專利名稱：煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO₂的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤和固體廢棄物的循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒的裝置和方法，屬于煤燃燒、固體廢棄物的資源化利用和流化床燃燒技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國是目前世界上最大的二氧化碳排放國，來自環(huán)境保護和國際輿論的壓力迫使我國必須尋找高效合理的CO2減排手段。同時，我國也是世界上最大的廢棄物產(chǎn)生國，固體廢棄物產(chǎn)生量的逐年增長已對我國環(huán)境保護和生態(tài)平衡造成嚴(yán)重影響，其中，固體廢棄物中的可燃部分占到我國固廢總量的一半以上。現(xiàn)階段由于技術(shù)和條件的限制，我國對可燃固廢的綜合利用率依然很低。利用化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(CLC)處理可燃固體廢棄物，既實現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，減少其對環(huán)境的污染，又可幫助緩解煤炭供需的壓力，降低二氧化碳排放量，有利于促進我國多元化能源結(jié)構(gòu)的形成，具有重要的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益?，F(xiàn)有的可燃固體廢棄物大多以熱化學(xué)處理(燃燒，氣化和熱解)方法轉(zhuǎn)化為燃料， 這些傳統(tǒng)方法的燃燒產(chǎn)物成分復(fù)雜，CO2不易分離?；瘜W(xué)鏈燃燒(CLC)則是一種新穎的燃燒理念，其能量釋放機理是無火焰化學(xué)反應(yīng)，燃料不直接與空氣接觸燃燒，而是以載氧體在兩個反應(yīng)器(空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器)之間的循環(huán)交替反應(yīng)來實現(xiàn)燃料的燃燒過程。由載氧體首先與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，然后在燃料反應(yīng)器中與燃料進行還原反應(yīng)生成二氧化碳和水，因此生成的二氧化碳易被分離。目前在我國，不僅現(xiàn)有使用的固體廢棄物處理技術(shù)及裝備長期為國外所壟斷，具有前瞻性的化學(xué)鏈燃燒(CLC)的核心技術(shù)和中試級別裝置更是都掌握在國外研究機構(gòu)的手中；當(dāng)前國內(nèi)已具備了自主研發(fā)能力，必須在較短的時間內(nèi)彌補差距，研發(fā)出適合于我國國情、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的固體廢棄物化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，避免重復(fù)走引進吸收的發(fā)展道路。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置和方法，克服煤/可燃固體廢棄物和載氧體的燃燒反應(yīng)速率與載氧體載氧反應(yīng)速率的匹配等問題，并設(shè)計一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離 CO2方法，該方法能使二者反應(yīng)速率相匹配，達到燃燒效率高、載氧體的載氧能力強、分離出的CO2濃度高及CO2最終捕集率高等效果。技術(shù)方案本發(fā)明提出了一種煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離 CO2的裝置和方法。煤和固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器；分離系統(tǒng)包括一級慣性分離器、一級慣性分離器出口、一級料腿、二級旋風(fēng)分離器、二級旋風(fēng)分離器出口和二級料腿；載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯流移 動床空氣反應(yīng)器、新鮮載氧體顆粒給料器、J形返料閥和失活載氧體顆粒排料器；循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器上部通過彎頭與一級慣性分離器連接，一級慣性分離器的下部接一級料腿，一級慣性分離器的頂部通過一級慣性分離器出口接二級旋風(fēng)分離器的上部， 二級旋風(fēng)分離器的下部通過二級料腿接一級料腿的中部，一級料腿的下部出口位于錯流移動床空氣反應(yīng)器中，錯流移動床空氣反應(yīng)器的下部通過J形返料閥接循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部，失活載氧體顆粒排料器、反應(yīng)器氣化劑(水蒸氣)入口和反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的最底部；可燃固體廢棄物入口，煤顆粒入口位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部的壁上。