CN107355779A - 一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器 - Google Patents

一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器。该反应器的逆流床本体呈上窄下宽的塔式结构，逆流床本体上端布置失氧载氧体入口，下端布置再生载氧体出口，两侧分别布置空气入口和贫氧空气出口。管式进风器和管式排风器沿轴向交错布置，构成多级配风结构。本发明所提供的装置具有与燃料反应器的耦合程度高、运行可控性高、气体处理量大以及载氧效率高的效果。

Description

一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反 应器
技术领域
本发明属于燃料的清洁燃烧和高效利用技术领域，涉及一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器。
背景技术
大多数学者认为，化石燃料燃烧所产生的二氧化碳(CO2)是导致温室效应及全球变暖的一个主要原因。化学链燃烧(Chemical Looping Combustion，简称CLC)是一种新型的无焰燃烧技术，具有在燃烧过程中自动分离CO2的天然优势，是目前国际公认的具有重要前景的CO2减排技术之一。该技术将传统燃烧器分成两个独立的反应器(空气反应器和燃料反应器)，并选用一种合适的氧化物(载氧体)在两个反应器间交替循环。由此，传统燃烧中燃料与空气直接接触的一步燃烧反应被分解为两步化学反应，分别为燃料反应器中载氧体对燃料的氧化反应以及空气反应器中失氧载氧体被空气的氧化再生反应。由于燃料反应器中，燃料是被载氧体颗粒所氧化，与空气并无直接接触，因此燃料的燃烧产物不会被空气中的氮气(N2)所稀释，燃烧产物仅包含CO2和水蒸气(H2O)，这样通过简单的冷凝除水即可得到高纯度的CO2，而无需像传统燃烧方式那样增设专门的CO2吸收分离设备，从而有望实现高效低成本分离CO2。
目前，国内外研究学者已经对化学链燃烧开展了广泛的研究，其中对于气体燃料CLC工艺的研究已经比较成熟，但对固体燃料CLC的研究尚处于探索阶段，其中反应器设计方面存在以下难题：
1、绝大多数的固体燃料化学链燃烧装置都选用了双流化床串行结构(即燃料反应器和空气反应器均为流化床)，通过利用流化床反应器良好的气固混合接触特性，可以有效地提升两反应器的反应性能。然而，这种串行结构通常要求形成两套独立的颗粒动力***，彼此之间再通过辅助返料设备实现载氧体颗粒的交换循环，整个工艺过程繁琐、操作复杂程度较高、可控性较差，进而造成整个装置的气固流动与反应的稳定性以及耦合性不够理想。
2、另有一部分固体燃料化学链燃烧装置采用了循环流化床/移动床单环串行结构(即燃料反应器为流化床，空气反应器为移动床)，此种结构下移动床安置于循环流化床的下降管段，由此整个***颗粒循环的动力仅来源于循环流化床，从而大大提升了***结构的简洁性与运行的可控性，并且有效提升了气固流动与反应的稳定性以及耦合性。然而，此种单环串行结构也存在许多不足：(1)移动床的气体处理能力不足，由此将会导致单位截面积所允许的空气进气量以及***的输入热功率大幅受限，或者相同气量下反应器的截面积过大，这两点情况均会造成反应器放大困难；(2)载氧过程中载氧体与空气的接触并不完全均匀充分，由此为了保证载氧体的再生效率会造成较高的氧气逃逸率；(3)由于两反应器直接相连通，难免存在两反应器间的气体泄漏与串混，造成CO2捕集浓度与捕集效率在一定程度上的降低。
发明内容
发明目的：本发明针对当前固体燃料化学链燃烧分离CO2技术在大型化发展中所面临的多动力源双流化床串行反应器在结构复杂、运行可控性差以及流动与反应的关联耦合差等方面的问题，以及单动力源循环流化床/移动床串行反应器在空气反应器气体处理能力不足、载氧体再生效率不高以及反应器间气体串混等方面的问题，提供一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器，该空气反应器具有运行可控性高、与燃料反应器的耦合程度高、气体处理量大以及载氧效率高等有益效果。
技术方案：本发明提供了一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器。本发明的思路是：逆流移动床结构实现载氧体的稳定载氧再生；上窄下宽的塔式构造实现风量与热功率的灵活调节，以及CO2的高效捕集；特殊设计的多级配风布置实现较大的气体处理量和较高的载氧体再生效率；管式进风器和管式排风器实现反应器内部均匀布风。本发明所述的多级塔式逆流床空气反应器包括：塔式逆流床本体、管式进风器、小孔、管式排风器、挡板、失氧载氧体入口、再生载氧体出口、空气入口和贫氧空气出口。
具体的，本发明所述的一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器，包括塔式逆流床本体31、管式进风器33、管式排风器32，所述的塔式逆流床本体31呈上窄下宽的塔式结构，管式进风器33和管式排风器32沿塔式逆流床本体31轴向交错布置，构成多级配风结构；管式进风器33上布置小孔330，管式排风器32上布置挡板320。
进一步的，所述的管式进风器33由供气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行圆管组成，每根水平圆管的下侧面对称分布着小孔330。更进一步的，所述的小孔双排布置，两排小孔与管轴直径的夹角为90°。
进一步的，管式排风器(32)由排气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行排气管组成。所述的排气管由下方的的进风部和上方的送风部组成，所述的送风部的横截面为三角形，进风部的横截面为方形，进风部的底部与空气反应器内部相联通，每根排气管在近出口处布置挡板(320)。更进一步的，所述送风部横截面的顶角为45°。
进一步的，所述的塔式逆流床本体31上端布置失氧载氧体入口，下端布置再生载氧体出口。
进一步的，所述的管式进风器33的供气母管入口设为空气入口，管式排风器32的排气母管出口设为反应后的贫氧空气出口。
有益效果：与现有的固体燃料化学链燃烧***空气反应器相比，本发明具有如下的特色及优点：
