CN211667810U - 具有宽负荷调节能力的化学链反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，装置包括空气反应器、燃料反应器以及设置在空气反应器与燃料反应器之间的第一回料单元和设置在燃料反应器与空气反应器之间的第二回料单元，第一回料单元包括第一回料器，第二回料单元包括气固分离单元和第二回料器。本实用新型能够实现宽范围的变负荷能力，负荷变化范围可达30～110％；物料循环稳定可靠，物料循环料量可以方便地调节和控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及化学链技术领域，更具体地讲，涉及一种具有宽负荷调节能力的化学链反应装置。
背景技术
化学链技术主要是指化学链燃烧(Chemical Looping Combustion)和化学链气化(Chemical Looping Gasification)。化学链燃烧或气化是一种新型的燃烧或气化技术，该技术的关键是通过载氧体(一般是金属氧化物)将空气中的氧传递给燃料，从而避免了燃料与空气的直接接触，可以降低燃烧或气化过程的
损失，与新型的热力循环相结合，可以提高热力***的效率。同时，燃烧产生的CO2在燃烧过程中即内在的自然的实现低成本的富集。化学链气化可以不用空气分离制氧***而达到与纯氧气化相当的效果，从而显著降低气化成本。
图1为化学链燃烧原理图，反应器***主要由空气反应器(Air Reactor,AR)与燃料反应器(Fuel Reactor,FR)组成。在空气反应器中，还原态的载氧体与空气充分反应并被氧化。氧化态的载氧体进入到燃料反应器。燃料反应器中发生的主要反应分别是燃料(例如煤)的气化反应及还原性气体对载氧体的还原反应。煤与气化介质(H2O或CO2)反应生成合成气(CO和H2)，合成气进一步与载氧体反应生成CO2和H2O，从而将载氧体还原。还原态的载氧体返回至空气反应器，完成一个循环。
化学链燃烧的关键技术包括选择合适的载氧体材料和进行合理的反应***和反应装置设计。现有的化学链燃烧相关研究提出的技术方案中，空气反应器多采用快速流化床，燃料反应器有移动床、鼓泡床、快速床等不同设计。不同的技术方案均涉及到载氧体固体颗粒物料在空气反应器和燃料反应器之间的循环，更具体的说，涉及到载氧体固体颗粒物料从空气反应器向燃料反应器的运动和从燃料反应器向空气反应器的运动两个运动过程。
载氧体固体颗粒物料从空气反应器向燃料反应器的运动，一般都采用通过空气反应器中的气体流动携带载氧体至高处，然后在重力的驱动下通过立管、回料器进入燃料反应器。载氧体固体颗粒物料从燃料反应器中向空气反应器的运动，有重力驱动下在移动床中的运动、重力驱动下的溢流、被燃料反应器中的气流携带至高处再在重力驱动下经立管、回料器进入空气反应器等多种形式。载氧体固体颗粒物料的不同循环方式，将使得物料循环具有不同的稳定性、可靠性、运行经济性和负荷调节的灵活性。
现有的利用空气反应器中的气流携带载氧体至高处，然后在重力的驱动下通过立管、回料器进入燃料反应器的物料循环方式，使得循环量严重依赖于空气反应器中的气体流速，气体流速取决于气体流量，而气体流量取决于化学链燃烧装置的负荷率，因此当负荷率确定时，空气反应器中的气体流量和气速即基本确定且气速和负荷率基本是线性关系。但是，固体循环量随气速的增加而急剧增加并且随气速的减小而急剧减小，是严重的非线性关系。
如此则带来一个严重的问题：在设计工况(100％负荷率)下的气速如果使得空气反应器内气流携带出反应器的固体颗粒量能满足化学链燃烧对循环量的要求，则负荷率一旦降低则气速下降，循环量将急剧下降至无法满足化学链燃烧对循环量的要求，即这种颗粒循环方式使得装置的负荷率可变化的范围很小，变负荷调节能力差。或者，为了保证低负荷下的物料循环量，则需要在低负荷下保持较高的气速(即炉膛截面积设计的较小)，从而导致高负荷下的气速更高，远超过常规循环流化床的气速，这将导致空气反应器内的受热面磨损严重，且可能存在炉内吸热面(水冷壁)的面积不足的问题，同时空气反应器在高负荷下的循环量远超过化学链燃烧所需要的循环量，过大的循环量需要过大的压降，从而导致高负荷下需要过高的一次风和二次风压力，导致一次风机和二次风机电耗过高，运行不经济。
实用新型内容
针对现有技术中存在的(1)固体循环量与负荷率相耦合，变负荷范围窄，运行灵活性差；(2)固体循环量不易调节和控制；(3)空气反应器需要采用高气速，带来空气反应器压降大、风机能耗高、反应器内受热面易磨损等问题，本实用新型提出了一种可以实现宽范围的变负荷能力，物料循环稳定可靠、物料循环料量可以方便地调节和控制、空气反应器气速合理并且能够避免空气反应器压降高和受热面易磨损等问题的化学链反应装置。
