本发明公开了一种煤和可燃固废循环流化床化学链燃烧分离CO
1.一种煤和可燃固废循环流化床化学链燃烧分离CO₂的装置,主要包括燃烧反应系统、分离系统和载氧反应系统三大部分;其特征在于,燃烧反应系统为循环流化床燃料反应器(1);分离系统包括一级惯性分离器(2)、一级惯性分离器出口(3)、一级料腿(4)、二级旋风分离器(11)、二级旋风分离器出口(10)和二级料腿(12);载氧反应系统包括错流移动床空气反应器(6)、新鲜载氧体颗粒给料器(5)、J形返料阀(8)和失活载氧体颗粒排料器(C);循环流化床燃料反应器(1)的上部接一级惯性分离器(2)的上部,一级惯性分离器(2)的下部接一级料腿(4),一级惯性分离器(2)的顶部通过一级惯性分离器出口(3)接二级旋风分离器(11)的上部,二级旋风分离器(11)的下部通过二级料腿(12)接一级料腿(4)的中部,一级料腿(4)的下部出口位于错流移动床空气反应器(6)中,错流移动床空气反应器(6)的下部通过J形返料阀(8)接循环流化床燃料反应器(1)的下部,失活载氧体颗粒排料器(C)、反应器气化剂入口(D)和反应器气化剂入口(E)位于循环流化床燃料反应器(1)的最底部;可燃固体废弃物入口(A),煤颗粒入口(B)位于循环流化床燃料反应器(1)的下部的壁上;所述循环流化床上部通过120°角的弯头与一级惯性分离器上部相连;与一级惯性分离器(2)连接的一级料腿(4)的直径是循环流化床燃料反应器(1)直径的两倍,而二级旋风分离器(11)连接的二级料腿(12)的直径则是循环流化床燃料反应器(1)直径二分之一;错流移动床空气反应器(6)中采用多孔板作为气体分布器,出口布置有截面为等边三角形的导流板。
2.一种如权利要求1所述的煤和可燃固废循环流化床化学链燃烧分离CO₂的装置分离CO₂的方法,其特征在于:固体废弃物和煤颗粒从循环流化床燃料反应器(1)的下部进入,气化反应产生的烟气携带的失氧载氧体和含碳灰尘经一级惯性分离器(2)分离后进入错流移动床空气反应器(6),再生后的载氧体回到燃料反应器(1)继续反应,重复以上过程;一级惯性分离器(2)分离出来的含碳灰尘和少量失氧载氧体细颗粒随烟气进入二级旋风分离器(11)进行二次分离,分离下来的固体颗粒返回至空气反应器(6)继续反应;二级旋风分离器(11)分离出最终产物CO₂和H₂O排出,经冷凝剔除水蒸气,获得高纯度的CO₂;所述的循环流化床燃料反应器(1)内采用压力0.1MPa,颗粒通量50~100kg/m²s的常压高通量,或压力>0.1MPa,颗粒通量>200kg/m²s的加压高通量两种操作方式。技术领域
本发明涉及一种煤和固体废弃物的循环流化床化学链燃烧的装置和方法,属于煤燃烧、固体废弃物的资源化利用和流化床燃烧技术领域。
背景技术
我国是目前世界上最大的二氧化碳排放国,来自环境保护和国际舆论的压力迫使我国必须寻找高效合理的CO₂减排手段。同时,我国也是世界上最大的废弃物产生国,固体废弃物产生量的逐年增长已对我国环境保护和生态平衡造成严重影响,其中,固体废弃物中的可燃部分占到我国固废总量的一半以上。现阶段由于技术和条件的限制,我国对可燃固废的综合利用率依然很低。利用化学链燃烧技术(CLC)处理可燃固体废弃物,既实现了固体废弃物的资源化利用,减少其对环境的污染,又可帮助缓解煤炭供需的压力,降低二氧化碳排放量,有利于促进我国多元化能源结构的形成,具有重要的经济、社会和环境效益。现有的可燃固体废弃物大多以热化学处理(燃烧,气化和热解)方法转化为燃料,这些传统方法的燃烧产物成分复杂,CO₂不易分离。化学链燃烧(CLC)则是一种新颖的燃烧理念,其能量释放机理是无火焰化学反应,燃料不直接与空气接触燃烧,而是以载氧体在两个反应器(空气反应器和燃料反应器)之间的循环交替反应来实现燃料的燃烧过程。由载氧体首先与空气中的氧气发生氧化反应,然后在燃料反应器中与燃料进行还原反应生成二氧化碳和水,因此生成的二氧化碳易被分离。目前在我国,不仅现有使用的固体废弃物处理技术及装备长期为国外所垄断,具有前瞻性的化学链燃烧(CLC)的核心技术和中试级别装置更是都掌握在国外研究机构的手中;当前国内已具备了自主研发能力,必须在较短的时间内弥补差距,研发出适合于我国国情、具有自主知识产权的固体废弃物化学链燃烧技术,避免重复走引进吸收的发展道路。
发明内容
