載氧體載氧氣化燃燒方法及其裝置的製作方法

2023-12-08 23:39:21 2

專利名稱：載氧體載氧氣化燃燒方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用載氧體將煤/天然焦/石油焦進行類似於水蒸氣氣化和純 氧燃燒的過程，實現燃燒過程中進行二氧化碳分離的方法和裝置，尤其涉及一種 載氧體載氧氣化燃燒方法及其裝置。
背景技術：
能源利用的可持續發展策略之一，實現能源的高效清潔利用。煤、天然焦以 及石油焦等作為能源，在燃燒過程中，減少二氧化碳的排放，實現高效清潔利用 是今後發展方向。常規空氣直接燃燒，除了伴有氮氧化物生成，煙氣中二氧化碳 脫除消耗能量大；通過煤氣化再進行二氧化碳分離和燃燒的方法，也需要消耗制 氧和分離二氧化碳的能量消耗。此方法如用於發電，消耗的能量可佔廠用電率 10%以上，嚴重影響能量利用效率。發明內容本發明提供一種能夠分離得到二氧化碳的載氧體載氧氣化燃燒方法及其裝 置，由本發明將煤/天然焦/石油焦進行能量轉換的同時能有效分離二氧化碳，具 有不需消耗額外的能量消耗且利於環保的優點。本發明的方法技術方案如下一種載氧體載氧氣化燃燒方法，將作為載氧體的低價態金屬氧化物或金屬單 質置於空氣反應器流化床內，從空氣反應器流化床的下端通入流化空氣，低價態 金屬氧化物或金屬單質載氧體與空氣中的氧氣反應後得到被升溫的高價態金屬 氧化物，再使其經兩級分離器分離；分離後的高溫貧氧空氣從分離器的上端排出， 分離後的載氧體，經過返料腿，進入燃料反應器流化床的下部混合氣化室；燃料 反應器流化床的下端通入氣化介質蒸汽，在混合氣化室中，由載氧體提供煤、天 然焦或石油焦與水蒸氣氣化的熱量，氣化後的合成氣與載氧體發生還原反應，將 高價態的金屬氧化物還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，在燃料反應器流化 床上部提升管內充分反應，然後進入分離器，分離後的潔淨二氧化碳水蒸氣混合 氣從該分離器上端排出，凝結出水後得到純淨的二氧化碳；分離後的載氧體和殘 碳混合固體物經載氧體循環料腿進入空氣反應器流化床，將載氧體再生，實現載氧。本發明的裝置技術方案如下一種用於實施權利要求1所述載氧體方法的裝置，由空氣反應器流化床、載 氧載熱返料管、載氧體再生分離器、載氧體再生返料管和燃料反應器流化床組成， 空氣反應器流化床的上端連接有貧氧空氣分離器，貧氧空氣分離器下端排料口與 載氧載熱返料管的一端相連，載氧載熱返料管的另一端與燃料反應器流化床的下 端相連，燃料反應器流化床的上端與載氧體再生分離器的上端相連，載氧體再生 分離器下端與載氧體再生返料管的一端相連，載氧體再生返料管的另一端與空氣 反應器流化床的下部相連。與現有技術相比，本發明具有如下優點(1) 在空氣反應器循環流化床內，載氧體(如低價態氧化鐵、鎳、銅、鋅等)與空氣中的氧氣發生栽氧反應-2M + 02 — 2MO +放熱2i^A + 6>2 — 2i^C^+, +放熱20/ + 6>2 — 2CwO +放熱2Zw+6>2 —2ZwO +放熱反應生成的載氧體(如高價態氧化鐵、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅等)，經兩級 分離器分離後，進入料腿，與燃料一起，進入燃料反應器流化床下部氣化室，在 氣化室，燃料與水蒸氣發生氣化反應，生成合成氣。