CN101746720A

CN101746720A - 一种燃煤co2零排放方法和装置

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Publication number: CN101746720A
Application number: CN200910272357A
Authority: CN
Inventors: 王保文; 郑瑛; 赵海波; 张少华; 郑楚光
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: CN101746720B

Abstract

本发明提供了一种燃煤CO₂零排放方法，对MFe₂O₄(M代表Cu、Ni、Mn和Co中任意一种)氧载体进行分解生成氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ(0≤δ≤2)和O₂，氧缺位铁酸盐与煤气化产物发生还原反应生成CO₂、H₂O和不凝结气体，其中不凝结气体与分解得到的O₂再进行氧化反应生成CO₂和水蒸气；生成的CO₂和水蒸气与被还原的氧缺位铁酸盐发生还原反应生成由CO和氢气构成的合成气，最终实现CO₂零排放。本发明还提供了实现上述方法的装置，以快速流化床、两段式喷动流化床以及鼓泡流化床为主要组件。本发明达到了燃煤的高效洁净利用和CO₂的真正零排放，避免了对CO₂的远距离传输能量和成本耗费，具有广阔的应用前景。

Description

一种燃煤CO2零排放方法和装置

技术领域

本发明涉及煤燃烧领域，特别是涉及煤燃烧过程中的CO₂零排放方法和装置。

背景技术

以煤为主的化石燃料在提供了85％以上的世界用能的同时，煤燃烧过程所产生的CO₂是人类活动过程所产生的CO₂的一个主要来源。控制燃煤CO₂排放水平，开发高效的燃煤CO₂减排技术，具有重大的社会意义和经济价值。相对于提高燃煤发电效率、促进能源替代并采用低碳燃料(比如天然气和生物质等)这两条CO₂减排技术路线，对煤燃烧所产生的CO₂进行捕获以及封存后处理的路线(简称为CCS路线)，更为积极有效，在不改变当前能源结构的前提下，能够有效实现燃煤CO₂的减排目标。对于燃煤CO₂减排的CCS路线，CO₂的处理主要由煤利用过程产生的CO₂的分离回收、所得到的高纯CO₂的压缩和远距离传送、地质或者海洋存贮这三部分组成。由于CO₂分离回收占整个CO₂处理成本的75～85％，因此，CO₂分离回收是燃煤CO₂处理研究的重点。

就燃煤CCS路线所包含的三类CO₂分离回收方法(包括煤燃烧前、煤燃烧中以及煤燃烧后CO₂回收方法)及其相关分离技术，比如各类物理吸附法、甲基乙醇胺(MEA)等碱性溶液以及石灰石等干基吸收剂化学吸收法、膜分离方法，纯氧燃烧技术等，尽管能够实现燃煤所产生的CO₂的回收，但是高浓度CO₂的捕获会导致煤利用***效率的极大降低(10％左右)以及发电成本的增加。

进一步的，与上述的CO₂回收方法和相关技术有着本质的区别，化学链燃烧技术，作为燃料和空气的非混合燃烧技术，以氧载体代替空气，与煤及其气化产物在燃料反应器中进行还原反应，被还原的氧载体再传递进入空气反应器中进行氧化再生，从而达到氧载体的多次循环利用。该技术不仅完成了煤的氧化，同时还避免了传统燃烧方式下燃料与空气的直接接触以及空气中所含N₂对煤反应尾气中CO₂的稀释。因此，相对于一般的CO₂回收方法，该技术具有显著的特点和优势，不仅能够根除燃料燃烧时NOx的产生，提高燃料的利用效率；同时，燃料完全转化时，反应产物仅包含空气和水蒸气，无需额外的分离装置和措施，经过简单的冷凝处理，就可以得到高纯CO₂，也就是所谓的CO₂内分离特性，从而便于后续存贮处理。

显然，在上述的各种燃煤CO₂回收方法和技术中，尽管煤化学链燃烧技术具有显著的优点，不仅可以根除燃料NO_X的产生，而且能够在不引起***效率降低的前提下得到高浓度的CO₂。但是，对于捕获获得的高浓度CO₂，一般都需要经过压缩后进行离线处理，把回收得到的高浓度CO₂注入深海、开采过的油气田、地下咸蓄水层以及无商业开采价值的煤田深层，不仅无法对CO₂从根本上进行彻底处理、所存贮的CO₂对生态***的长期潜在危害也不容忽视；同时，CO₂的长距离输送也耗费一定的成本。