循環(huán)流化床上部通過120°角的彎頭與一級慣性分離器上部相連；與一級慣性分離器連接的一級料腿的直徑是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器直徑的兩倍，而二級旋風(fēng)分離器連接的二級料腿的直徑則是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器直徑二分之一；錯流移動床空氣反應(yīng)器中采用多孔板作為氣體分布器，出口布置有截面為等邊三角形的導(dǎo)流板。本發(fā)明煤和固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置的操作方法為固體廢棄物和煤顆粒從循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的下部進入，氣化反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶的失氧載氧體和含碳灰塵經(jīng)一級慣性分離器分離后進入錯流移動床空氣反應(yīng)器，再生后的載氧體回到燃料反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)，重復(fù)以上過程；一級慣性分離器分離出來的含碳灰塵和少量失氧載氧體細顆粒隨煙氣進入二級旋風(fēng)分離器進行二次分離，分離下來的固體顆粒返回至空氣反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)；二級旋風(fēng)分離器分離出最終產(chǎn)物COJPH2O排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得聞純度的CO2。
所述的循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)采用壓力O. IMPa,顆粒通量5 O 100 kg/m2s 的常壓高通量，或壓力>0. IMPa，顆粒通量>200kg/m2s的加壓高通量兩種操作方式。本發(fā)明的實現(xiàn)方法思路如下在循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)煤和可燃固體廢棄物的氣化及氣化產(chǎn)物與載氧體發(fā)生的無焰燃燒反應(yīng)過程；在慣性分離器內(nèi)實現(xiàn)載氧體顆粒和煙氣的有效分離過程；在錯流移動床空氣反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)載氧體的重新載氧過程。并通過重復(fù)以上過程，實現(xiàn)煤和可燃固體廢棄物的化學(xué)鏈燃燒和CO2分離。與傳統(tǒng)的固體廢棄物處理流程不同，本發(fā)明的處理流程為煤顆粒和可燃固體廢棄物顆粒伴隨氣化劑(水蒸氣和CO2混合物)在循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)，煤相較于固體廢棄物更容易氣化，產(chǎn)生的氣體可以加快反應(yīng)過程；氣化產(chǎn)物與返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器的帶氧載氧體發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成CO2和H2O ;反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶失氧載氧體和含碳煤灰，進入一級慣性分離器進行分離；分離下來的失氧載氧體進空氣反應(yīng)器內(nèi)，與橫向通過的空氣相互接觸反應(yīng)獲得再生，之后經(jīng)一級返料入口閥門返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器分離，二次分離下來的固體顆粒(含碳灰塵和失氧載氧體細顆粒)經(jīng)二級返料入口閥門返回循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器繼續(xù)參與燃燒反應(yīng)，分離出的氣體經(jīng)冷凝剔除H2O,獲得高純度的CO2
有益效果與現(xiàn)有的常規(guī)CLC系統(tǒng)和固體廢棄物處理系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點
I、將循環(huán)流化床與錯流移動床聯(lián)合運用，分別實現(xiàn)固體廢棄物/載氧體的燃燒反應(yīng)過程和載氧體的載氧反應(yīng)過程。通過大幅提高載氧體的載氧反應(yīng)速率，解決因二者反應(yīng)速率存在數(shù)量級差而導(dǎo)致的反應(yīng)匹配問題。2、燃料反應(yīng)器可采用常壓或者加壓操作，在加壓條件下，循環(huán)流化床具有密度高(固-氣體積比大于O. I)、循環(huán)倍率高(50 100)、物料通量高(>200kg/m2s)的特點，物料顆粒停留時間遠大于普通常壓流化床反應(yīng)器，氣固湍流反應(yīng)(如煤和固體廢棄物顆粒氣化反應(yīng)、氣化產(chǎn)物還原載氧體反應(yīng))速率明顯增加，不僅大幅提高了固體廢棄物的燃燒速率， 而且氣相產(chǎn)物中CO等不完全燃燒產(chǎn)物有效降低。燃料反應(yīng)器內(nèi)的載氧體濃度遠高于普通循環(huán)流化床反應(yīng)器，固體廢棄物的氣化產(chǎn)物被載氧體連續(xù)快速氧化，從而提高了氣化反應(yīng)速率，促進了固體廢棄物的氣化反應(yīng)。3、打破傳統(tǒng)CLC系統(tǒng)采用流化床作為空氣反應(yīng)器的思路，采用錯流移動床作為空氣反應(yīng)器，失氧載氧體與空氣在其中錯流混合反應(yīng)。