同時載氧體(簡化為M^A)釋放出氧，與合成氣或燃料發生還原反應，生成二氧化碳 //20+C — 4/f2 +09 +吸熱— C6>2 + MexOy +吸熱M^C^+A ~> /f2C> + Me"y +吸熱2Me,C^+C 4 C02 + 2M^O少+吸熱產生的煙氣，經過兩組旋風分離器，排出煙氣，煙氣經能量回收冷凝即為純淨的 二氧化碳，分離器將分離出固體物料分為兩股。其中一股固體物料經料腿進入空 氣反應器流化床，進行氧化再生反應，完成載氧再生過程；另一股進入燃料反應 器流化床，進行氣化和還原反應，提高碳的轉化率。(2) 本發明採用了兩組煙氣分離器，可以將燃料反應器流化床分離器的固 體物料分離分為兩股，通過連接管道，將固體物料分別送入空氣反應器流化床和 燃料反應器流化床。空氣反應器流化床運行溫度可控制在800'C 125(TC左右， 剩餘熱量可以通過鋪設受熱面或加大空氣流量予以控制；燃料反應器流化床下部 混合氣化室溫度控制在80(TC 120(TC左右，上部提升管溫度可以稍低在500 。C 90(TC範圍內運行。(3) 本發明通過金屬氧化物作為載氧體，與水蒸氣、煤/天然焦/石油焦在900'C 125(TC的條件下，進行氣化與燃燒，與採用純氧燃燒方式具有相同的煙 氣成分(即得到只含二氧化碳和水蒸氣的煙氣)，但是無需製取純氧的能量消耗 (通常對於發電來說，其制氧能量消耗佔廠用電10%以上)，而且沒有NOx生成， 能量轉換過程中對外排放能得到有效的控制。


圖i是本發明實施例結構示意圖，圖中H為貧氧空氣出口， ii和n為二氧化碳水蒸氣出口， B為補充載氧體入口， F為燃料入口。 圖2是本發明實施例的一種利用方案。
具體實施方式
實施例l一種載氧體載氧氣化燃燒方法，將作為載氧體的低價態金屬氧化物或金屬單 質置於空氣反應器流化床內，作為載氧體的金屬氧化物是Fe203、 FeO、 Fe304、 CuO、 Cu20、 NiO、 ZnO，作為載氧體的金屬單質是Fe、 Cu、 Zn、 Ni。然後從空氣反應器 流化床的下端C通入流化空氣，低價態金屬氧化物或金屬單質載氧體與空氣中的 氧氣反應後得到被升溫的高價態金屬氧化物，再使其經兩級分離器分離；分離後 的高溫貧氧空氣從分離器的上端H排出，分離後的載氧體，經過返料腿，進入燃 料反應器流化床的下部混合氣化室；燃料反應器流化床的下端E通入氣化介質蒸 汽，在混合氣化室中，由載氧體提供煤、天然焦或石油焦與水蒸氣氣化的熱量， 氣化後的合成氣與載氧體發生還原反應，將高價態的金屬氧化物還原為低價態的 金屬氧化物或金屬單質，在燃料反應器流化床上部提升管內充分反應，然後進入 分離器，分離後的潔淨二氧化碳水蒸氣混合氣從該分離器上端I1排出，凝結出 水後得到純淨的二氧化碳；分離後的載氧體和殘碳混合固體物經載氧體循環料腿 4進入空氣反應器流化床，將載氧體再生，實現載氧。高價態的金屬氧化物還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，在燃料反應器 流化床上部提升管內充分反應之後，部分進入另一分離器，分離後的潔淨二氧化 碳水蒸氣混合氣從該分離器上端12排出，經該分離器分離後的載氧體和殘碳混 合固體物經過殘碳循環料腿5 — 4，再返回進入燃料反應器流化床下部的氣化反 應室，提高碳燃燼率。