[发明专利]一种两段式燃料反应器结构和工艺流程

说明书

技术领域

本发明涉及一种两段式燃料反应器结构和工艺流程，属于化学链燃烧技术领域。

背景技术

化学链燃烧(Chemical looping combustion)技术是一种具革命性的新型燃烧方式，它将传统的一步燃烧反应分解为两步分别在燃料反应器和空气反应器中进行，通过中间循环氧载体(通常为金属氧化物)将空气中的氧提供给燃料。在传统燃烧反应中，因为N₂的稀释，烟气中CO₂浓度仅13％左右，需要消耗大量的能量才能将其捕集；而在化学链燃烧过程中，燃料和空气是隔离的，因此在燃料反应器中产生的烟气不会被空气中的N₂稀释，其主要成分为CO₂和H₂O，经过简单的冷凝就可以得到高纯度的CO₂以便利用或封存。同时，它还能有效抑制其他污染物的产生，而且，因为能量的梯级利用，化学链燃烧方式可以提高系统的热效率。因此，化学链燃烧技术是一种高效、清洁的燃烧方式，目前也是国内外研究的热点方向。

在化学链燃烧过程中，燃料适应性强，气体、液体、固体燃料均能适用。而针对不同燃料形式、氧载体类型的反应器设计一直是化学链技术研究领域的一项重要工作。2000年以前，化学链技术的相关研究主要集中在使用气体燃料方面，2000年后，各国研究者才逐渐开发燃用固体燃料(主要是煤、石油焦等)的化学链系统。目前，针对燃用固体燃料的化学链燃烧技术，其工艺流程主要有三种类型：1)在化学链燃烧系统前先设置煤气化系统，利用产生的煤气作为化学链燃烧系统的气体燃料；2)将固体燃料和气化介质同时输送到燃料反应器中，固体燃料被气化的同时，产生的合成气即将氧载体还原；3)选用特殊的氧载体类型(如Cu基、Mn基)，其在加热后可以释放出O₂分子，与固体燃料发生气-固反应。其中，第一种工艺流程反应性能较好，且适应性强，但是气化炉装置的投资较大；而第二种工艺中，虽然投资成本可以降低，但是反应速率很低，对化学链燃烧系统的反应器设计提出了很高的要求。

另外，目前设计的用于燃用固体燃料的化学链燃烧反应器主要是串型流化床反应器(Interconnected fluidized-bed)和双循环流化床反应器(Dual CFB)。串行流化床反应器形式类似于传统的循环流化床，由一个快速床的空气反应器和一个低速鼓泡床／湍流床的燃料反应器组成，两个反应床之间用流动密封阀隔绝，然而简单的低速鼓泡床／湍流床结构依然很难满足颗粒长停留时间的需求；双循环流化床反应器由两个循环流化床系统串接而成，这给系统设计、运行控制都带来了较大的困难，同时也会加大系统经济投资。我国的能源结构是以煤为主，因此现在急需开发一套能适用于固体燃料的化学链燃烧装置，能达到反应性能和经济性能均优良的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对燃用固体燃料的化学链燃烧系统中燃料反应器内因为固体燃料气化速率较低，造成氧载体的还原反应速率相应偏低的技术问题，寻求一种新型的燃料反应器结构和操作工艺流程，实现氧载体还原反应的高效进行。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种两段式燃料反应器结构，其特征在于：包括燃料反应器腔体，燃料反应器腔体内有设有栅格网，栅格网将燃料反应器腔体分成下部的气化区和上部的还原区；还原区上端设有排气管道，排气管道中设有三通，三通的其中一路引回到气化区入气口；气化区内设有布风板，布风板上设有风帽，布风板下方为风室，排渣管穿过风室与气化区下端连接；螺旋进料器与气化区侧壁面连接，还原区上端设有进料管，还原区侧面设有出料管。

本发明还提供了一种两段式燃料反应器结构的工艺流程，其特征在于：通过螺旋进料器将固体燃料匀速加入到气化区内，气化介质通过风室入口引入并从布风板上的风帽的气孔中喷出，将气化区内的固体燃料流化的同时气化，形成富燃料气氛；氧载体从进料管不断流入到还原区；系统启动时，气化区内固体燃料气化后产生的合成气随同从气化区入口通入的CO₂气体一起上升喷入到还原区内，并将还原区内的氧载体颗粒流化的同时还原，被还原的氧载体颗粒从出料管排出；系统稳定运行后，逐渐切换至烟气循环方式，反应生成的烟气中，部分烟气直接循环回气化区入口；此时气化区内产生的合成气随同气化区入口抽入的循环烟气一起上升喷入到还原区内；气化区下端的排渣管用于排渣。

优选地，从所述风室入口引入的气化介质为氧气和水蒸气的混合气体。

优选地，所述气化区内固体燃料流化状态为鼓泡床，所述气化区内固体燃料流化并气化的反应温度为900～1300℃。