[发明专利]高固体通量循环碳化反应器

说明书

发明领域

本发明涉及一种通过碳化反应用于捕集二氧化碳CO₂的方法，其中包括再循环冷却的MeCO₃富集的固体流。另外，本发明涉及一种系统，所述系统包含用于从CO₂富集的烟道气捕集二氧化碳CO₂的反应器。

发明背景

使用金属或矿物质氧化物的固体，通过在循环流化床(CFB)中的碳化反应，可实施捕集二氧化碳CO₂。金属或矿物质氧化物用作二氧化碳CO₂的吸收剂，为固体吸着剂。

在CFB碳化反应器中发生的反应为放热反应，其中反应速率很大程度上取决于固体吸着剂的可用表面。此外，为了满足吸收过程的反应动力学和平衡要求，需要精确控制温度分布。因此，反应器优化必须考虑吸收热量释放(对于与CO₂反应的氧化钙CaO，吸收热量释放为178 kJ/kmol)、关于平衡驱动力和CO₂浓度分布所得到的温度和结论。

在用于处理低压燃烧烟道气的CFB碳化反应器中，固体材料的分数非常低，以避免另外显著的压降和相关的风扇压缩功率。降低用于这些流化床过程的设备尺寸意味着提高流化速度，这还可导致气动输送操作方案。所得到的固体材料的低分数的特征为低的总体传热系数，这最终取决于流化气体性质。因此，用于在CFB碳化反应器中捕集二氧化碳CO₂的目前已知的系统需要相对大的传热表面，这必须在内部应用，以从反应系统除去热量，和避免固体吸着剂的温度提高至平衡驱动力消失并且反应不再发生的点。

先前已知的反应器根据经由安装在反应器中的传热面积的吸附速率，从CFB碳化反应器除去热量。这些CFB碳化反应器包括放置在指定的预定位置的内部冷却装置。结果是，在过程操作条件中的任何波动需要调节冷却系统。当由于差的CFB碳化反应器控制，迫使利用CFB碳化反应器废热的过程吸收波动时，这样的不可预知的波动是不利的。因此，需要改进系统的传热特性和优化发生传热以最终降低传热表面积和设备成本的方法。

此外，仔细控制反应器温度对于避免具有低温度和缓慢反应速率或高温和差的平衡驱动力的区域是重要的。总的来说，与采用其它方式得到相同的二氧化碳CO₂捕集速率所需的相比，差的反应器设计将导致较大的反应器尺寸。

例如，考虑氧化钙CaO作为吸着剂，在通往CFB碳化反应器的二氧化碳CO₂富集的烟道气中二氧化碳CO₂的浓度为12%体积，90%的二氧化碳CO₂可被捕集，对应于在650℃下的平衡二氧化碳CO₂分压。然而，如果考虑在700℃下的对应的平衡二氧化碳CO₂分压，对于相同的烟道气，可能最多仅为约70%捕集。

发明概述

通过本发明，克服现有技术用于捕集二氧化碳CO₂的反应器以及用于碳化的系统的缺点和缺陷。本发明提供了一种用于从二氧化碳CO₂富集的烟道气捕集二氧化碳CO₂的方法和系统，其中可采用灵活的方式控制和调节传热面积和温度分布。

本发明的一个实施方案为一种用于在提供的循环流化床(CFB)碳化反应器中通过碳化捕集二氧化碳CO₂的方法。所述方法包括以下步骤：

- 将金属氧化物MeO富集的固体流通往循环流化床(CFB)碳化反应器的下部；

- 将二氧化碳CO₂富集的气体流通往所述反应器；

- 通过使存在于二氧化碳CO₂富集的气体系统中的二氧化碳CO₂与金属氧化物MeO反应形成金属碳酸盐MeCO₃，捕集二氧化碳CO₂；

- 在分离单元中从烟道气分离金属碳酸盐MeCO₃；

- 从分离单元收集金属碳酸盐MeCO₃富集的固体流；

- 随后将所述金属碳酸盐MeCO₃富集的固体流分开和冷却成为两个或更多个冷却的固体流，形成两个或更多个部分；

- 通过在各个可能的位置将所述金属碳酸盐MeCO₃富集的固体流的一个或多个冷却的部分加入到所述CFB碳化反应器，调节所述CFB碳化反应器的温度，以优化温度分布，用于CO₂捕集目的。