本發(fā)明涉及一種耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法，屬于燃料的清潔燃燒和高效利用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自工業(yè)革命以來，化石燃料的大量使用導致co2排放量急劇增加，溫室效應不斷加強，高溫、冰川融化等各種極端自然現(xiàn)象給世界造成了巨大的損失?；瘜W鏈燃燒(chemicalloopingcombustion，簡稱clc)作為一種新型的無焰燃燒技術(shù)，具有在燃燒過程中自動分離co2的天然優(yōu)勢，是目前國際公認的具有重要前景的co2減排技術(shù)之一。該技術(shù)的原理是將傳統(tǒng)的燃料與空氣直接接觸的燃燒反應分解成兩個反應，借助載氧體的循環(huán)作用在兩個反應器(燃料反應器和空氣反應器)內(nèi)實現(xiàn)。在燃料反應器中，燃料被載氧體氧化生成co2和水蒸氣；在空氣反應器中，失氧載氧體與空氣發(fā)生載氧再生反應得到新鮮載氧體。由于燃料反應器中燃料與載氧體接觸反應，燃燒產(chǎn)物未被空氣中的n2稀釋，通過簡單的冷凝即可得到高純度的co2，從而實現(xiàn)高效低成本的co2分離。

目前，國內(nèi)外研究學者已經(jīng)對化學鏈燃燒開展了廣泛的研究，其中對于氣體燃料clc的研究已經(jīng)比較成熟，但對固體燃料clc的研究尚處于探索階段，其中系統(tǒng)氣固流動機制存在以下難題：

1、多動力源雙流化床串行反應器運行可控性差以及流動與反應的關(guān)聯(lián)耦合差。目前絕大多數(shù)的固體燃料化學鏈燃燒系統(tǒng)都選用了多動力源雙流化床串行結(jié)構(gòu)(即燃料反應器和空氣反應器均為流化床)，通過利用流化床反應器良好的氣固混合接觸特性，從而有效地提升兩反應器的反應性能。然而，這種氣固流動機制通常要求形成兩套獨立的顆粒動力系統(tǒng)(燃料反應器動力系統(tǒng)和空氣反應器動力系統(tǒng))，彼此之間再通過返料實現(xiàn)載氧體顆粒的交換循環(huán)，整個系統(tǒng)運行過程繁瑣、操作復雜程度較高、可控性較差，進而造成氣固流動與反應的穩(wěn)定性以及耦合性不夠理想。

2、單動力源循環(huán)流化床/移動床反應器熱功率規(guī)模受限，載氧效果不理想以及反應器間氣體串混嚴重。一部分的固體燃料化學鏈燃燒裝置采用了單動力源循環(huán)流化床/移動床反應器單環(huán)串行結(jié)構(gòu)(即燃料反應器為循環(huán)流化床，空氣反應器為移動床)，此種結(jié)構(gòu)下移動床安置于循環(huán)流化床的下降管段，由此整個系統(tǒng)顆粒循環(huán)的動力僅來源于循環(huán)流化床，從而大大提升了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡潔性與運行的可控性，并且有效提升了氣固流動與反應的穩(wěn)定性以及耦合性。然而，此種氣固流動機制也存在許多不足，(1)移動床的氣體處理能力不足，從而導致單位截面積所允許的空氣進氣量以及系統(tǒng)的輸入熱功率大幅受限，或者相同氣量下反應器的截面積過大，這兩點情況均會造成反應器放大困難；(2)載氧過程中載氧體與空氣的接觸并不完全均勻充分，由此為了保證載氧體的再生效率會造成較高的氧氣逃逸率；(3)由于兩反應器直接相連通，難免存在兩反應器間的氣體泄漏與串混，造成co2捕集濃度與捕集效率在一定程度上的降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于提供一種耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法，克服已有的clc分離co2方法所面臨的多動力源雙流化床串行反應器運行可控性差、流動與反應的關(guān)聯(lián)耦合差，以及單動力源循環(huán)流化床/移動床反應器熱功率規(guī)模受限、載氧效果不理想、反應器間氣體串混嚴重的問題，達到空氣反應器與燃料反應器耦合程度高、系統(tǒng)運行可控性好、系統(tǒng)熱功率規(guī)模增加以及載氧再生效率高等有益效果。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法具體為：