本实用新型提供了一种具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，包括空气反应器、燃料反应器以及设置在空气反应器与燃料反应器之间的第一回料单元和设置在燃料反应器与空气反应器之间的第二回料单元，其中，
所述第一回料单元包括第一回料器，所述第一回料器的进料口与空气反应器下侧的溢流孔相连且出料口与燃料反应器下侧的回料进料口相连，第一回料器的进料口低于空气反应器的溢流口，燃料反应器的回料进料口低于第一回料器的出料口；
所述第二回料单元包括气固分离单元和第二回料器，气固分离单元的进料口与燃料反应器顶部的出料口相连且气固分离单元的固态物料出料口与第二回料器的进料口相连，第二回料器的出料口与空气反应器下侧的回料进料口相连，第二回料器的进料口低于气固分离单元的出料口，空气反应器的回料进料口低于第二回料器的出料口；
所述空气反应器设置有氧化性气体进口和第一气体出口；
所述燃料反应器设置有燃料进口和第二气体出口。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述空气反应器为循环流化床并且包括反应器本体、第一分离器和返料器，反应器本体顶部的第一气体出口与第一分离器的进料口相连，第一分离器的固态物料出料口与返料器的进料口相连，返料器的出料口与反应器本体下侧的返料口相连，其中，反应器本体的设计截面气速为1～10m/s，反应器本体上设置至少两个不同高度的氧化性气体进入口。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述空气反应器的反应器本体内壁上布置有受热面，所述空气反应器还包括与其相连的新鲜载氧体补充口，空气反应器还包括设置在返料器与反应器本体之间的外置式换热单元，所述外置式换热单元包括颗粒流量控制阀和外置式换热器。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述空气反应器还包括与第一分离器的气态物料出料口相连的气体净化回收单元，所述气体净化回收单元包括按照物料流向顺次连接的第一热量回收子单元和第一气体净化子单元。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述燃料反应器采用两段式结构且下段本体的横截面积大于上段本体的横截面积，下段本体的横截面积与上段本体的横截面积之比大于1且小于或等于20，其中，下段本体为鼓泡床或湍动床且设计截面气速为0.1～3m/s，上段本体为快速床或输运床且设计截面气速为3～20m/s。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述燃料反应器还包括与气固分离单元的第二气体出口相连的气化介质供给单元，所述气化介质供给单元包括按照物料流向顺次连接的第二热量回收子单元、第二气体净化子单元和再循环风机，所述再循环风机与燃料反应器上至少两个不同高度的气化介质入口相连，其中，燃料反应器的气化介质为再循环烟气，所述再循环烟气的温度控制在100～500℃。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述燃料反应器还包括与第二气体净化子单元的出料口相连的冷却净化单元和与燃料反应器底部的出渣口相连的冷却分离单元，其中，燃料反应器的底部还设置有燃料加入口和新鲜载氧体补充口。
根据本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置的一个实施例，所述第一回料器和第二回料器均采用流动密封阀形式的回料器，所述空气反应器在低负荷下能够运行在鼓泡床状态，所述气固分离单元采用旋风分离器。
与现有技术相比，本实用新型具有宽负荷调节能力的化学链反应装置具有如下优势：
1)能够实现宽范围的变负荷能力，负荷变化范围可达30～110％；
2)物料循环稳定可靠，物料循环料量可以方便地调节和控制；
3)空气反应器气速合理，空气反应器压降较低，风机电耗较低，空气反应器内受热面不易磨损。
附图说明
图1示出了化学链燃烧原理图。
图2示出了根据本实用新型示例性实施例的化学链反应装置的基础结构示意图。
图3示出了根据本实用新型示例性实施例的化学链反应装置的细化结构示意图。
附图标记说明：
