一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置及其方法.pdf

本发明为一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧的装置及其方法，该装置由空气反应器、空气旋风分离器、燃料反应器、燃料旋风分离器、返料器、气化反应器和隔离器组成的一个循环回路；其方法在于固体燃料在气化反应器内进行气化反应，产生的气体燃料与贫氧化态载氧体进行氧化反应，生成的弱还原性气体进入燃料反应器，与氧化态载氧体进行深度氧化反应，转化为二氧化碳和水蒸气排出；空气反应器内还原态载氧体和空气进行氧化反应，生成氧化态载氧体颗粒，经空气旋风分离器分离后，进入燃料反应器，被弱还原性气体还原为贫氧化态载氧体，经燃料旋风分离器分离后，通过返料器进入到气化反应器，被固体燃料气化产物还原为还原态载氧体，还原态载氧体颗粒通过隔离器返回到空气反应器再生为氧化态载氧体。

1.  一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：包括气化反应器(6)、空气反应器(1)和燃料反应器(3)依次相互连接形成的循环反应装置。

2.  根据权利要求1所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：所述气化反应器(6)的顶部设有气体出口，所述燃料反应器(3)的底部设有气体进口，所述燃料反应器(3)的底部还设有布风板(3.3)，所述布风板(3.3)上设有若干风帽(3.3.1)，所述气体出口和所述气体进口通过所述布风板(3.3)相连通。

3.  根据权利要求1所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：所述空气反应器(1)通过空气旋风分离器(2)与所述燃料反应器(3)连接；
设置于所述空气反应器(1)上部的空气反应器排气管(1.1)与所述空气旋风分离器(2)的上部进料口相连通，所述空气旋风分离器(2)的下部出料口通过料腿(2.1)与所述燃料反应器(3)的顶部相连通，所述料腿(2.1)伸入所述燃料反应器(3)内部中间或下部区域。

4.  根据权利要求1所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：所述燃料反应器(3)通过燃料旋风分离器(4)与所述气化反应器(6)连接；
设置于所述燃料反应器(3)上部的燃料反应器排气管(3.1)与所述燃料旋风分离器(4)的上部进料口相连通，所述燃料旋风分离器(4)的下部出料口连接所述气化反应器(6)的下部。

5.  根据权利要求4所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：所述燃料旋风分离器(4)的下部出料口经返料器(5)与所述气化反应器(6)的下部相连通。

6.  根据权利要求1所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，其特征在于：所述气化反应器(6)的中部或下部通过隔离器(7)与所述空气反应器(1)的下部相连通。

7.  一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法，其特征在于：固体燃料进入所述气化反应器(6)中，通过载氧体在所述空气反应器(1)、燃料反应器(3)和气化反应器(6)之间交替循环地进行氧化－还原反应，所述载氧体包括氧化态载氧体颗粒(1.2)、贫氧化态载氧体颗粒(3.2)和还原态载氧体颗粒(6.3)；具体方法包括以下步骤：
1)气化-氧化反应：所述固体燃料进入所述气化反应器(6)内进行气化反应，生 成的气体燃料在所述气化反应器(6)内与来自所述燃料反应器(3)的贫氧化态载氧体颗粒(3.2)进行氧化反应，生成弱还原性气体和还原态载氧体颗粒(6.3)，所述弱还原性气体向上流出所述气化反应器(6)，通过所述布风板(3.3)的风帽(3.3.1)进入所述燃料反应器(3)，所述还原态载氧体颗粒(6.3)进入所述空气反应器(1)；
2)二次氧化反应：经步骤1)生成的所述弱还原性气体进入燃料反应器(3)中，与所述燃料反应器(3)中来自空气反应器(1)的氧化态载氧体颗粒(1.2)进行二次氧化反应，生成贫氧化态载氧体颗粒(3.2)及二氧化碳和水蒸气，一起进入所述燃料旋风分离器(4)进行气固分离，所述二氧化碳和水蒸气通过烟气排气管(4.1)排出，分离下来的所述贫氧化态载氧体颗粒(3.2)通过返料器(5)进入所述气化反应器(6)中；
3)载氧体再生反应：气化反应器(6)内经步骤1)生成的所述还原态载氧体颗粒(6.3)进入所述空气反应器(1)中，与进入空气反应器(1)中的空气进行载氧体再生反应，生成氧化态载氧体颗粒(1.2)，所述氧化态载氧体颗粒(1.2)通过所述空气反应器排气管(1.1)进入所述空气旋风分离器(2)，进行气固分离，分离下来的所述氧化态载氧体颗粒(1.2)进入所述燃料反应器(3)。