下面進行進一步的詳細說明將作為載氧體的低價態金屬氧化物或金屬單質 置於空氣反應器流化床內，從空氣反應器流化床的下部通入流化空氣，空氣反應 器流化床運行溫度可控制在800'C 125(TC左右，此時，低價態金屬氧化物或金 屬單質載氧體與空氣中的氧氣反應後得到高價態金屬氧化物，再使經兩級分離器，分離後的高溫潔淨欠氧空氣可以做功發電或餘熱利用；分離後的載氧體，經 過返料腿，進入燃料反應器流化床的下部混合氣化室，高溫載氧體提供煤/天然 焦/石油焦與水蒸氣氣化的熱量，混合氣化室溫度控制在800'C 120(TC左右；此時，煤/天然焦/石油焦與水蒸氣發生氣化反應，氣化後的合成氣與載氧體可在 氣化室發生還原反應，將高價態的金屬氧化物還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，在流化床提升管內充分反應，提升管溫度可以稍低在50(TC 90(TC範圍 內運行；此後，煙氣進入兩組兩級分離器，分離後的潔淨二氧化碳水蒸氣混合氣， 經做功發電或餘熱利用，凝結出水後得到純淨的二氧化碳；其中一組分離後的載 氧體(含有未反應完的殘碳)經過料腿，再返回進入燃料反應器流化床下部的氣 化反應室，提高碳燃燼率；另一組分離後的載氧體經料腿進入空氣反應器流化床， 將載氧體再生，實現載氧。燃料反應器流化床內反應生成物低價態金屬氧化物或 金屬單質，通過兩組燃料反應器流化床分離器，將低價態金屬氧化物或金屬單質 載氧體分為兩股，其中一股還原態載氧體(含有未反應完的殘碳)經料腿返回進 入燃料反應器流化床下部氣化室，進一步提高碳的轉化率，提高燃燼率；另一股 還原態載氧體(含有未反應完的殘碳)經料腿進入空氣反應器流化床，將還原態 載氧體氧化為氧化態載氧體，並提高溫度，經過空氣反應器流化床分離器，再作 為載氧載熱體進入到燃料反應器流化床下部的氣化室。實施例一種用於實施所述載氧體方法的裝置，由空氣反應器流化床1、載氧載 熱返料管2、載氧體再生分離器3、載氧體再生返料管4和燃料反應器流化床5 組成，空氣反應器流化床1的上端連接有貧氧空氣分離器l一l,貧氧空氣分離 器l一l下端排料口與載氧載熱返料管2的一端相連，載氧載熱返料管2的另一 端與燃料反應器流化床5的下端相連，燃料反應器流化床5的上端與載氧體再生 分離器3的上端相連，載氧體再生分離器3下端與載氧體再生返料管4的一端相 連，載氧體再生返料管4的另一端與空氣反應器流化床1的下部相連。在空氣反 應器循環流化床1的下端設有載氧體補充口 B。燃料反應器循環流化床5由提升 管式、混合氣化反應室5—3和過渡段5—2組成，提升管式通過過渡段5—2與 混合氣化反應室5 _ 3連接。 一級貧氧空氣分離器1 一 1的上部出口連通有二級貧 氧空氣分離器1一2， 二級貧氧空氣分離器1一2上端設貧氧空氣出口 H， 一級貧 氧空氣分離器l一l下端連接有載氧體返料腿l一3， 二級貧氧空氣分離器l一2 的下部和載氧體返料腿l一3相通，載氧體返料腿l一3的下端連接有移動床l一 4，移動床l一4下端設有流化風進口 A，移動床l一4下部設有物料出口且將該 物料出口作為貧氧空氣分離器l一l的下端排料口使用。在燃料反應器流化床5的上端還連接有殘碳分離器，該殘碳分離器由一級煙氣殘碳分離器5 — 1和二級 煙氣殘碳分離器5—5， 一級煙氣殘碳分離器5_1下端連接有殘碳返料腿5—6， 殘碳返料腿5—6和二級煙氣殘碳分離器5 — 5出口相通，殘碳返料腿5—6下端 與移動床5 — 7相連，移動床5 — 7下端設有流化風進口 G，移動床5—7下部設 有物料出口，通過循環返料管5—4與反應器流化床5的下部連通。載氧體再生 分離器3由一級煙氣載氧體再生分離器3 — 1和二級煙氣載氧體再生分離器3—2 組成， 一級煙氣載氧體再生分離器3—1和二級煙氣載氧體再生分離器3—2出口 相通， 一級煙氣載氧體再生分離器3 — 1的出口連接有載氧體再生返料腿，載氧 體再生返料腿3的下端連接有移動床3—3，移動床3—3下端設有流化風進口 D， 移動床3 — 3下部設有物料出口且該物料出口與載氧體再生返料管4的一端相連。