CN101216175B - 载氧体载氧气化燃烧方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载氧体载氧气化燃烧方法以及装置，其方法为将载氧体置于空气反应器流化床内，通入流化空气，氧体与空气中的氧气反应后得到被升温的高价态金属氧化物，再使其经两级分离器分离；分离后的高温贫氧空气从分离器的上端排出，分离后的载氧体，经过返料腿，进入混合气化室；在空气反应器循环流化床内，载氧体与空气中的氧气发生栽氧反应：反应生成的载氧体，经两级分离器分离后，进入料腿，与燃料一起，进入燃料反应器流化床下部气化室，在气化室，燃料与水蒸气发生气化反应，生成合成气。同时载氧体释放出氧，与合成气或燃料发生还原反应，生成二氧化碳。

Description

载氧体载氧气化燃烧方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种利用载氧体将煤/天然焦/石油焦进行类似于水蒸气气化和纯氧燃烧的过程，实现燃烧过程中进行二氧化碳分离的方法和装置，尤其涉及一种载氧体载氧气化燃烧方法及其装置。
背景技术
能源利用的可持续发展策略之一，实现能源的高效清洁利用。煤、天然焦以及石油焦等作为能源，在燃烧过程中，减少二氧化碳的排放，实现高效清洁利用是今后发展方向。常规空气直接燃烧，除了伴有氮氧化物生成，烟气中二氧化碳脱除消耗能量大；通过煤气化再进行二氧化碳分离和燃烧的方法，也需要消耗制氧和分离二氧化碳的能量消耗。此方法如用于发电，消耗的能量可占厂用电率10％以上，严重影响能量利用效率。
发明内容
本发明提供一种能够分离得到二氧化碳的载氧体载氧气化燃烧方法及其装置，由本发明将煤/天然焦/石油焦进行能量转换的同时能有效分离二氧化碳，具有不需消耗额外的能量消耗且利于环保的优点。
本发明的方法技术方案如下：
一种载氧体载氧气化燃烧方法，将作为载氧体的低价态金属氧化物或金属单质置于空气反应器循环流化床内，从空气反应器循环流化床的下端通入流化空气，低价态金属氧化物或金属单质载氧体与空气中的氧气反应后得到被升温的高价态金属氧化物，再使其经两级分离器分离；分离后的高温贫氧空气从分离器的上端排出，分离后的载氧体，经过返料腿，进入燃料反应器循环流化床的下部混合气化室；燃料反应器循环流化床的下端通入气化介质蒸汽，在混合气化室中，由载氧体提供煤、天然焦或石油焦与水蒸气气化的热量，气化后的合成气与载氧体发生还原反应，将高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床上部提升管内充分反应，然后进入分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端排出，凝结出水后得到纯净的二氧化碳；分离后的载氧体和残碳混合固体物经载氧体循环料腿进入空气反应器循环流化床，将载氧体再生，实现载氧。
本发明的装置技术方案如下：
一种用于实施权利要求1所述载氧体方法的装置，由空气反应器循环流化床、载氧载热返料管、载氧体再生分离器、载氧体再生返料管和燃料反应器循环流化床组成，空气反应器循环流化床的上端连接有贫氧空气分离器，贫氧空气分离器下端排料口与载氧载热返料管的一端相连，载氧载热返料管的另一端与燃料反应器循环流化床的下端相连，燃料反应器循环流化床的上端与载氧体再生分离器的上端相连，载氧体再生分离器下端与载氧体再生返料管的一端相连，载氧体再生返料管的另一端与空气反应器循环流化床的下部相连。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)在空气反应器循环流化床内，载氧体(如：低价态氧化铁、镍、铜、锌等)与空气中的氧气发生载氧反应：
2Ni+O2→2NiO+放热
2FexOy+O2→2FexOy+1+放热
2Cu+O2→2CuO+放热
2Zn+O2→2ZnO+放热
反应生成的载氧体(如：高价态氧化铁、氧化镍、氧化铜、氧化锌等)，经两级分离器分离后，进入料腿，与燃料一起，进入燃料反应器循环流化床下部气化室，在气化室，燃料与水蒸气发生气化反应，生成合成气。同时载氧体(简化为MexOy)释放出氧，与合成气或燃料发生还原反应，生成二氧化碳：
H2O+C→4H2+CO+吸热
MexOy+1+CO→CO2+MexOy+吸热
MexOy+1+H2→H2O+MexOy+吸热
2MexOy+1+C→CO2+2MexOy+吸热