在多級塔式逆流移動床空氣反應器中，一級慣性分離器分離下來的失氧的載氧體顆粒從上部進入多級塔式逆流移動床空氣反應器發(fā)生載氧反應，再生完成后從該反應器下部離開，通過一級返料器再進入燃料反應器；空氣從管式進風器入口進入，通過水平圓管下側(cè)面均勻分布的小孔進入空氣反應器內(nèi)部，空氣繞流過水平圓管向上運動，與向下運動的載氧體顆粒形成逆流接觸，發(fā)生氧化還原反應；反應后的貧氧空氣進入防堵塞噴嘴，接著從管式排風器出口離開；載氧體顆粒在自上而下平穩(wěn)流動的過程中，在各級管式排風器和管式進風器之間發(fā)生均勻載氧反應，從而實現(xiàn)載氧體顆粒的高效再生。

其中，

所述的多級塔式逆流移動床空氣反應器中，采用管式進風器和管式排風器交錯布置進行多級布風，載氧體顆粒在每級內(nèi)與空氣逆流接觸反應，與常規(guī)的移動床空氣反應器相比，載氧效率高，氣體處理能力大，系統(tǒng)熱功率規(guī)模顯著提升。

所述的空氣在各級管式進風器的風量采用上低下高的非均勻分配方式，調(diào)節(jié)各級風量即可實現(xiàn)系統(tǒng)熱功率的靈活調(diào)節(jié)，同時，結(jié)合各級管式排風器出口合理的背壓調(diào)節(jié)，可以充分抑制空氣反應器和一級慣性分離器之間的串氣以及空氣反應器內(nèi)部級間串氣，實現(xiàn)高co2捕集效率、高載氧再生效率以及低氧氣逃逸率。

所述的空氣是從管式進風器下側(cè)面的小孔進入多級塔式逆流移動床空氣反應器內(nèi)部，此區(qū)域為載氧體顆粒自上而下流動時的“盲區(qū)”，有效防止氣體夾帶顆粒堵塞小孔。

空氣是從管式排風器下側(cè)面的防堵塞噴嘴離開多級塔式逆流移動床空氣反應器內(nèi)部，防止氣體夾帶顆粒堵塞防堵塞噴嘴。

殘?zhí)款w粒d經(jīng)一級慣性分離器分離后送到二級旋風分離器，再由二級返料器送回燃料反應器。

有益效果：與現(xiàn)有的常規(guī)固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法相比，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點：

1、本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法中，多級塔式逆流移動床空氣反應器置于循環(huán)流化床燃料反應器的返料管中部，由此整個系統(tǒng)顆粒循環(huán)的動力僅來源于循環(huán)流化床。與常見的利用多動力源雙流化床反應器串行裝置分離co2相比，顆粒循環(huán)穩(wěn)定性高，兩反應器氣固流動與反應耦合性高，系統(tǒng)運行簡潔以及操作可控性強。

2、本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法中，多級塔式逆流移動床空氣反應器內(nèi)采用多級布風方式，與傳統(tǒng)移動床內(nèi)單級布風相比，此空氣反應器的氣體處理能力大幅提升，載氧體從空氣反應器輸運到燃料反應器中的氧量顯著增加，由此可以有效提升系統(tǒng)的熱功率規(guī)模并減小設備尺寸；可以實現(xiàn)載氧體的分級載氧，使得載氧過程更加均勻充分，從而能夠保證較高的載氧體再生效率并降低氧氣的逃逸率；可以適當降低每層的進風量，由此能夠允許選用較小粒徑的載氧體以增加其反應比表面積，從而進一步提升空氣反應器內(nèi)載氧體的再生效率，同時也能夠提升燃料反應器的反應效率并降低燃料反應器內(nèi)顆粒循環(huán)所需的流化氣量，從而可以在節(jié)約運行成本的同時獲得更高的co2捕集效率和燃料轉(zhuǎn)化率。

3、本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法中，多級塔式逆流移動床空氣反應器內(nèi)采用風量上低下高的非均勻分配方式，可以實現(xiàn)風量與熱功率的靈活調(diào)節(jié)；結(jié)合合理的反應器背壓調(diào)節(jié)，可以有效減免空氣反應器與燃料反應器因上部相互連通而產(chǎn)生的串氣，實現(xiàn)理想的co2捕集濃度與捕集效率。

4、本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法中，多級塔式逆流移動床空氣反應器內(nèi)采用多孔進風和排風，可以實現(xiàn)顆粒流動的穩(wěn)定性和載氧再生的均勻性。氣體分別是從進風器和排風器下側(cè)面的小孔和防堵塞噴嘴進入和離開空氣反應器內(nèi)部，此區(qū)域為顆粒自上而下流動時的“盲區(qū)”，有效防止氣體夾帶顆粒堵塞小孔和噴嘴。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法的示意圖，其中包括：燃料反應器1，一級慣性分離器2，多級塔式逆流移動床空氣反應器3，管式排風器,4，防堵塞噴嘴5，管式進風器6，小孔7，一級返料器8，二級旋風分離器9，二級返料器10，氣化劑a，固體燃料b，載氧體顆粒c，殘?zhí)款w粒d，空氣e，貧氧空氣f，燃燒氣體產(chǎn)物g。