1、本空气反应器的结构为多级塔式逆流床，置于循环流化床燃料反应器的返料管中部，由此整个***颗粒循环的动力仅来源于循环流化床。此单动力源循环流化床/移动床串行结构与常见的多动力源双流化床反应器串行结构相比，具有结构简单、反应器间耦合度高、运行稳定性高和操作可控性强的优点。
2、本多级塔式逆流床空气反应器具有特殊设计的多级配风布置，与传统的移动床相比，此空气反应器的气体处理能力大幅提升，载氧体从空气反应器输运到燃料反应器中的氧量显著增加，由此可以有效提升***的热功率规模并减小设备尺寸；可以实现载氧体的分级载氧，使得载氧过程更加均匀充分，从而能够保证较高的载氧体再生效率并降低氧气的逃逸率；可以适当降低每层的进风量，由此能够允许选用较小粒径的载氧体以增加其反应比表面积，从而进一步提升空气反应器内载氧体的再生效率，同时也能够提升燃料反应器的反应效率并降低燃料反应器内颗粒循环所需的流化气量，从而可以在节约运行成本的同时获得更高的CO2捕集效率和燃料转化率。
3、本多级塔式逆流床空气反应器具有上窄下宽的塔式构造，能够确保各级间进风量呈上低下高的非均匀分配方式，可以实现风量与热功率的灵活调节；可以有效减免空气反应器与燃料反应器因上部相互连通而产生的相互串气，再结合合理的反应器背压调节，可以实现理想的CO2捕集浓度与捕集效率。
4、本多级塔式逆流床空气反应器具有管式进风器。管式进风器的多小孔进风可以实现反应器内均匀布风，保证载氧的均匀性和***运行的稳定性；小孔分布在管式进风器下侧面，可以有效防止颗粒自上而下流动时堵塞小孔。
5、本多级塔式逆流床空气反应器具有管式排风器。管式排风器的排气管呈上部三角形下部方形结构，近出口处设置挡板。上部三角形结构有利于颗粒平稳下落，从而有效防止颗粒堆积于管子上方；下部方形管底部直接与空气反应器内部相联通，较大的排气面积有利于气固流动的稳定性；近出口处挡板有效防止少量颗粒被气体携带离开反应器。
附图说明
图1是本发明所述的适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器
图2是管式进风器的仰视图
图3是图2中水平圆管的截面图
图4是管式排风器的俯视图
图5是图4中排气管的立体示意图
图6是耦合本发明的多级塔式逆流床空气反应器的固体燃料化学链燃烧***图
图中：1-燃料反应器；2-一级分离器；3-多级塔式逆流床空气反应器；4-一级返料器；5-二级分离器；6-二级返料器；31-塔式逆流床本体；32-管式排风器；33-管式进风器；320-挡板；330-小孔
A-固体燃料；B-气化剂；C-空气；D-贫氧空气；E-燃烧气体产物；F-失氧载氧体；G-再生载氧体。
具体实施方式：
如图1所示，本发明提供了一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器，该装置包括塔式逆流床本体31，管式进风器33，小孔330，管式排风器32，挡板320。管式进风器33和管式排风器32在上窄下宽的塔式逆流床本体31中沿轴向交错布置，构成多级配风结构。每级管式进风器33由供气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行圆管组成，每根水平圆管的下侧面对称分布着小孔330。每级管式排风器32由排气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行排气管组成，每根排气管呈上部三角形下部方形结构，排气管底部与反应器内部相联通，近出口处布置挡板320。塔式逆流床本体31上端布置失氧载氧体入口，下端布置再生载氧体出口，管式进风器33的供气母管入口设为空气入口，管式排风器32的排气母管出口设为贫氧空气出口。
如图2所示，耦合本发明的多级塔式逆流床空气反应器的固体燃料化学链燃烧***图中包括燃料反应器1，一级分离器2，多级塔式逆流床空气反应器3，一级返料器4，二级分离器5，二级返料器6。燃料反应器1的上部与一级分离器2相连通，一级分离器2的下部与本发明的多级塔式逆流床空气反应器3相连通，多级塔式逆流床空气反应器3的下部通过一级返料器4与燃料反应器1的下部相连通；一级分离器2的出口与二级分离器5相连通，二级分离器5的下面通过二级返料器6与燃料反应器1的下部相连通。燃料反应器1侧面设有固体燃料入口，底部设有气化剂入口，多级塔式逆流床空气反应器一侧布置空气入口，另一侧布置贫氧空气出口，二级分离器5上部布置燃烧气体产物出口。以下参照图1和图2来详细说明本发明的适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器的具体实施案例。
在图1所示的多级塔式逆流床空气反应器中，失氧载氧体F从反应器上部的失氧载氧体入口进入，由上往下平稳通过上窄下宽的塔式逆流床本体31后，再生载氧体G从反应器下部的再生载氧体出口离开。空气C则从塔式逆流床本体31侧面的多级空气入口进入管式进风器33，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔330进入空气反应器内部，气体由下向上流动与向下运动的载氧体颗粒形成逆流接触与反应，实现分级均匀载氧。反应后的贫氧空气由管式排风器32底部进入排风管，从塔式逆流床本体32侧面的贫氧空气出口离开空气反应器。少量被气体携带的颗粒被挡板320阻挡后，落至逆流床本体31中继续向下运动。
在图2所示的固体燃料化学链燃烧***图中，本发明的多级塔式逆流床空气反应器3连接在一级分离器2和一级返料器4之间。固体燃料A从燃料反应器1侧面的固体燃料入口进入，气化剂B从燃料反应器1底部的气化剂入口进入，气化剂B携带固体燃料A和再生载氧体G颗粒向上运动并进行气化和化学链燃烧反应。反应后的固体颗粒(失氧载氧体F和含碳灰)被烟气携带进入一级分离器2。一级分离器2分离出的失氧载氧体F颗粒从上部进入多级塔式逆流床空气反应器3，空气C则从空气反应器3侧面布置的多级空气入口进入反应器，由下向上流动与向下运动的载氧体颗粒形成逆流接触与反应，反应后的贫氧空气D从空气反应器3侧面布置的贫氧空气出口离开，而反应后的再生载氧体G颗粒则经由一级返料器4返回至燃料反应器1。一级分离器2分离出的含碳灰则随烟气进入二级分离器5发生二次分离，分离出的含碳颗粒经由二级返料器6返回至燃料反应器1中进行再反应，而燃烧气体产物E则从二级分离器5上部离开，经冷凝即可获得高纯度的CO2。