产生的烟气，经过两组旋风分离器，排出烟气，烟气经能量回收冷凝即为纯净的二氧化碳，分离器将分离出固体物料分为两股。其中一股固体物料经料腿进入空气反应器循环流化床，进行氧化再生反应，完成载氧再生过程；另一股进入燃料反应器循环流化床，进行气化和还原反应，提高碳的转化率。
(2)本发明采用了两组烟气分离器，可以将燃料反应器循环流化床分离器的固体物料分离分为两股，通过连接管道，将固体物料分别送入空气反应器循环流化床和燃料反应器循环流化床。空气反应器循环流化床运行温度可控制在800℃～1250℃左右，剩余热量可以通过铺设受热面或加大空气流量予以控制；燃料反应器循环流化床下部混合气化室温度控制在800℃～1200℃左右，上部提升管温度可以稍低在500℃～900℃范围内运行。
(3)本发明通过金属氧化物作为载氧体，与水蒸气、煤/天然焦/石油焦在900℃～1250℃的条件下，进行气化与燃烧，与采用纯氧燃烧方式具有相同的烟气成分(即得到只含二氧化碳和水蒸气的烟气)，但是无需制取纯氧的能量消耗(通常对于发电来说，其制氧能量消耗占厂用电10％以上)，而且没有NOx生成，能量转换过程中对外排放能得到有效的控制。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图，图中H为贫氧空气出口，I1和I2为二氧化碳水蒸气出口，B为补充载氧体入口，F为燃料入口。
图2是本发明实施例的一种利用方案。
具体实施方式
实施例1
一种载氧体载氧气化燃烧方法，将作为载氧体的低价态金属氧化物或金属单质置于空气反应器循环流化床内，作为载氧体的金属氧化物是Fe2O3、FeO、Fe3O4、CuO、Cu2O、NiO或ZnO，作为载氧体的金属单质是Fe、Cu、Zn或Ni。然后从空气反应器循环流化床的下端C通入流化空气，低价态金属氧化物或金属单质载氧体与空气中的氧气反应后得到被升温的高价态金属氧化物，再使其经两级分离器分离；分离后的高温贫氧空气从分离器的上端H排出，分离后的载氧体，经过返料腿，进入燃料反应器循环流化床的下部混合气化室；燃料反应器循环流化床的下端E通入气化介质蒸汽，在混合气化室中，由载氧体提供煤、天然焦或石油焦与水蒸气气化的热量，气化后的合成气与载氧体发生还原反应，将高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床上部提升管内充分反应，然后进入分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端I1排出，凝结出水后得到纯净的二氧化碳；分离后的载氧体和残碳混合固体物经载氧体循环料腿4进入空气反应器循环流化床，将载氧体再生，实现载氧。
高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床上部提升管内充分反应之后，部分进入另一分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端I2排出，经该分离器分离后的载氧体和残碳混合固体物经过残碳循环料腿5-4，再返回进入燃料反应器循环流化床下部的气化反应室，提高碳燃烬率。
下面进行进一步的详细说明：将作为载氧体的低价态金属氧化物或金属单质置于空气反应器循环流化床内，从空气反应器循环流化床的下部通入流化空气，空气反应器循环流化床运行温度可控制在800℃～1250℃左右，此时，低价态金属氧化物或金属单质载氧体与空气中的氧气反应后得到高价态金属氧化物，再使经两级分离器，分离后的高温洁净欠氧空气可以做功发电或余热利用；分离后的载氧体，经过返料腿，进入燃料反应器循环流化床的下部混合气化室，高温载氧体提供煤/天然焦/石油焦与水蒸气气化的热量，混合气化室温度控制在800℃～1200℃左右；此时，煤/天然焦/石油焦与水蒸气发生气化反应，气化后的合成气与载氧体可在气化室发生还原反应，将高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床提升管内充分反应，提升管温度可以稍低在500℃～900℃范围内运行；此后，烟气进入两组两级分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气，经做功发电或余热利用，凝结出水后得到纯净的二氧化碳；其中一组分离后的载氧体(含有未反应完的残碳)经过料腿，再返回进入燃料反应器循环流化床下部的气化反应室，提高碳燃烬率；另一组分离后的载氧体经料腿进入空气反应器循环流化床，将载氧体再生，实现载氧。燃料反应器循环流化床内反应生成物低价态金属氧化物或金属单质，通过两组燃料反应器循环流化床分离器，将低价态金属氧化物或金属单质载氧体分为两股，其中一股还原态载氧体(含有未反应完的残碳)经料腿返回进入燃料反应器循环流化床下部气化室，进一步提高碳的转化率，提高燃烬率；另一股还原态载氧体(含有未反应完的残碳)经料腿进入空气反应器循环流化床，将还原态载氧体氧化为氧化态载氧体，并提高温度，经过空气反应器循环流化床分离器，再作为载氧载热体进入到燃料反应器循环流化床下部的气化室。
