專利名稱：一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及煤燃燒技術領域，具體涉及一種便于煤基化學鏈燃燒的方法和裝置，實現煤等含碳固體燃料的高效利用及充分轉化。
背景技術：
直接以煤為燃料的化學鏈燃燒技術，作為一種新型的氧燃燒方式，直接以氧載體代替空氣，實現煤的非混合無焰燃燒，具有顯著的優點，不僅能在損失較小能量的情況下、實現煤燃燒過程中CO2的有效分離；而且避免了煤直接與空氣燃燒過程中的不可逆損失，實現了系統內部熱量的梯級利用，具有較高的燃燒效率；同時，還能有效的抑制煤燃燒過程中NOx的生成。但是，直接以煤為燃料的化學鏈燃燒過程中，存在如下兩個重大的限制環節，具體如下首先，燃燒過程中，主要發生的仍舊是煤氣化產物與氧載體之間的氣固氧化反應，而不是煤粉顆粒直接與氧載體之間的固固反應；同時，由于煤氣化速率遠低于煤氣化產物與氧載體之間的反應速率，是直接以煤為燃料的化學鏈燃燒的限制環節，導致化學鏈燃燒過程中，煤粉難以完全氣化、充分利用，煤燃燒尾氣中包含一定的可燃不凝結氣體，主要為co、h2、ch4。其次，直接以煤為燃料的化學鏈燃燒過程中，煤與氧載體的反應主要在燃料反應器中進行，燃料反應器的結構形式以鼓泡床反應器為主。鑒于煤與氧載體的二元床料中，煤的密度比氧載體的密度小得多，二者之間存在較大的密度差，易于發生床料偏析，導致煤與氧載體難于有效接觸、充分流態化。而當煤粉顆粒運動到氧載體顆粒上端熱解、氣化時，所產生的不凝結可燃氣體(主要包括CO、H2, CH4),因無法與氧載體接觸，也難于被氧化。正是基于上述原因，導致了直接以煤為燃料的化學鏈燃燒過程，煤粉難以有效氣化、充分利用，煤燃燒尾氣中所摻雜的不凝氣體，主要包括CO、H2, CH4，不僅會導致CO2分離困難，耗能增加；而且導致煤粉難于充分燃燒，很不經濟。因此，采取有效措施，促進尾氣中不凝結氣體的燃燒轉化，對于煤的高效轉化及煤化學鏈燃燒的推廣應用，都具有重要的意義。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法，將煤的純氧燃燒技術與化學鏈燃燒技術有機結合，既克服純氧燃燒中純O2制備的高成本、高耗能的限制，又促進煤的有效轉化、高效利用，消除煤燃燒尾氣中不凝結氣體，獲得高濃度的CO2，便于后續存貯處理。本發明的目的還在于提供實現上述方法的裝置，將煤的純氧燃燒技術與化學鏈燃燒技術有機結合，既克服純氧燃燒中純O2制備的高成本、高耗能的限制，又促進煤的有效轉化、高效利用，消除煤燃燒尾氣中不凝結氣體，獲得高濃度的CO2，便于后續存貯處理。
一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法，具體為(I)利用鎢基氧化物作為復合氧載體，與含碳燃料發生還原反應，生成Cu、W、C02和不凝結氣體；(2)步驟(I)還原反應生成的W和Cu，在空氣氣氛下發生氧化反應，重新生成CuffO4 ；(3)步驟(2)氧化反應生成的CuWO4，借助氧化反應產生的熱量，在水蒸氣氣氛下分解，產生02、Cu2O和WO2，產生的O2與步驟(I)生成的不凝結氣體反應生成CO2和水蒸氣；(4)步驟(3)分解產生的Cu2O和WO2,再在空氣氣氛下發生氧化反應，重新形成CuffO4,返回步驟(I)繼續下一次循環反應，本步驟反應釋放的熱量作為步驟(I)還原反應的熱源。