳分离器5的物料通道15与气化介质通道17之间，隔板18上的气化介质孔洞16的设计是实现高效清洁运行的重要参数，其开孔率和开孔布置形式，取决于化学链燃烧/气化装置的具体设计。

　　气化介质孔洞16的开孔率指，气化介质通道17的隔板18上所开的气化介质孔洞16的总面积与隔板18总面积之比，主要由燃料反应器中燃料性质和气化介质性质决定；设计中，气化介质孔洞16的直径范围为0.001～0.01m，小孔风速设计参考值范围为2～100umf(umf：载氧体-残炭混合物的临界流化速度)，开孔率设计范围约为0.1％～10％。

　　气化介质孔洞16的开孔布置形式指气化介质孔洞16在隔板18上的布置方式，主要由燃料和气化介质性质以及物料通道15内两相流的状态决定；对于较难燃烧的无烟煤，气化介质孔洞16设计为沿隔板18均匀布置，物料停留时间长，反应充分；对于较容易燃烧的褐煤，因主要的气化反应发生在隔板18的上游，气化介质孔洞16设计为沿着物料流动方向设计为“上游密，下游疏”：在上游长度l*(l*/L总长＝0.3～1.0)内，小孔孔距ΔL上布置密，下游小孔孔距Δl下布置疏，其中，

　　改变气化介质孔洞设计参数以及运行参数，可以控制载氧体-残炭混合物在物料通道15的停留时间和混合扰动情况，进一步提高夹套式碳分离器5的分离效率。

　　本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。