8.  根据权利要求7所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法，其特征在于：步骤1)中，所述气化反应器(6)内未完全气化的残余固体燃料随所述弱还原性气体带动，经所述布风板(3.3)的风帽(3.3.1)进入所述燃料反应器(3)，进一步进行气化反应，生成的气体燃料与所述燃料反应器(3)内的氧化态载氧体颗粒(1.2)反应，氧化转化为二氧化碳和水蒸气。

9.  根据权利要求7所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法，其特征在于：所述空气反应器(1)中的反应温度为850～1100℃，所述燃料反应器(3)和所述气化反应器(6)中的反应温度为600～950℃；所述空气反应器(1)和所述燃料反应器(3)均为流化床反应器，所述气化反应器(6)为喷动流化床反应器。

10.  根据权利要求7所述的固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法，其特征在于：所述返料器(5)、气化反应器(6)及隔离器(7)分别通过设置在相应的设备底部的第一流化气体进口(5.3)、第二流化气体进口(6.1)和第三流化气体进口(7.3)添加流化气体，所述流化气体为水蒸气和/或二氧化碳气体；所述固体燃料为含碳氢的固体燃料，包括煤炭、生物质、生活污泥。

一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧的装置及方法，具体为实现固体燃料分级氧化，提高燃烧效率，达到燃烧过程中分离二氧化碳的化学链燃烧装置及方法。
背景技术
化学链燃烧是一种新型燃烧技术，燃料不直接与空气接触燃烧，而是通过载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的交替氧化-还原反应，实现氧的转移，完成燃料化学能的转化过程，其原理是：使用金属氧化物作为载氧体，还原态的金属载氧体首先在空气反应器内和空气接触进行氧化反应，生成氧化态的金属载氧体，将空气中的氧置换出来，然后氧化态的金属载氧体进入燃料反应器，和气体燃料接触，进行还原反应，将氧化态的金属载氧体中氧置换出来，燃料反应器的气体产物为二氧化碳和水蒸气，冷凝后剔除水蒸气得到纯净的二氧化碳；还原后的金属载氧体返回到空气反应器，和空气进行氧化反应，生成氧化态的金属载氧体，完成载氧体的再生。
在气体燃料化学链燃烧过程中，燃料反应器内气体燃料的转化效率受到载氧体的反应活性的制约，载氧体的反应活性越低，燃料反应器出口气体中未完全氧化的可燃气体浓度越高；另一方面，在化学链燃烧过程中金属载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的交替氧化-还原反应，会导致金属载氧体颗粒表面发生烧结，在其颗粒表面形成致密的表层，载氧体的反应活性降低，从而使得燃料反应器出口烟气中含有较多的未完全氧化的可燃气体，导致化学链燃烧效率降低。
在固体燃料化学链燃烧过程中，燃料反应器内固体燃料首先和气化介质进行气化反应，生成气体燃料，然后气体燃料还原金属氧化物载氧体，生成二氧化碳和水蒸气；和金属氧化物载氧体的还原过程相比，固体燃料的气化反应慢，是整个固体燃料化学链燃烧的速率控制环节，会有较多的细微焦炭颗粒未完全气化，直接被气流携带离开燃料反应器，导致固体燃料化学链燃烧效率降低。
因此，如何提高燃料反应器内气体燃料的氧化效率，减少细微焦炭颗粒被气流携带出去，是实现固体燃料化学链燃烧过程的关键，其技术有着广泛的社会效益和工业应用前景。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高燃料反应器内气体燃料的氧化效率，以及减少细微焦炭颗粒被气流携带出去的固体燃料化学链燃烧的装置及方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，包括气化反应器、空气反应器和燃料反应器依次相互连接形成的循环反应装置。