另外，当前提出的所谓煤CO₂零排放***，着眼于煤的高效转化利用，基本上都是以煤气化为基础。主要包括两种途径：一是基于整体煤气化联合循环(简称IGCC)CO₂分离***，但是所采用的装置及其***的复杂性、过高的一次投资，极大的限制了该技术的推广应用；二是基于石灰石等CO₂干基吸收剂为基础的CO₂零排放***，尽管美国零排放煤利用联盟(ZECA)、日本新能源综合开发结构(NEDO)、浙江大学等世界范围内的多个研究机构所采用。但是上述两种煤CO₂零排放***的最大缺陷，还是在于该***所产生的仅仅是高浓度的CO₂，所获得的CO₂还需进一步离线后处理，进行海洋或者地质存贮，既耗费成本和能量，还对环境造成潜在危害。

因此，基于煤化学链燃烧技术，充分利用其可以根除煤燃料NOx、可以在不降低***效率的前提下获得高纯CO₂的突出优点；同时，以所获得高浓度的CO₂为原料，进行CO₂在线处理并转化成有用的化工原料并加以利用，对于煤的高效洁净利用、CO₂的捕获和在线利用以及煤CO₂排放水平的降低，具有深远的社会意义和经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃煤CO₂零排放方法，在燃煤供能的同时实现CO₂的零排放。

本发明的目的还在于提供实现上述方法的装置。

一种燃煤CO₂零排放方法，对MFe₂O₄氧载体进行分解生成O₂和氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ，0≤δ≤2，M为Cu或Ni或Mn或Co，氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ，0≤δ≤2与煤气化产物发生还原反应生成CO₂、H₂O和不凝结气体，其中不凝结气体与分解得到的O₂进行氧化反应生成CO₂和水蒸气；所有生成的CO₂和水蒸气与被还原的氧缺位铁酸盐发生还原反应生成由CO和氢气构成的合成气。

作为改进，将合成气作为燃料进一步与分解生成的氧缺位铁酸盐进行氧化反应生成CO₂和水蒸气。

实现上述燃煤CO₂零排放方法的装置，包括由快速流化床1、第一旋风分离器2、喷动流化床3的上半段、喷动流化床3的下半段、煤灰重力分离器4、鼓泡流化床5、U型流动密封阀6、快速流化床1依次连通构成的回路；喷动流化床3的上半段还连通第二旋风分离器8，第二旋风分离器8分别连通煤飞灰捕集器9和鼓泡流化床5；喷动流化床3的下半段还连通第三旋风分离器7，第三旋风分离器7分别连通部分氧化氧载体捕集器10和喷动流化床3的下半段；喷动流化床3的上半段与喷动流化床3的下半段的相接处为束腰结构。

本发明方法的技术效果体现在：

(1)本发明燃煤过程中CO₂和水蒸气产生源于如下三个反应：其一是氧缺位铁酸盐与煤气化产物发生的还原反应，其二是不凝结气体与分解得到的O₂进行的氧化反应，其三是合成气与分解生成的氧缺位铁酸盐的氧化反应。上述反应产生的CO₂和水蒸气均在线地与被还原的氧缺位铁酸盐发生还原反应，最终实现CO₂的零排放。

(2)不凝结气体与分解得到的O₂的氧化反应，作为煤气化产物燃烧的辅助反应，提高了煤粉的利用率。另外，O₂来源于MFe₂O₄氧载体的分解，无需耗费额外的成本和能量。

(3)生成的由CO和氢气构成的合成气是一种非常优质的化工原料，可将其用于氨气合成等其它工业用途，也可以在本发明中将其作为燃料，返回与分解生成的氧缺位铁酸盐作氧化反应，生成作为气化介质的CO₂和水蒸气，用以促进煤粉的充分气化。

本发明装置的技术效果体现在：

(1)本发明CO₂零排放装置为燃煤过程中的四种反应提供了反应空间，其中喷动流化床3的上半段用于MFe₂O₄氧载体的分解以及不凝结气体与分解得到的O₂的氧化反应；喷动流化床3的下半段用于氧缺位铁酸盐与煤气化产物的还原反应、合成气与分解生成的氧缺位铁酸盐的氧化反应；鼓泡流化床5用于CO₂和水蒸气与被还原的氧缺位铁酸盐的还原反应。

(2)为了MFe₂O₄氧载体的循环利用，本发明装置设置了快速流化床1，鼓泡流化床5中CO₂和水蒸气与被还原的氧缺位铁酸盐产生还原反应，除了产生合成气外，还产生部分氧化的低价态铁酸盐，低价态铁酸盐进入快速流化床1与空气氧化再生成MFe₂O₄氧载体，从而实现对MFe₂O₄氧载体的循环利用。同时，在MFe₂O₄氧载体的再生反应过程中释放出大量热量，热量被携带进入喷动流化床3的上半段，可促进MFe₂O₄氧载体的分解。

(3)本发明装置设计了两段式喷动流化床，该流化床上半段的下口和下半段上口分别向内慢慢收拢形成束腰结构，这不仅有利于反应气流良好流动特性的维持，还能加强氧载体与煤等固体颗粒的返混和充分接触，延长这些反应颗粒在流化床反应器中的停留时间，并使相关反应得以充分进行。