1-空气反应器、2-燃料反应器、21-下段本体、22-上段本体、3-第一回料器、4-气固分离单元、5-第二回料器、6-第一分离器、7-返料器、8-第一热量回收子单元、9-第一气体净化子单元、10-第二热量回收子单元、11-第二气体净化子单元、12-再循环风机、13-冷却净化单元、14-冷却分离单元、15-颗粒流量控制阀、16-外置式换热器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图2示出了根据本实用新型示例性实施例的化学链反应装置的基础结构示意图。
如图2所示，根据本实用新型的示例性实施例，所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置包括空气反应器1、燃料反应器2以及设置在空气反应器1与燃料反应器2之间的第一回料单元和设置在燃料反应器2与空气反应器1之间的第二回料单元。
也即，本实用新型中的载氧体颗粒固体物料从空气反应器1到燃料反应器2的运动不采用气流提升后再返料的传统方式，而是在空气反应器下部的侧面设置溢流孔，物料溢流出空气反应器后通过第一回料单元返回燃料反应器。燃料反应器2向空气反应器1的返料采用气流提升的方式将载氧体固体颗粒提升至高处后再通过第二回料单元返回空气反应器1。其中，空气反应器设置有氧化性气体进口和第一气体出口，燃料反应器设置有燃料进口和第二气体出口。
具体地，本实用新型的第一回料单元包括第一回料器3，第一回料器3的进料口与空气反应器1下侧的溢流孔相连且出料口与燃料反应器2下侧的回料进料口相连，第一回料器3的进料口低于空气反应器1的溢流口，燃料反应器2的回料进料口低于第一回料器的出料口。通过上述结构，可以使得空气反应器1中反应后氧化态的载氧体溢流后在重力作用下送入燃料反应器2中。
第二回料单元包括气固分离单元4和第二回料器5，气固分离单元4的进料口与燃料反应器2顶部的出料口相连且气固分离单元4的固态物料出料口与第二回料器5的进料口相连，第二回料器5的出料口与空气反应器下侧的回料进料口相连，第二回料器5的进料口低于气固分离单元4的出料口，空气反应器1的回料进料口低于第二回料器5的出料口。通过上述结构，可以使得燃料反应器2中反应后还原态的载氧体在气流提升的作用下提升至高处后再经气固分离返回至空气反应器1中。
按照上述方案，则整个化学链燃烧的载氧体循环量取决于燃料反应器内气流对载氧体的提升量(空气反应器向燃料反应器的载氧体返料因为采用溢流，其固体颗粒流量本身会自适应地调节)，通过控制燃料反应器内的气速即可控制化学链燃烧的循环量。而燃料反应器内的气速可以通过气化介质的通入量方便地进行控制而与燃烧的负荷率无关，从而实现固体循环量与负荷率的解耦，使得化学链燃烧装置可以有宽范围的灵活负荷调节性。
本实用新型优选地采用较细粒径的A类或B类颗粒的载氧体，易于实现载氧体的大循环量；采用平均粒径约1mm的较粗粒径的D类颗粒的燃料，燃料预处理***简单且无需制粉。载氧体和燃料均可以采用现有技术中化学链反应中常用的载氧体(如天然钛铁矿载氧体)和燃料(如煤)。其中，A类为细颗粒，例如50um的量级；B类为较细颗粒，例如150um的量级；D类为粗颗粒，例如1mm以上的量级。
其中，第一回料器3和第二回料器5均采用流动密封阀形式的回料器，空气反应器1在低负荷下能够运行在鼓泡床状态，气固分离单元4采用旋风分离器。
图3示出了根据本实用新型示例性实施例的化学链反应装置的细化结构示意图。
如图3所示，对本实用新型的化学链反应装置进行更进一步的细化结构说明，本实用新型中的空气反应器1为循环流化床并且包括反应器本体、第一分离器6和返料器7，反应器本体顶部的第一气体出口与第一分离器6的进料口相连且第一分离器6的固态物料出料口与返料器7的进料口相连，返料器7的出料口与反应器本体下侧的返料口相连。反应器本体的设计截面气速为1～10m/s，优选为3～6m/s；反应器本体上设置至少两个不同高度的氧化性气体进入口，氧化性气体(例如空气)分为至少两股(一次风和二次风)从不同高度送入空气反应器1，以控制空气反应器内的流化状态和反应过程。
进一步地，空气反应器1的反应器本体内壁上布置有受热面，以移走反应释放的部分热量，维持***所需要的反应温度，其具有气固接触效率高、单位截面积处理量大、炉内传热较强且传热均匀等优点。空气反应器1还包括设置在返料器7与反应器本体之间的外置式换热单元，外置式换热单元包括颗粒流量控制阀15和外置式换热器16，当炉内受热面移热量不足时，开启颗粒流量控制阀15，使部分颗粒流经外置式换热器16以移走更多的热量。空气反应器还包括与其相连的新鲜载氧体补充口以适当补充新鲜载氧体。
此外，空气反应器1还包括与第一分离器6的气态物料出料口相连的气体净化回收单元，气体净化回收单元包括按照物料流向顺次连接的第一热量回收子单元8和第一气体净化子单元9，空气反应器1出口的高温气体(含少量O2，大部分为N2)，经过第一热量回收子单元8冷却回收热量和第一气体净化子单元9净化后排放。