4、由于空氣反應(yīng)器采用特殊的錯流移動床設(shè)計，載氧體顆粒在錯流移動床內(nèi)快速通過。即使載氧體內(nèi)混入少量含碳灰塵，由于反應(yīng)時間短、顆粒較大、接觸面積小，不易發(fā)生燒結(jié)，降低了含碳灰塵在空氣反應(yīng)器中燃燒引起的燒結(jié)風(fēng)險；和流化床空氣反應(yīng)器相比， 錯流移動床空氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。5、本發(fā)明在循環(huán)流化床上部采用120°的彎頭與一級慣性分離器上部相連，遵循了顆粒運動的流體動力學(xué)特征，與常規(guī)的直角連接方式相比，減少了顆粒對連接處的磨損， 提聞了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。



圖I是本發(fā)明的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2裝置中空氣反應(yīng)器結(jié)構(gòu)放大示意圖。以上圖中有循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器1，一級慣性分離器2，一級慣性分離器出口 3，一級料腿4，新鮮載氧體顆粒給料器5，錯流移動床空氣反應(yīng)器6，導(dǎo)流板7，J形返料閥8， 一級返料入口閥門9，二級旋風(fēng)分離器出口 10，二級旋風(fēng)分離器11，二級料腿12，二級返料入口閥門13，空氣進出口孔板14?？扇脊腆w廢棄物入口 A，煤顆粒入口 B，失活載氧體顆粒排料器C，反應(yīng)器氣化劑 (水蒸氣)入口 D，反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口 E，空氣入口 F，空氣反應(yīng)器排氣口 G。
具體實施例方式以下參照圖I來詳細說明本發(fā)明的煤和可燃固體廢棄物循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的方法，載氧體以鐵礦石(主要成分為Fe2O3)為例。I)循環(huán)流化床固廢反應(yīng)器(以下或簡稱燃料反應(yīng)器)1底部布置的布風(fēng)板為氣化劑入口，左下側(cè)有兩個入口，上面為可燃固體廢棄物入口 A，下面為煤顆粒入口 B。右側(cè)為一級返料入口。水蒸氣和CO2混合物作為氣化劑和流化介質(zhì)，分別從燃料反應(yīng)器I底部的反應(yīng)器氣化劑(水蒸氣)入口 D和反應(yīng)器氣化劑(CO2)入口 E進入，攜帶從可燃固體廢棄物入口 A 進入的可燃固體廢棄物顆粒和從煤顆粒入口 B進入的煤顆粒、從一級返料入口進入的返料向上運動。在這個過程中，氣化劑與可燃固體廢棄物顆粒以及煤顆粒發(fā)生氣化反應(yīng)，生成可燃氣體，主要成分為CO和H2?？扇細怏w與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，載氧體中的氧傳遞給可燃氣體，使得CO被氧化成C02，H2被氧化成H2O (氣體)，而載氧體失去部分氧生成氧化亞鐵或四氧化三鐵。載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗CO和H2,也促進了煤和可燃固體廢棄物的氣化反應(yīng)。2 )反應(yīng)后的固體顆粒(失氧載氧體顆粒和含碳灰塵)被煙氣帶出，進入與燃料反應(yīng)器出口相連的一級慣性分離器2，大部分失氧載氧體顆粒被分離下來進入與一級料腿4相連的錯流移動床空氣反應(yīng)器(以下或簡稱空氣反應(yīng)器)6，而含碳灰塵和少量失氧載氧體細顆粒則隨煙氣從一級慣性分離器出口 3進入二級旋風(fēng)分離器11。3)在空氣反應(yīng)器6內(nèi)，一級慣性分離器2分離出的失氧載氧體進行載氧反應(yīng)。失氧載氧體從空氣反應(yīng)器6的頂部進入，空氣從空氣入口 F經(jīng)過空氣進出口孔板14后均勻進入，兩者錯流接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，失氧載氧體被空氣氧化再生，而反應(yīng)后的尾氣從空氣反應(yīng)器排氣口 G排出。再生后的載氧體經(jīng)過J形返料閥8和一級返料入口閥門9，回到燃料反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)。物料在燃料反應(yīng)器I- 一級慣性分離器2-空氣反應(yīng)器6-燃料反應(yīng)器 I之間的循環(huán)運動構(gòu)成了一級返料循環(huán)。當(dāng)載氧體載氧能力明顯下降時，從新鮮載氧體顆粒給料器5補充相應(yīng)的新鮮載氧體，同時，永久失活的載氧體從失活載氧體顆粒排料器C排出。4)攜帶含碳灰塵和少量失氧載氧體細顆粒的煙氣在二級旋風(fēng)分離器11內(nèi)發(fā)生二次分離。分離下來的固體顆粒進入二級料腿12，經(jīng)過二級返料入口閥門13返回至一級料腿4繼續(xù)反應(yīng)。物料在燃料反應(yīng)器I- 一級慣性分離器2- 二級旋風(fēng)分離器11-空氣反應(yīng)器 6-燃料反應(yīng)器I-之間的循環(huán)運動構(gòu)成了二級返料循環(huán)。CO2和H2O (氣體)的氣體混合物從二級旋風(fēng)分離器出口 10排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得高純度的C02。權(quán)利要求