一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒裝置，包括依次管道連接形成回路的還原反應器的第一輸出端、第一氧化反應器的輸入端、第一氧化反應器的輸出端、第一分離器的輸入端、第一分離器的輸出端、分解反應器的輸入端、分解反應器的輸出端、第二分離器的輸入端、第二分離器的第一輸出端、第二氧化反應器的輸入端、第二氧化反應器的輸出端、第三分離器的輸入端、第三分離器的輸出端和還原反應器的第一輸入端；第二分離器的第二輸出端通過冷凝器7管道連接還原反應器I的第二輸入端。本發明的技術效果體現在(I)本發明采用鎢基氧化物作為復合氧載體，具有較高的反應協同性及釋氧容量，因此具有較大的實用潛力。(2)鎢基氧化物分解釋放O2為吸熱反應，而鎢基氧化物與煤反應的還原產物再與空氣氧化再生又是放熱反應，所釋放出的熱量完全滿足鎢基氧化物分解釋放O2時所需要的熱量，從而通過鎢基氧化物還原產物的氧化再生及鎢基氧化物的分解不僅實現了 O2的制備，在無需外部熱源的情況下，實現了熱量的平衡。(3)CuW04分解產生的Cu2O和WO2在空氣氣氛下發生氧化反應，重新形成CuWO4,并釋放熱量，該熱量可提供給鎢基氧化物與煤的還原反應，促進煤的有效轉化、高效利用，無須額外提供能量，降低耗能。(4)制備得到的O2與鎢基氧化物和煤還原反應產生的不凝結氣體反應，生成CO2和水蒸氣，有效消除了煤燃燒尾氣中不凝結氣體。(5)燃料適應性廣，除了不同反應性的煤外，其它固體含碳燃料，比如污泥、石油焦、生物質等，也適用。(6)制氧系統中，第一空氣反應器與分解反應器采用嵌套式結構，能夠有效的完成鎢基氧化物與煤反應后的還原產物(Cu、W)的氧化再生，及再生氧化物的分解制氧，簡化了系統流程。(7)整個系統可以連續運行，而且通過運行條件優化，實現系統能量的自平衡，節能經濟。
圖1為本發明方法流程圖；圖2為本發明裝置結構圖3為純O2射流管的第一種布置圖(對角布置)；圖4為純O2射流管的第二種布置圖(對沖布置)；圖5為CuTO4分解釋O2圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。圖1給出本發明方法流程圖，一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法，具體為( I)利用鎢基氧化物作為復合氧載體，與含碳燃料發生還原反應，生成Cu、W、C02和不凝結氣體；(2)步驟(I)還原反應生成的W和Cu，在空氣氣氛下發生氧化反應，重新生成CuffO4,并釋放熱量；(3)步驟(2)重新生成的CuWO4,借助氧化反應產生的熱量分解產生O2Xu2O和WO2,產生的O2與步驟(I)生成的不凝結氣體反應生成CO2和水蒸氣；(4)步驟(3)分解產生的Cu2O和WO2，在空氣氣氛下發生氧化反應，重新形成CuWO4,并釋放熱量，返回步驟(I)繼續下一次循環反應，本步驟釋放的熱量作為步驟(I)還原反應的熱源。本發明所提出的實現具有自熱制氧功能的煤粉燃燒裝置的一種較佳實現方式，如圖2所示，包括燃料反應器系統、純O2制備系統和空氣反應器系統三部分。具體的，由還原反應器1、分離器10及飛灰捕集器11連接組成燃料反應器系統；由密封閥2、氧化反應器3、分解反應器4、分離器5，6及冷凝器7依次連接組成純O2制備系統；由氧化反應器8及分離器9組成空氣反應器系統。鼓泡流化床設計為長方體(也可為圓柱體)，所制備的純O2通過射流管引入燃料反應器I中，射流管的布置方式或為四角布置(參見圖3)，射流管軸心與鼓泡流化床相鄰兩側壁的夾角均為45°，所噴射的O2與不凝結氣體以切圓方式燃燒；或者射流管放置在鼓泡流化床的側壁中間，為對沖布置方式(參見圖4)。