(4)在喷动流化床的底部，由于煤灰和被充分还原的MFe₂O₄氧载体的密度差异，重力分离器4的采用可以使得煤灰与氧载体颗粒充分分离。

附图说明

图1是本发明***结构示意图。

具体实施方式

本发明所提出的煤CO₂零排放装置，如图1所示。该装置的显著特征之一就在于两段式喷动流化床的采用，而且其下段流化床的上端和上段流化床的下端分别做成收缩口以及扩放口型式的结构，不仅有利于流化床内反应流流场的组织，而且还有助于煤粉颗粒、反应气流以及氧载体颗粒在反应器内的强烈返混和停留时间的延长。

本发明所提出的煤CO₂零排放技术，以MFe₂O₄(M代表Cu、Mn、Co和Ni)为氧载体，由旋风分离器2输送进入两段式喷动流化床3的上段，在B区域及900℃以上的反应温度下完成该氧载体MFe₂O₄的分解，生成O₂和氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ(0≤δ≤2)；在该喷动流化床3的下段C区域和800℃以上的反应温度下，煤粉由CO₂作为气力输送介质以及喷动气，由该喷动流化床3的下段底部进入，进行气化反应，所得到的煤气化产物与上段分解得到的氧缺位铁酸盐MFe₂O₄-δ进行反应生成CO₂、H₂O蒸气和不凝气体(CO、CH₄和少量H₂)。不凝气体进入喷动流化床3的上段，与分解生成的O₂进行氧化反应，生成CO₂和H₂O蒸气。CO₂、H₂O蒸气、煤飞灰和少量细小的MFe₂O₄氧载体颗粒构成尾气气流，尾气气流通过旋风分离器8进行分离，被分离出的煤飞灰和MFe₂O₄氧载体颗粒则通过煤飞灰捕集器9进行捕获收集；而被分离的燃煤尾气(CO₂和H₂O蒸气)则作为流化介质和原料引入鼓泡流化床5中，在700℃以上的反应温度下，进行CO₂的在线催化分解以及H₂O蒸气转化，由此获得主要由CO、H₂组成的合成气，从而有效的避免对燃煤尾气中的水蒸气进行冷凝处理、所获得的高浓度CO₂进行远距离的传送以及海洋或陆地存贮等诸多后续过程；该合成气再进一步作为燃料由喷动流化床3底部引入，与氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ进行还原反应，产生大量的水蒸气和CO₂，形成高浓度的CO₂和H₂O蒸气氛围，有助于于煤的气化以及与氧缺位铁酸盐MFe₂O₄-δ的反应。另一方面，被煤气化产物以及合成气(包括CO和H₂)充分还原的氧缺位铁酸盐MFe₂O₄ _-δ和煤灰则通过重力分离器4，利用二者密度差而加以分离，所得到的充分还原氧缺位铁酸盐则被引入鼓泡流化床5中，与引入的煤反应尾气(主要包括CO₂和H₂O蒸气)进行反应并被部分氧化生成低价态铁酸盐；而这些低价态铁酸盐通过U型流动密封阀6进入快速流化床1，完成氧载体的深入氧化和再生，完成氧载体的多次循环利用。

Claims

1.一种燃煤CO₂零排放方法，对MFe₂O₄氧载体进行分解生成O₂和氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ，0≤δ≤2，M为Cu或Ni或Mn或Co，氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ，0≤δ≤2与煤气化产物发生还原反应生成CO₂、H₂O和不凝结气体，其中不凝结气体与分解得到的O₂进行氧化反应生成CO₂和水蒸气；所有生成的CO₂和水蒸气与被还原的氧缺位铁酸盐发生还原反应生成由CO和氢气构成的合成气。

2.根据权利要求1所述的燃煤CO₂零排放方法，其特征在于，将合成气作为燃料进一步与分解生成的氧缺位铁酸盐MFe₂O_4-δ进行氧化反应生成CO₂和水蒸气。

3.实现权利要求2所述燃煤CO₂零排放方法的装置，其特征在于，包括由快速流化床(1)、第一旋风分离器(2)、喷动流化床(3)的上半段、喷动流化床(3)的下半段、煤灰重力分离器(4)、鼓泡流化床(5)、U型流动密封阀(6)、快速流化床(1)依次连通构成的回路；喷动流化床(3)的上半段还连通第二旋风分离器(8)，第二旋风分离器(8)分别连通煤飞灰捕集器(9)和鼓泡流化床(5)；喷动流化床(3)的下半段还连通第三旋风分离器(7)，第三旋风分离器(7)分别连通捕集器(10)和喷动流化床(3)的下半段；喷动流化床(3)的上半段与喷动流化床(3)的下半段的相接处为束腰结构。