1.一種煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；其特征在于，燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I);分離系統(tǒng)包括一級慣性分離器(2)、一級慣性分離器出口(3)、一級料腿(4)、二級旋風(fēng)分離器(11)、二級旋風(fēng)分離器出口(10)和二級料腿(12);載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯流移動床空氣反應(yīng)器(6 )、新鮮載氧體顆粒給料器(5 )、J形返料閥(8 )和失活載氧體顆粒排料器(C ); 循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的上部接一級慣性分離器(2)的上部，一級慣性分離器(2)的下部接一級料腿(4)，一級慣性分離器(2)的頂部通過一級慣性分離器出口(3)接二級旋風(fēng)分離器(11)的上部，二級旋風(fēng)分離器(11)的下部通過二級料腿(12)接一級料腿(4)的中部，一級料腿(4)的下部出口位于錯流移動床空氣反應(yīng)器(6)中，錯流移動床空氣反應(yīng)器(6 )的下部通過J形返料閥(8 )接循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的下部，失活載氧體顆粒排料器(C)、反應(yīng)器氣化劑入口(D)和反應(yīng)器氣化劑入口(E)位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的最底部；可燃固體廢棄物入口(A)，煤顆粒入口(B)位于循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的下部的壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置，其特征在于循環(huán)流化床上部通過120°角的彎頭與一級慣性分離器上部相連；與一級慣性分離器(2 )連接的一級料腿(4)的直徑是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)直徑的兩倍，而二級旋風(fēng)分離器(11)連接的二級料腿(12)的直徑則是循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)直徑二分之一；錯流移動床空氣反應(yīng)器(6)中采用多孔板作為氣體分布器，出口布置有截面為等邊三角形的導(dǎo)流板。
3.—種如權(quán)利要求I所述的煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置分離CO2的方法，其特征在于固體廢棄物和煤顆粒從循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)的下部進入，氣化反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣攜帶的失氧載氧體和含碳灰塵經(jīng)一級慣性分離器(2)分離后進入錯流移動床空氣反應(yīng)器(6)，再生后的載氧體回到燃料反應(yīng)器(I)繼續(xù)反應(yīng)，重復(fù)以上過程；一級慣性分離器(2)分離出來的含碳灰塵和少量失氧載氧體細顆粒隨煙氣進入二級旋風(fēng)分離器(11)進行二次分離，分離下來的固體顆粒返回至空氣反應(yīng)器(6)繼續(xù)反應(yīng)；二級旋風(fēng)分離器(11)分離出最終產(chǎn)物CO2和H2O排出，經(jīng)冷凝剔除水蒸氣，獲得高純度的CO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述分離CO2的方法，其特征在于所述的循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(I)內(nèi)采用壓力O. IMPa,顆粒通量5 O 100 kg/m2s的常壓高通量，或壓力>0. IMPa，顆粒通量>200kg/m2s的加壓高通量兩種操作方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤和可燃固廢循環(huán)流化床化學(xué)鏈燃燒分離CO2的裝置和方法，主要包括燃燒反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和載氧反應(yīng)系統(tǒng)三大部分；其特征在于，燃燒反應(yīng)系統(tǒng)為循環(huán)流化床燃料反應(yīng)器(1)；分離系統(tǒng)包括一級慣性分離器(2)、一級慣性分離器出口(3)、一級料腿(4)、二級旋風(fēng)分離器(11)、二級旋風(fēng)分離器出口(10)和二級料腿(12)；載氧反應(yīng)系統(tǒng)包括錯流移動床空氣反應(yīng)器(6)、新鮮載氧體顆粒給料器(5)、J形返料閥(8)和失活載氧體顆粒排料器(C)；該方法能使二者反應(yīng)速率相匹配，達到燃燒效率高、載氧體的載氧能力強、分離出的CO2濃度高及CO2最終捕集率高等效果。
文檔編號F23C10/18GK102705822SQ20121015484
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者邵應(yīng)娟, 金保昇, 鐘文琪, 陳曦, 黃亞繼 申請人:東南大學(xué)