技术问题:本发明的目的在于提供一种煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂的装置和方法,克服煤/可燃固体废弃物和载氧体的燃烧反应速率与载氧体载氧反应速率的匹配等问题,并设计一种煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂方法,该方法能使二者反应速率相匹配,达到燃烧效率高、载氧体的载氧能力强、分离出的CO₂浓度高及CO₂最终捕集率高等效果。技术方案:本发明提出了一种煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂的装置和方法。煤和固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂装置,主要包括燃烧反应系统、分离系统和载氧反应系统三大部分;燃烧反应系统为循环流化床燃料反应器;分离系统包括一级惯性分离器、一级惯性分离器出口、一级料腿、二级旋风分离器、二级旋风分离器出口和二级料腿;载氧反应系统包括错流移动床空气反应器、新鲜载氧体颗粒给料器、J形返料阀和失活载氧体颗粒排料器;循环流化床燃料反应器上部通过弯头与一级惯性分离器连接,一级惯性分离器的下部接一级料腿,一级惯性分离器的顶部通过一级惯性分离器出口接二级旋风分离器的上部,二级旋风分离器的下部通过二级料腿接一级料腿的中部,一级料腿的下部出口位于错流移动床空气反应器中,错流移动床空气反应器的下部通过J形返料阀接循环流化床燃料反应器的下部,失活载氧体颗粒排料器、反应器气化剂(水蒸气)入口和反应器气化剂(CO₂)入口位于循环流化床燃料反应器的最底部;可燃固体废弃物入口,煤颗粒入口位于循环流化床燃料反应器的下部的壁上。循环流化床上部通过120°角的弯头与一级惯性分离器上部相连;与一级惯性分离器连接的一级料腿的直径是循环流化床燃料反应器直径的两倍,而二级旋风分离器连接的二级料腿的直径则是循环流化床燃料反应器直径二分之一;错流移动床空气反应器中采用多孔板作为气体分布器,出口布置有截面为等边三角形的导流板。本发明煤和固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂装置的操作方法为:固体废弃物和煤颗粒从循环流化床燃料反应器的下部进入,气化反应产生的烟气携带的失氧载氧体和含碳灰尘经一级惯性分离器分离后进入错流移动床空气反应器,再生后的载氧体回到燃料反应器继续反应,重复以上过程;一级惯性分离器分离出来的含碳灰尘和少量失氧载氧体细颗粒随烟气进入二级旋风分离器进行二次分离,分离下来的固体颗粒返回至空气反应器继续反应;二级旋风分离器分离出最终产物CO₂和H₂O排出,经冷凝剔除水蒸气,获得高纯度的CO₂。所述的循环流化床燃料反应器内采用压力0.1MPa,xa0颗粒通量5xa00~100xa0kg/m²s的常压高通量,或压力>0.1MPa,颗粒通量>200kg/m²s的加压高通量两种操作方式。本发明的实现方法思路如下:在循环流化床燃料反应器内实现煤和可燃固体废弃物的气化及气化产物与载氧体发生的无焰燃烧反应过程;在惯性分离器内实现载氧体颗粒和烟气的有效分离过程;在错流移动床空气反应器内实现载氧体的重新载氧过程。并通过重复以上过程,实现煤和可燃固体废弃物的化学链燃烧和CO₂分离。与传统的固体废弃物处理流程不同,本发明的处理流程为:煤颗粒和可燃固体废弃物颗粒伴随气化剂(水蒸气和CO₂混合物)在循环流化床燃料反应器内发生气化反应,煤相较于固体废弃物更容易气化,产生的气体可以加快反应过程;气化产物与返回循环流化床燃料反应器的带氧载氧体发生燃烧反应,生成CO₂和H₂O;反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰,进入一级惯性分离器进行分离;分离下来的失氧载氧体进空气反应器内,与横向通过的空气相互接触反应获得再生,之后经一级返料入口阀门返回循环流化床燃料反应器分离,二次分离下来的固体颗粒(含碳灰尘和失氧载氧体细颗粒)经二级返料入口阀门返回循环流化床燃料反应器继续参与燃烧反应,分离出的气体经冷凝剔除H₂O,获得高纯度的CO₂有益效果:与现有的常规CLC系统和固体废弃物处理系统相比,本发明具有如下的特色及优点:1、xa0将循环流化床与错流移动床联合运用,分别实现固体废弃物/载氧体的燃烧反应过程和载氧体的载氧反应过程。通过大幅提高载氧体的载氧反应速率,解决因二者反应速率存在数量级差而导致的反应匹配问题。