实施例2
一种用于实施所述载氧体载氧气化燃烧方法的装置，由空气反应器循环流化床1、载氧载热返料管2、载氧体再生分离器3、载氧体再生返料管4和燃料反应器循环流化床5组成，空气反应器循环流化床1的上端连接有一级贫氧空气分离器1-1，一级贫氧空气分离器1-1下端排料口与载氧载热返料管2的一端相连，载氧载热返料管2的另一端与燃料反应器循环流化床5的下端相连，燃料反应器循环流化床5的上端与载氧体再生分离器3的上端相连，载氧体再生分离器3下端与载氧体再生返料管4的一端相连，载氧体再生返料管4的另一端与空气反应器循环流化床1的下部相连。在空气反应器循环流化床1的下端设有载氧体补充口B。燃料反应器循环流化床5由提升管、混合气化反应室5-3和过渡段5-2组成，提升管通过过渡段5-2与混合气化反应室5-3连接。一级贫氧空气分离器1-1的上部出口连通有二级贫氧空气分离器1-2，二级贫氧空气分离器1-2上端设贫氧空气出口H，一级贫氧空气分离器1-1下端连接有载氧体返料腿1-3，二级贫氧空气分离器1-2的下部和载氧体返料腿1-3相通，载氧体返料腿1-3的下端连接有移动床1-4，移动床1-4下端设有流化风进口A，移动床1-4下部设有物料出口且将该物料出口作为一级贫氧空气分离器1-1的下端排料口使用。在燃料反应器循环流化床5的上端还连接有残碳分离器，该残碳分离器由一级烟气残碳分离器5-1和二级烟气残碳分离器5-5组成，一级烟气残碳分离器5-1下端连接有残碳返料腿5-6，残碳返料腿5-6和二级烟气残碳分离器5-5出口相通，残碳返料腿5-6下端与移动床5-7相连，移动床5-7下端设有流化风进口G，移动床5-7下部设有物料出口，通过循环返料管5-4与燃料反应器循环流化床5的下部连通。载氧体再生分离器3由一级烟气载氧体再生分离器3-1和二级烟气载氧体再生分离器3-2组成，一级烟气载氧体再生分离器3-1和二级烟气载氧体再生分离器3-2出口相通，一级烟气载氧体再生分离器3-1的出口连接有载氧体再生返料腿，载氧体再生返料腿的下端连接有移动床3-3，移动床3-3下端设有流化风进口D，移动床3-3下部设有物料出口且该物料出口与载氧体再生返料管4的一端相连。
实施例3
一种利用本发明实现在煤/天然焦/石油焦燃烧过程中进行二氧化碳分离的方法，即：用煤/天然焦/石油焦进行洁净发电，同时实现二氧化碳的分离。参照图2，空气经过压气机8压缩后，变为高压空气，进入实施例1的空气反应器循环流化床，经过与还原态载氧体反应，得到高温高压贫氧空气经空气反应器载氧体分离器分离，高压贫氧空气进入透平7膨胀做功，带动发电机6发电，透平7排气再进入余热回收发电***9产生电力或蒸汽。经空气反应器载氧体分离器分离的载氧体进入燃料反应器循环流化床，与余热回收发电***9或12产生的蒸汽E以及煤/天然焦/石油焦F气化和燃烧，生成高温烟气，高温烟气要求经过两组燃料反应器分离器分离，烟气经过透平10膨胀做功，带动发电机11发电，透平10排气再进入余热回收发电***12产生电力或蒸汽，余热回收发电***12尾气K经过冷凝即为纯净的二氧化碳。经燃料反应器分离器分离的载氧体分为两股，一股返回燃料反应器循环流化床，参与气化和燃烧反应，另一股进入空气反应器循环流化床实现载氧体的载氧。

Claims (7)