进一步的，在本发明中，所述气化反应器的顶部设有气体出口，所述燃料反应器的底部设有气体进口，所述燃料反应器的底部还设有布风板，所述布风板上设有若干风帽，所述气体出口和所述气体进口通过所述布风板相连通。
进一步的，在本发明中，所述空气反应器通过空气旋风分离器与所述燃料反应器连接；
设置于所述空气反应器上部的空气反应器排气管与所述空气旋风分离器的上部进料口相连通，所述空气旋风分离器的下部出料口通过料腿与所述燃料反应器的顶部相连通，所述料腿伸入所述燃料反应器内部的中间或下部区域。
进一步的，在本发明中，所述燃料反应器通过燃料旋风分离器与所述气化反应器连接；
设置于所述燃料反应器3上部的燃料反应器排气管与所述燃料旋风分离器的上部进料口相连通，所述燃料旋风分离器的下部出料口连接所述气化反应器的下部。
进一步的，在本发明中，所述燃料旋风分离器的下部出料口经返料器与所述气化反应器的下部相连通。
进一步的，在本发明中，所述气化反应器的中部或下部通过隔离器与所述空气反应器的下部相连通。
一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法，固体燃料进入所述气化反应器中，通过载氧体在所述空气反应器、燃料反应器和气化反应器之间交替循环地进行氧化－还原反应，所述载氧体包括氧化态载氧体颗粒、贫氧化态载氧体颗粒和还原态载氧体颗粒；具体方法包括以下步骤：
1)气化-氧化反应：所述固体燃料进入所述气化反应器内进行气化反应，生成的气体燃料在所述气化反应器内与来自所述燃料反应器的贫氧化态载氧体颗粒进行氧化反应，生成弱还原性气体和还原态载氧体颗粒，所述弱还原性气体向上流出所述气化反应器，通过所述布风板的风帽进入所述燃料反应器，所述还原态载氧体颗粒进入所述空气反应器；
2)二次氧化反应：经步骤1)生成的所述弱还原性气体进入燃料反应器中，与所述 燃料反应器中来自空气反应器的氧化态载氧体颗粒进行二次氧化反应，生成贫氧化态载氧体颗粒及二氧化碳和水蒸气，一起进入所述燃料旋风分离器进行气固分离，所述二氧化碳和水蒸气通过烟气排气管排出，分离下来的所述贫氧化态载氧体颗粒通过返料器进入所述气化反应器中；
3)载氧体再生反应：气化反应器内经步骤1)生成的所述还原态载氧体颗粒进入所述空气反应器中，与进入空气反应器中的空气进行载氧体再生反应，生成氧化态载氧体颗粒，所述氧化态载氧体颗粒通过所述空气反应器排气管进入所述空气旋风分离器，进行气固分离，分离下来的所述氧化态载氧体颗粒进入所述燃料反应器。
进一步的，在本发明中，步骤1)中，所述气化反应器内未完全气化的残余固体燃料随所述弱还原性气体带动，经所述布风板的风帽进入所述燃料反应器，进一步进行气化反应，生成的气体燃料与所述燃料反应器内的氧化态载氧体颗粒反应，氧化转化为二氧化碳和水蒸气。
进一步的，在本发明中，所述空气反应器中的反应温度为850～1100℃，所述燃料反应器和所述气化反应器中的反应温度为600～950℃；所述空气反应器和所述燃料反应器均为流化床反应器，所述气化反应器为喷动流化床反应器。
进一步的，在本发明中，所述返料器、气化反应器及隔离器分别通过设置在相应的设备底部的第一流化气体进口、第二流化气体进口和第三流化气体进口添加流化气体所述流化气体为水蒸气和/或二氧化碳气体；所述固体燃料为含碳氢的固体燃料，包括煤炭、生物质、生活污泥。