本实用新型中的燃料反应器采用两段式结构且下段本体21的横截面积大于上段本体22的横截面积，下段本体21的横截面积与上段本体22的横截面积之比大于1且小于或等于20。下段本体为鼓泡床或湍动床且设计截面气速为0.1～3m/s，更优选为0.5～1.5m/s；上段本体为快速床或输运床且设计截面气速为3～20m/s，更优选为5～10m/s。其中，气化介质分为至少两股并且在燃料反应器不同的高度处送入燃料反应器2中，以控制燃料反应器2内的流化状态，使得燃料反应器下部为鼓泡床或湍动床且上部为快速床或输运床。
下部的鼓泡床或湍动床具有较高的固含率和较低的气速，从而有较长的燃料气化反应的时间，以使得化学反应较慢的燃料气化反应进行的尽量充分，提高燃料的转化率。上部的快速床或输运床有较高的气速和足够大的固体颗粒流率，从而能够提供足够的循环量。同时，上部的快速床或输运床中也有较高的固含率，可使得燃料反应器下部燃料气化反应产生的CO、H2等气体尽可能充分地被载氧体氧化，减小未燃尽气体的能量损失。
本实用新型中燃料反应器的气化介质为再循环烟气，燃料反应器2还包括与气固分离单元的第二气体出口相连的气化介质供给单元，该气化介质供给单元包括按照物料流向顺次连接的第二热量回收子单元10、第二气体净化子单元11和再循环风机12，再循环风机12与燃料反应器2上至少两个不同高度的气化介质入口相连以在不同高度送入气化介质。通过控制再循环烟气的流量以及再循环烟气在不同喷入位置之间流量的分配，可以方便地调节和控制载氧体颗粒在两个反应器之间的物料循环量。
燃料反应器2出口的烟气在进入再循环风机12之前，先经过第二热量回收子单元10和第二气体净化子单元11，以降低再循环风机的工作温度和入***尘量，提供再循环风机工作的可靠性，并且再循环风机12的入口温度需控制在烟气的酸露点之上且低于500℃，以保证除尘器和风机的稳定可靠运行，典型的值在约100℃～300℃之间。
此外，燃料反应器2还包括与第二气体净化子单元11的出料口相连的冷却净化单元13和与燃料反应器2底部的出渣口相连的冷却分离单元14。由此，燃料反应器产生的烟气除了用于再循环之外，多余的部分经冷却净化单元13进一步冷却分离和压缩纯化等处理后，得到液态水和较纯净的CO2，从而实现CO2的捕集。对于灰分大、易形成较大颗粒底渣的燃料，定期地从燃料反应器2下部排出底渣，以避免大颗粒底渣在燃料反应器下部的积累从而影响装置的稳定运行，由于排出的底渣中不可避免地会携带一部分载氧体，可通过冷却分离单元14将载氧体分离出来后回收利用。
其中，本实用新型中的第一分离器6可以为旋风除尘器，第一气体净化子单元9和第二气体净化子单元11可以为除尘器及S、N等元素的污染性气体的净化装置的组合；第一热量回收子单元8、第二热量回收子单元10、冷却净化单元13可以为水或蒸汽为介质的冷却器；冷却分离单元可以是流化床冷渣器后接磁选分离器。但本实用新型不限于此。
上述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置运行时，控制方法具体为：将一次风和二次风送入空气反应器1与来自燃料反应器2的还原态的载氧体反应，空气反应器中氧化态的载氧体溢流后通过第一回料单元进入燃料反应器2；将气化介质送入燃料反应器2与燃料进行气化反应生成合成气，合成气与氧化态的载氧体反应生成二氧化碳和水，利用气流提升将反应后的还原态的载氧体在燃料反应器中提升至高处后通过第二回料单元返回至空气反应器1完成一个循环。本实用新型中，通过控制燃料反应器中气化介质的通入量和气化介质在不同高度的气化介质入口之间的分配比例来控制燃料反应器内的气速和还原态的载氧体的提升和循环量，所采用的气化介质为来自燃料反应器2的再循环烟气，其余操作可以根据实际工况具体调整。
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例：
本实施例采用天然钛铁矿载氧体，颗粒平均粒径约为120μm，颗粒密度为2500kg/m3(活化后)。燃料为煤，煤质为高挥发分、低灰分的褐煤，采用与常规循环流化床锅炉类似的燃料破碎和筛分处理***，给煤平均粒径为0-10mm，平均为1mm。
100％负荷率时：
空气反应器的平均反应温度约为950℃，顶部压力约为常压，截面气速(实际温度压力状态下)约为5m/s，出口O2的浓度约为3％。
燃料反应器的平均反应温度约为900℃，顶部压力约为常压，下部气速约为1～2m/s，处于湍动床状态；上部气速约为5～10m/s，处于快速床或输运床状态；