1.一种载氧体载氧气化燃烧方法，其特征在于将作为载氧体的低价态金属氧化物或金属单质置于空气反应器循环流化床内，从空气反应器循环流化床的下端(C)通入流化空气，低价态金属氧化物或金属单质载氧体与空气中的氧气反应后得到被升温的高价态金属氧化物，再使其经两级分离器分离；分离后的高温贫氧空气从分离器的上端(H)排出，分离后的载氧体，经过返料腿，进入燃料反应器循环流化床的下部混合气化室；燃料反应器循环流化床的下端(E)通入气化介质蒸汽，在混合气化室中，由载氧体提供煤、天然焦或石油焦与水蒸气气化的热量，气化后的合成气与载氧体发生还原反应，将高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床上部提升管内充分反应，然后进入分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端(I1)排出，凝结出水后得到纯净的二氧化碳；分离后的载氧体和残碳混合固体物经载氧体循环料腿(4)进入空气反应器循环流化床，将载氧体再生，实现载氧；高价态的金属氧化物还原为低价态的金属氧化物或金属单质，在燃料反应器循环流化床上部提升管内充分反应之后，部分进入另一分离器，分离后的洁净二氧化碳水蒸气混合气从该分离器上端(I2)排出，经该分离器分离后的载氧体和残碳混合固体物经过残碳循环料腿(5-4)，再返回进入燃料反应器循环流化床下部的气化反应室，提高碳燃烬率。
2.根据权利要求1所述的载氧体载氧气化燃烧方法，其特征在于作为载氧体的金属氧化物是Fe2O3、FeO、Fe3O4、CuO、Cu2O、NiO或ZnO，作为载氧体的金属单质是Fe、Cu、Zn或Ni。
3.一种用于实施权利要求1所述载氧体载氧气化燃烧方法的装置，其特征在于由空气反应器循环流化床(1)、载氧载热返料管(2)、载氧体再生分离器(3)、载氧体再生返料管(4)和燃料反应器循环流化床(5)组成，空气反应器循环流化床(1)的上端连接有一级贫氧空气分离器(1-1)，一级贫氧空气分离器(1-1)下端排料口与载氧载热返料管(2)的一端相连，载氧载热返料管(2)的另一端与燃料反应器循环流化床(5)的下端相连，燃料反应器循环流化床(5)的上端与载氧体再生分离器(3)的上端相连，载氧体再生分离器(3)下端与载氧体再生返料管(4)的一端相连，载氧体再生返料管(4)的另一端与空气反应器循环流化床(1)的下部相连，在燃料反应器循环流化床(5)的上端还连接有残碳分离器，该残碳分离器由一级烟气残碳分离器(5-1)和二级烟气残碳分离器(5-5)组成，一级烟气残碳分离器(5-1)下端连接有残碳返料腿(5-6)，残碳返料腿(5-6)和二级烟气残碳分离器(5-5)出口相通，残碳返料腿(5-6)下端与移动床(5-7)相连，移动床(5-7)下端设有流化风进口(G)，移动床(5-7)下部设有物料出口，通过循环返料管(5-4)与燃料反应器循环流化床(5)的下部连通。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于在空气反应器循环流化床(1)的下端设有载氧体补充口(B)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于在燃料反应器循环流化床(5)由提升管、混合气化反应室(5-3)和过渡段(5-2)组成，提升管通过过渡段(5-2)与混合气化反应室(5-3)连接。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于一级贫氧空气分离器(1-1)的上部出口连通有二级贫氧空气分离器(1-2)，二级贫氧空气分离器(1-2)上端设贫氧空气出口(H)，一级贫氧空气分离器(1-1)下端连接有载氧体返料腿(1-3)，二级贫氧空气分离器(1-2)的下部和载氧体返料腿(1-3)相通，载氧体返料腿(1-3)的下端连接有移动床(1-4)，移动床(1-4)下端设有流化风进口(A)，移动床(1-4)下部设有物料出口且将该物料出口作为一级贫氧空气分离器(1-1)的下端排料口使用。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于载氧体再生分离器(3)由一级烟气载氧体再生分离器(3-1)和二级烟气载氧体再生分离器(3-2)组成，一级烟气载氧体再生分离器(3-1)和二级烟气载氧体再生分离器(3-2)出口相通，一级烟气载氧体再生分离器(3-1)的出口连接有载氧体再生返料腿，载氧体再生返料腿的下端连接有移动床(3-3)，移动床(3-3)下端设有流化风进口(D)，移动床(3-3)下部设有物料出口且该物料出口与载氧体再生返料管(4)的一端相连。
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附图1.

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