具體實施方式

流程可簡述為：

在燃料反應器中，氣化劑、固體燃料和載氧體顆粒分別從燃料反應器底部和側(cè)面的入口進入，氣化劑(同時作為流化介質(zhì))攜帶固體燃料和載氧體向上運動，在這個過程中，氣化劑與固體燃料發(fā)生氣化反應生成co、h2和ch4等可燃成分，載氧體與可燃成分發(fā)生氧化還原反應生成co2和h2o。燃料反應器出口煙氣攜帶失氧載氧體和細殘?zhí)款w粒進入一級慣性分離器發(fā)生分離，分離下來的失氧載氧體進入多級塔式逆流移動床空氣反應器?？諝鈴墓苁竭M風器入口進入，通過水平圓管下側(cè)面均勻分布的小孔進入反應器內(nèi)部，氣體繞流過水平圓管向上運動，與向下運動的載氧體顆粒形成逆流接觸，實現(xiàn)分級均勻載氧。反應后的貧氧空氣進入防堵塞噴嘴，從管式排風器出口離開反應器，反應后的再生載氧體則經(jīng)由一級返料器進入燃料反應器中發(fā)生反應。一級慣性分離器分離下來的煙氣和細殘?zhí)款w粒進入二級旋風分離器發(fā)生二次分離，分離出來的細殘?zhí)款w粒經(jīng)二級返料器返回燃料反應器進行二次反應。從二級旋風分離器出來的煙氣(由co2和水蒸氣組成)從旋風分離器出口離開，經(jīng)冷凝即可獲得高純度的co2。

以下參照圖1來詳細說明本發(fā)明的耦合多級逆流載氧的固體燃料化學鏈燃燒分離co2方法。

1)在燃料反應器中，氣化劑a從床體底部進入，固體燃料b和載氧體顆粒c從床體側(cè)面進入，氣化劑a(同時充當流化介質(zhì))攜帶固體燃料b和載氧體顆粒c向上運動。在這個過程中，氣化劑a與固體燃料b發(fā)生氣化反應生成co、h2和ch4等可燃成分，可燃成分與載氧體顆粒c發(fā)生氧化還原反應生成co2和h2o。

2)燃料反應器1出口煙氣攜帶失氧載氧體顆粒c和細殘?zhí)款w粒d，進入與燃料反應器1相連的一級慣性分離器2發(fā)生分離，分離下來的失氧載氧體c進入多級塔式逆流移動床空氣反應器3，而細殘?zhí)款w粒d則隨煙氣進入二級旋風分離器9。

3)一級慣性分離器2分離下來的失氧載氧體c，從上部進入多級塔式逆流移動床空氣反應器3，空氣e則從管式進風器6入口進入反應器內(nèi)部。由于空氣反應器3本體呈上窄下寬的塔式結(jié)構(gòu)，因此各級氣量呈上低下高的非均勻分配方式，同時各級進氣量可根據(jù)系統(tǒng)熱功率要求靈活調(diào)節(jié)。空氣e進入管式進風器6后，通過水平圓管下側(cè)面均勻分布的小孔7進入空氣反應器3內(nèi)部，空氣e繞流過水平圓管向上運動，與向下運動的載氧體顆粒c形成逆流接觸，發(fā)生氧化還原反應。反應后的貧氧空氣f進入防堵塞噴嘴5，接著從管式排風器4出口離開空氣反應器3。載氧體顆粒c在自上而下平穩(wěn)流動的過程中，在各級管式排風器4和管式進風器6之間獲得分級均勻載氧再生，再生載氧體顆粒c經(jīng)由一級返料器8進入燃料反應器1中發(fā)生反應。物料在燃料反應器1-一級慣性分離器2-多級塔式逆流移動床空氣反應器3-一級返料器8-燃料反應器1之間循環(huán)運動，構(gòu)成一級返料循環(huán)。

4)煙氣攜帶一級慣性分離器2分離下來的細殘?zhí)款w粒d進入二級旋風分離器9發(fā)生二次分離，分離出來的細殘?zhí)款w粒d經(jīng)二級返料器10返回燃料反應器1進行二次反應。物料在燃料反應器1-一級慣性分離器2-二級旋風分離器9-二級返料器10-燃料反應器1之間運動，構(gòu)成二級返料循環(huán)。燃燒氣體產(chǎn)物g從二級旋風分離器9出口排出，經(jīng)冷凝即可獲得高純度的co2。