利用第二热量回收子单元10和第二气体净化子单元11(采用布袋除尘器)将燃料反应器2出口的高温烟气冷却至约200℃。
30％负荷率时：
空气反应器的平均反应温度约为900℃，顶部压力约为常压，气速(实际温度压力状态下)约为1.5m/s，出口O2的浓度约为5％。
燃料反应器的平均反应温度约为850℃，顶部压力约为常压，燃料给入量的减少导致燃料反应器内气体生成量的减少，但通过控制再循环风机12适当加大烟气再循环量，可使得燃料反应器的下部气速仍保持在约1～2m/s，处于湍动床状态；上部气速仍保持在约为5～10m/s(根据所需的固体循环量进行调节)，处于快速床或输运床状态，使得载氧体的固体循环量控制在所需要的范围。
本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，包括空气反应器、燃料反应器以及设置在空气反应器与燃料反应器之间的第一回料单元和设置在燃料反应器与空气反应器之间的第二回料单元，其中，
所述第一回料单元包括第一回料器，所述第一回料器的进料口与空气反应器下侧的溢流孔相连且出料口与燃料反应器下侧的回料进料口相连，第一回料器的进料口低于空气反应器的溢流口，燃料反应器的回料进料口低于第一回料器的出料口；
所述第二回料单元包括气固分离单元和第二回料器，气固分离单元的进料口与燃料反应器顶部的出料口相连且气固分离单元的固态物料出料口与第二回料器的进料口相连，第二回料器的出料口与空气反应器下侧的回料进料口相连，第二回料器的进料口低于气固分离单元的出料口，空气反应器的回料进料口低于第二回料器的出料口；
所述空气反应器设置有氧化性气体进口和第一气体出口；
所述燃料反应器设置有燃料进口和第二气体出口。
2.根据权利要求1所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述空气反应器为循环流化床并且包括反应器本体、第一分离器和返料器，反应器本体顶部的第一气体出口与第一分离器的进料口相连，第一分离器的固态物料出料口与返料器的进料口相连，返料器的出料口与反应器本体下侧的返料口相连，其中，反应器本体的设计截面气速为1～10m/s，反应器本体上设置至少两个不同高度的氧化性气体进入口。
3.根据权利要求2所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述空气反应器的反应器本体内壁上布置有受热面，所述空气反应器还包括与其相连的新鲜载氧体补充口，空气反应器还包括设置在返料器与反应器本体之间的外置式换热单元，所述外置式换热单元包括颗粒流量控制阀和外置式换热器。
4.根据权利要求2所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述空气反应器还包括与第一分离器的气态物料出料口相连的第一气体处理单元，所述第一气体处理单元包括按照物料流向顺次连接的第一热量回收子单元和第一气体净化子单元。
5.根据权利要求1所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述燃料反应器采用两段式结构且下段本体的横截面积大于上段本体的横截面积，下段本体的横截面积与上段本体的横截面积之比大于1且小于或等于20，其中，下段本体为鼓泡床或湍动床且设计截面气速为0.1～3m/s，上段本体为快速床或输运床且设计截面气速为3～20m/s。
6.根据权利要求5所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述燃料反应器还包括与气固分离单元的第二气体出口相连的第二气体处理单元，所述第二气体处理单元包括按照物料流向顺次连接的第二热量回收子单元、第二气体净化子单元和再循环风机，所述再循环风机与燃料反应器上至少两个不同高度的气化介质入口相连，其中，燃料反应器的气化介质为再循环烟气，所述再循环烟气的温度控制在100～500℃。
7.根据权利要求6所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述燃料反应器还包括与第二气体净化子单元的出料口相连的冷却净化单元和与燃料反应器底部的出渣口相连的冷却分离单元。
8.根据权利要求1所述具有宽负荷调节能力的化学链反应装置，其特征在于，所述第一回料器和第二回料器均采用流动密封阀形式的回料器，所述空气反应器在低负荷下能够运行在鼓泡床状态，所述气固分离单元采用旋风分离器。
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