2、xa0燃料反应器可采用常压或者加压操作,在加压条件下,循环流化床具有密度高(固-气体积比大于0.1)、循环倍率高(50~100)、物料通量高(>200kg/m²s)的特点,物料颗粒停留时间远大于普通常压流化床反应器,气固湍流反应(如煤和固体废弃物颗粒气化反应、气化产物还原载氧体反应)速率明显增加,不仅大幅提高了固体废弃物的燃烧速率,而且气相产物中CO等不完全燃烧产物有效降低。燃料反应器内的载氧体浓度远高于普通循环流化床反应器,固体废弃物的气化产物被载氧体连续快速氧化,从而提高了气化反应速率,促进了固体废弃物的气化反应。3、xa0打破传统CLC系统采用流化床作为空气反应器的思路,采用错流移动床作为空气反应器,失氧载氧体与空气在其中错流混合反应。4、xa0由于空气反应器采用特殊的错流移动床设计,载氧体颗粒在错流移动床内快速通过。即使载氧体内混入少量含碳灰尘,由于反应时间短、颗粒较大、接触面积小,不易发生烧结,降低了含碳灰尘在空气反应器中燃烧引起的烧结风险;和流化床空气反应器相比,错流移动床空气反应器结构简单,控制方便。5、xa0本发明在循环流化床上部采用120°的弯头与一级惯性分离器上部相连,遵循了颗粒运动的流体动力学特征,与常规的直角连接方式相比,减少了颗粒对连接处的磨损,提高了系统运行的稳定性。
附图说明
图1是本发明的煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂装置总体结构示意图。图2是本发明的煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂装置中空气反应器结构放大示意图。以上图中有:循环流化床燃料反应器1,一级惯性分离器2,一级惯性分离器出口3,一级料腿4,新鲜载氧体颗粒给料器5,错流移动床空气反应器6,导流板7,J形返料阀8,一级返料入口阀门9,二级旋风分离器出口10,二级旋风分离器11,二级料腿12,二级返料入口阀门13,xa0空气进出口孔板14。可燃固体废弃物入口A,煤颗粒入口B,失活载氧体颗粒排料器C,反应器气化剂(水蒸气)入口D,反应器气化剂(CO₂)入口E,空气入口F,空气反应器排气口G。
具体实施方式
以下参照图1来详细说明本发明的煤和可燃固体废弃物循环流化床化学链燃烧分离CO₂的方法,载氧体以铁矿石(主要成分为Fe₂O₃)为例。1)循环流化床固废反应器(以下或简称燃料反应器)1底部布置的布风板为气化剂入口,左下侧有两个入口,上面为可燃固体废弃物入口A,下面为煤颗粒入口B。右侧为一级返料入口。水蒸气和CO₂混合物作为气化剂和流化介质,分别从燃料反应器1底部的反应器气化剂(水蒸气)入口D和反应器气化剂(CO₂)入口E进入,携带从可燃固体废弃物入口A进入的可燃固体废弃物颗粒和从煤颗粒入口B进入的煤颗粒、从一级返料入口进入的返料向上运动。在这个过程中,气化剂与可燃固体废弃物颗粒以及煤颗粒发生气化反应,生成可燃气体,主要成分为CO和H₂。可燃气体与载氧体发生氧化还原反应,载氧体中的氧传递给可燃气体,使得CO被氧化成CO₂,H₂被氧化成H₂O(气体),而载氧体失去部分氧生成氧化亚铁或四氧化三铁。载氧体发生氧化还原反应,消耗CO和H₂,也促进了煤和可燃固体废弃物的气化反应。2)反应后的固体颗粒(失氧载氧体颗粒和含碳灰尘)被烟气带出,进入与燃料反应器出口相连的一级惯性分离器2,大部分失氧载氧体颗粒被分离下来进入与一级料腿4相连的错流移动床空气反应器(以下或简称空气反应器)6,而含碳灰尘和少量失氧载氧体细颗粒则随烟气从一级惯性分离器出口3进入二级旋风分离器11。3)在空气反应器6内,一级惯性分离器2分离出的失氧载氧体进行载氧反应。失氧载氧体从空气反应器6的顶部进入,空气从空气入口F经过空气进出口孔板14后均匀进入,两者错流接触发生氧化还原反应,失氧载氧体被空气氧化再生,而反应后的尾气从空气反应器排气口G排出。再生后的载氧体经过J形返料阀8和一级返料入口阀门9,回到燃料反应器继续反应。物料在燃料反应器1-一级惯性分离器2-空气反应器6-燃料反应器1之间的循环运动构成了一级返料循环。当载氧体载氧能力明显下降时,从新鲜载氧体颗粒给料器5补充相应的新鲜载氧体,同时,永久失活的载氧体从失活载氧体颗粒排料器C排出。4)携带含碳灰尘和少量失氧载氧体细颗粒的烟气在二级旋风分离器11内发生二次分离。分离下来的固体颗粒进入二级料腿12,经过二级返料入口阀门13返回至一级料腿4继续反应。物料在燃料反应器1-一级惯性分离器2-二级旋风分离器11-空气反应器6-燃料反应器1-之间的循环运动构成了二级返料循环。CO₂和H₂O(气体)的气体混合物从二级旋风分离器出口10排出,经冷凝剔除水蒸气,获得高纯度的CO₂。