有益效果：本发明提供的一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置及方法，采用固体燃料分级氧化的化学链燃烧的方法，使得固体燃料首先和气化介质进行充分的气化反应，生成气体燃料再还原金属氧化物载氧体，生成二氧化碳和水蒸气排出，不仅提高了固体燃料化学链燃烧效率，同时能提高燃料反应器内气体燃料的氧化效率和转化效率，减少细微焦炭颗粒被气流携带出去，是实现固体燃料化学链燃烧过程的关键；另一方面，减少了反应过程中导致载氧体的反应活性降低的因素，有助于反应的正常进行，保证化学链燃烧效率，其技术有着广泛的社会效益和工业应用前景。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
其中有空气反应器1，空气反应器排气管1.1，氧化态载氧体颗粒1.2，空气进口1.3，空气旋风分离器2，料腿2.1，贫氧空气排气管2.2，燃料反应器3，燃料反应器排气管 3.1，贫氧化态载氧体3.2，布风板3.3，风帽3.3.1，燃料旋风分离器4，烟气排气管4.1，返料器5，返料器进料管5.1，返料器出料管5.2，第一流化气体进口5.3，气化反应器6，第二流化气体进口6.1，喷动管6.2，还原态载氧体颗粒6.3，隔离器7，隔离器进料管7.1，隔离器出料管7.2，第三流化气体进口7.3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置，包括气化反应器6、空气反应器1和燃料反应器3依次相互连接形成的循环回路所组成的循环反应装置。
气化反应器6的顶部设有气体出口，燃料反应器3的底部设有气体进口，燃料反应器3的底部还设有布风板3.3，布风板3.3上设有若干风帽3.3.1，气体出口和气体进口通过布风板3.3相连通。布风板的作用是让气体均匀进入燃料反应器，同时支撑燃料反应器内的颗粒床料。
空气反应器1通过空气旋风分离器2与燃料反应器3连接；
设置于空气反应器1上部的空气反应器排气管1.1与空气旋风分离器2的上部进料口相连通，空气旋风分离器2的下部出料口通过料腿2.1与燃料反应器3的顶部相连通，料腿2.1伸入燃料反应器3中的内部中间或下部区域，为了让反应物从底部接触还原性气体，充分反应，防止未参与反应便从上部出口溢出跑掉。
燃料反应器3通过燃料旋风分离器4与气化反应器6连接；
设置于燃料反应器3上部的燃料反应器排气管3.1与燃料旋风分离器4的上部进料口相连通，燃料旋风分离器4的顶部为烟气排气管4.1；燃料旋风分离器4的下部出料口经返料器进料管5.1连接返料器5，再经返料器出料管5.2连接气化反应器6的下部。返料器5的作用是将从燃料旋风分离器4分离下来的颗粒物料通过流态化的方式输送到气化反应器6中，返料器5的中间设置有隔板，起到隔离的作用，防范气化反应器6中的气体反窜到燃料旋风分离器4中，降低气固分离效率；第一流化气体进口5.3进入的流化气体采用水汽或CO₂，这样才能保证燃料反应器3排出的气体为CO₂和水汽，而不含有其它气体。
气化反应器6的中部或下部通过隔离器进料管7.1连接隔离器7，再经隔离器出料管7.2与空气反应器1的下部相连通；隔离器7的作用同返料器5，也是起到隔离作用。
实施例
一种固体燃料分级氧化的化学链燃烧装置的方法为固体燃料不直接和空气接触燃烧，固体燃料为含碳氢的固体燃料，包括煤炭、生物质、生活污泥。固体燃料进入气化反应器6内，通过载氧体在空气反应器1、燃料反应器3和气化反应器6之间交替循环地进行氧化－还原反应，实现固体燃料的燃烧过程，载氧体包括氧化态载氧体颗粒1.2、贫氧化态载氧体颗粒3.2和还原态载氧体颗粒6.3；具体方法包括以下步骤：