實施例3一種利用本發明實現在煤/天然焦/石油焦燃燒過程中進行二氧化碳分離的方法，S卩用煤/天然焦/石油焦進行潔淨髮電，同時實現二氧化碳的分離。參照圖2，空氣經過壓氣機8壓縮後，變為高壓空氣，進入實施例1的空氣反應器流化床，經過與還原態載氧體反應，得到高溫高壓貧氧空氣經空氣反應器載氧體分離器分離，高壓貧氧空氣進入透平7膨脹做功，帶動發電機6發電，透平7排氣 再進入餘熱回收發電系統9產生電力或蒸汽。經空氣反應器載氧體分離器分離的 載氧體進入燃料反應器流化床，與餘熱回收發電系統9或12產生的蒸汽E以及 煤/天然焦/石油焦F氣化和燃燒，生成高溫煙氣，高溫煙氣要求經過兩組燃料反 應器分離器分離，煙氣經過透平10膨脹做功，帶動發電機ll發電，透平10排 氣再進入餘熱回收發電系統12產生電力或蒸汽，餘熱回收發電系統12尾氣K 經過冷凝即為純淨的二氧化碳。經燃料反應器分離器分離的載氧體分為兩股，一 股返回燃料反應器流化床，參與氣化和燃燒反應，另一股進入空氣反應器流化床 實現載氧體的載氧。
權利要求
1.一種載氧體載氧氣化燃燒方法，其特徵在於將作為載氧體的低價態金屬氧化物或金屬單質置於空氣反應器流化床內，從空氣反應器流化床的下端(C)通入流化空氣，低價態金屬氧化物或金屬單質載氧體與空氣中的氧氣反應後得到被升溫的高價態金屬氧化物，再使其經兩級分離器分離；分離後的高溫貧氧空氣從分離器的上端(H)排出，分離後的載氧體，經過返料腿，進入燃料反應器流化床的下部混合氣化室；燃料反應器流化床的下端(E)通入氣化介質蒸汽，在混合氣化室中，由載氧體提供煤、天然焦或石油焦與水蒸氣氣化的熱量，氣化後的合成氣與載氧體發生還原反應，將高價態的金屬氧化物還原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，在燃料反應器流化床上部提升管內充分反應，然後進入分離器，分離後的潔淨二氧化碳水蒸氣混合氣從該分離器上端(I1)排出，凝結出水後得到純淨的二氧化碳；分離後的載氧體和殘碳混合固體物經載氧體循環料腿(4)進入空氣反應器流化床，將載氧體再生，實現載氧。
2. 根據權利要求1所述的載氧體載氧氣化燃燒方法，其特徵在於作為載氧 體的金屬氧化物是Fe203、 Fe0、 Fe304、 Cu0、 Cu20、 Ni0、 Zn0，作為載氧體的金屬 單質是Fe、 Cu、 Zn、 Ni。
3. 根據權利要求1所述的載氧體方法，其特徵在於高價態的金屬氧化物還 原為低價態的金屬氧化物或金屬單質，在燃料反應器流化床上部提升管內充分反 應之後，部分進入另一分離器，分離後的潔淨二氧化碳水蒸氣混合氣從該分離器 上端(12)排出，經該分離器分離後的載氧體和殘碳混合固體物經過殘碳循環料 腿(5—4)，再返回進入燃料反應器流化床下部的氣化反應室，提高碳燃輝率。
4. 一種用於實施權利要求1所述載氧體方法的裝置，其特徵在於由空氣反 應器流化床(1)、載氧載熱返料管(2)、載氧體再生分離器(3)、載氧體再 生返料管(4)和燃料反應器流化床(5)組成，空氣反應器流化床(1)的上端 連接有貧氧空氣分離器(l一l)，貧氧空氣分離器(l一l)下端排料口與載氧載 熱返料管(2)的一端相連，載氧載熱返料管(2)的另一端與燃料反應器流化床(5)的下端相連，燃料反應器流化床(5)的上端與載氧體再生分離器(3)的 上端相連，載氧體再生分離器(3)下端與載氧體再生返料管(4)的一端相連， 載氧體再生返料管(4)的另一端與空氣反應器流化床(1)的下部相連。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於在空氣反應器循環流化床(1) 的下端設有載氧體補充口 (B)。
6. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於在燃料反應器循環流化床(5) 由提升管式、混合氣化反應室(5—3)和過渡段(5—2)組成，提升管式通過過渡段(5 — 2)與混合氣化反應室(5 — 3)連接。
7. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於一級貧氧空氣分離器(l一l) 的上部出口連通有二級貧氧空氣分離器(l一2) ， 二級貧氧空氣分離器(l一2) 上端設貧氧空氣出口 (H)， 一級貧氧空氣分離器(l一l)下端連接有載氧體返 料腿(1一3) ， 二級貧氧空氣分離器(l一2)的下部和載氧體返料腿(l一3)相 通，載氧體返料腿(1一3)的下端連接有移動床(l一4)，移動床(l一4)下端 設有流化風進口 (A)，移動床(l一4)下部設有物料出口且將該物料出口作為 貧氧空氣分離器(l一l)的下端排料口使用。
8. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於在燃料反應器流化床(5)的上 端還連接有殘碳分離器，該殘碳分離器由一級煙氣殘碳分離器(5—1)和二級煙 氣殘碳分離器(5—5)， 一級煙氣殘碳分離器(5 — 1)下端連接有殘碳返料腿(5 一6)，殘碳返料腿(5—6)和二級煙氣殘碳分離器(5 — 5)出口相通，殘碳返 料腿(5—6)下端與移動床(5—7)相連，移動床(5—7)下端設有流化風進口(G)，移動床(5—7)下部設有物料出口，通過循環返料管(5—4)與反應器 流化床(5)的下部連通。
9. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於載氧體再生分離器(3)由一級 煙氣載氧體再生分離器(3 — 1)和二級煙氣載氧體再生分離器(3—2)組成，一 級煙氣載氧體再生分離器(3 — 1)和二級煙氣載氧體再生分離器(3—2)出口相 通， 一級煙氣載氧體再生分離器(3 — 1)的出口連接有載氧體再生返料腿，載氧 體再生返料腿(3)的下端連接有移動床(3 — 3)，移動床(3 — 3)下端設有流 化風進口 (D)，移動床(3 — 3)下部設有物料出口且該物料出口與載氧體再生 返料管(4)的一端相連。
全文摘要
本發明公開了一種載氧體載氧氣化燃燒方法以及裝置，其方法為將載氧體置於空氣反應器流化床內，通入流化空氣，氧體與空氣中的氧氣反應後得到被升溫的高價態金屬氧化物，再使其經兩級分離器分離；分離後的高溫貧氧空氣從分離器的上端排出，分離後的載氧體，經過返料腿，進入混合氣化室；在空氣反應器循環流化床內，載氧體與空氣中的氧氣發生栽氧反應反應生成的載氧體，經兩級分離器分離後，進入料腿，與燃料一起，進入燃料反應器流化床下部氣化室，在氣化室，燃料與水蒸氣發生氣化反應，生成合成氣。同時載氧體釋放出氧，與合成氣或燃料發生還原反應，生成二氧化碳。
文檔編號F23D14/00GK101216175SQ20071019024
公開日2008年7月9日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者向文國 申請人:東南大學