Claims (8)

1.一种适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述的反应器包括塔式逆流床本体(31)、管式进风器(33)、管式排风器(32)，所述的塔式逆流床本体(31)呈上窄下宽的塔式结构，管式进风器(33)和管式排风器(32)沿塔式逆流床本体(31)轴向交错布置，构成多级配风结构；管式进风器(33)上布置小孔(330)，管式排风器(32)上布置挡板(320)。
2.根据权利要求1所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述的管式进风器(33)由供气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行圆管组成，每根水平圆管的下侧面对称分布着小孔(330)。
3.根据权利要求2所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述的小孔双排布置，两排小孔与管轴直径的夹角为90°。
4.根据权利要求1所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于管式排风器(32)由排气母管和数根在逆流床本体水平截面均匀分布的平行排气管组成。
5.根据权利要求4所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述的排气管由下方的的进风部和上方的送风部组成，所述的送风部的横截面为三角形，进风部的横截面为方形，进风部的底部与空气反应器内部相联通，每根排气管在近出口处布置挡板(320)。
6.根据权利要求5所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述送风部横截面的顶角为45°。
7.根据权利要求1所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于所述的塔式逆流床本体(31)上端布置失氧载氧体入口，下端布置再生载氧体出口。
8.根据权利要求1所述的多级塔式逆流床空气反应器，其特征在于管式进风器(33)的供气母管入口设为空气入口，管式排风器(32)的排气母管出口设为反应后的贫氧空气出口。
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