1)气化-氧化反应：当燃烧发生时，流化气体经设置在气化反应器6底部的第二流化气体进口6.1进入气化反应器6中，固体燃料经设置在气化反应器6底部中间的喷动管6.2输送进入气化反应器6中，在位于气化反应器6中部或底部设定为气化-氧化反应堆；气化反应器6为喷动流化床结构，固体燃料首先与流化气体进行气化反应，生成的气体燃料在所述气化反应器6内与来自所述燃料反应器3的贫氧化态载氧体颗粒3.2进行氧化反应，生成弱还原性气体和还原态载氧体颗粒6.3，弱还原性气体向上流出气化反应器6，通过布风板3.3的风帽3.3.1进入燃料反应器3中进行步骤2)即二次氧化反应；还原态载氧体颗粒6.3经隔离器进料管7.1进入隔离器7中，经从设置于隔离器7底部的第三流化气体进口7.3进入的流化气体的流化作用后，呈流体状的还原态载氧体颗粒6.3又经隔离器出料管7.2排出，进入空气反应器1中进行步骤3)即载氧体再生反应；
优选的，步骤1)中，气化反应器6内少量未完全气化的残余固体燃料的细微焦炭颗粒随弱还原性气体带动携带出去，经布风板3.3的风帽3.3.1进入燃料反应器3中，进一步进行气化反应，生成的气体燃料与燃料反应器3内的氧化态载氧体颗粒1.2进一步进行氧化反应，氧化转化为二氧化碳和水蒸气，提高气体燃料的燃烧效率；
同样的，步骤1)中，气化反应器6内少量未完全氧化的气体燃料随弱还原性气体带动携带出去，经布风板3.3的风帽3.3.1进入燃料反应器3，与燃料反应器3内的氧化态载氧体颗粒1.2进一步进行氧化反应，氧化转化为二氧化碳和水蒸气，提高气体燃料的燃烧效率；
2)二次氧化反应：在燃料反应器3中有氧化态载氧体颗粒1.2，经步骤1)生成的弱还原性气体进入燃料反应器(3)中，与燃料反应器3中来自空气反应器1的氧化态载氧体颗粒1.2进行二次氧化反应，生成贫氧化态载氧体颗粒3.2及二氧化碳和水蒸气，二氧化碳和水蒸气携带贫氧化态载氧体颗粒3.2一起进入所述燃料旋风分离器4，进行气固分离，二氧化碳和水蒸气通过烟气排气管4.1排出，分离下来的贫氧化态载氧体颗 粒3.2返料器进料管5.1落下进入通过返料器5中，从设置于返料器5底部的第一流化气体进口5.3进入的流化气体对贫氧化态载氧体颗粒3.2，起到流化作用，携带着一起经返料器出料管5.2排出，进入气化反应器6中的气化-氧化反应堆，进行下一轮的气化-氧化反应，进行下一轮循环反应；
3)载氧体再生反应：气化反应器(6)内经步骤1)生成的所述还原态载氧体颗粒6.3进入空气反应器1中，空气反应器1的底部设有空气进口1.3，还原态载氧体颗粒6.3与进入空气反应器1中的空气进行载氧体再生反应，氧化生成氧化态载氧体颗粒1.2，氧化态载氧体颗粒1.2被气流携带出去，通过设于空气反应器1的上部的空气反应器排气管1.1进入空气旋风分离器2，进行气固分离，反应后的贫氧空气经位于空气旋风分离器2的顶部的贫氧空气排气管2.2排出；分离下来的所述氧化态载氧体颗粒1.2则经料腿2.1受重力作用自由落下进入燃料反应器3底部，进入下一轮反应。
此外，固体燃料在气化反应器6内气化后的一部分灰尘跟随还原态载氧体颗粒6.3通过隔离器7进入到空气反应器1中，被空气反应器1内的气体携带出去，通过空气旋风分离器2的贫氧空气排气管2.2排出；另一部分灰尘被气化反应器6的气体携带通过燃料反应器3的布风板3.3进入燃料反应器3，被燃料反应器3内的气体携带出去，通过燃料旋风分离器4的烟气排气管4.1一起排出；
空气反应器1中的反应温度为850～1100℃高温状态，燃料反应器3和气化反应器6中的反应温度为600～950℃中温状态，空气反应器、燃料反应器和气化反应器之间依靠载氧体颗粒进行热量传递。空气反应器1和燃料反应器3均为流化床反应器，气化反应器6为喷动流化床反应器。
返料器5、气化反应器6及隔离器7分别通过设置在相应的设备底部的第一流化气体进口5.3、第二流化气体进口6.1和第三流化气体进口7.3添加流化气体，流化气体的作用是让返料器5、气化反应器6和隔离器7内的载氧体颗粒流化，使得颗粒具有流体的特性，流化气体为水蒸气和/或二氧化碳气体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。