這樣加強了純O2與不凝結氣體的湍流混合，有利于不凝結氣體的充分燃燒。還原反應器I可采用鼓泡流化床、噴動床和二段式反應器等，氧化反應器3和8可采用快速流化床反應器、移動床等，分解反應器4可采用快速流化床反應器、移動床等。本發明實例中，還原反應器I采用鼓泡流化床，氧化反應器3和8采用快速流化床反應器，分解反應器4采用快速流化床反應器。下面以煤等含碳固體為燃料，以CuWO4作為復合氧載體為例，進行一系列的反應過程，便于煤的充分轉化，而所生成高純的CO2，則便于后續存貯處理，具體實施流程如下(I)首先，在鼓泡流化床I中，在CO2流態化介質作用下，引入定量的煤與CuWO4反應，生成CO2、水蒸氣、少量不凝結氣體CO、CH4和H2及鎢基還原固相產物Cu、W ;(2)步驟(I)得到的氣相產物(包括CO2和水蒸氣及攜帶的飛灰)通過分離器10，分離出的飛灰進入捕集器11進行捕獲，而氣相CO2和水蒸汽通過分離器10排出，冷凝分離后就可以得到高濃度的CO2，便于后續處理； (3 )步驟(I)得到的固相產物W及Cu，通過密封閥2進入快速流化床反應器3中，在600-900°C和空氣氣氛下，進行氧化再生，重新生成CuWO4，而反應后的殘余空氣由分離器5的排氣口排出；(4)步驟(3)所再生形成的CuWO4，通過分離器5與殘余空氣分離，并由分離器5的料腿引入快速流化床反應器4，借助步驟(3)氧化反應產生的熱量，在水蒸氣氣氛下，分解產生O2及固相產物Cu20、W02，并在分離器6中予以分離，O2及殘余水蒸氣通過冷凝器7進行冷凝分離，制得純凈的O2 (參見圖5);步驟(I)所產生不凝結氣體在反應器I中向上流動，不凝結氣體與純O2接觸反應，充分轉化，形成CO2和水蒸氣；(5)而步驟(4)所分解形成的Cu2O和WO2固相產物則引入快速流化床反應器8中，在600-90(TC和空氣氣氛下，氧化再生，重新形成CuWO4，并在分離器9中與殘余空氣分離；本步驟反應釋放的熱量作為步驟(I)還原反應的熱源。(6)步驟(5)所再生制備得的CuWO4通過分離器9引入燃料反應器I中，與煤在反應器I下部進行還原反應，產生Cu、W等固相還原產物，并重新通過密封閥2引入反應器3，進行下一次循環反應。除了所述實例中的CuWO4以外，還可采用MnW04、NiW04及CoWO4等鎢基氧化物作為復合氧載體。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法，具體為 (1)利用鎢基氧化物作為復合氧載體，與含碳燃料發生還原反應，生成Cu、W、CO2和不凝結氣體； (2)步驟(I)還原反應生成的W和Cu，在空氣氣氛下發生氧化反應，重新生成CuWO4； (3)步驟(2)氧化反應生成的CuWO4，在水蒸氣氣氛下分解，產生O2Xu2O和WO2，產生的O2與步驟(I)生成的不凝結氣體反應生成CO2和水蒸氣； (4)步驟(3)分解產生的Cu2O和WO2，再在空氣氣氛下發生氧化反應，重新形成CuWO4,返回步驟(I)繼續下一次循環反應。
2.根據權利要求1所述的粉燃燒方法，其特征在于，所述鎢基氧化物為CuW04、MnffO4,NiffO4及CoWO4中的任意一種。
3.一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒裝置，包括依次管道連接形成回路的還原反應器的第一輸出端、第一氧化反應器的輸入端、第一氧化反應器的輸出端、第一分離器的輸入端、第一分離器的輸出端、分解反應器的輸入端、分解反應器的輸出端、第二分離器的輸入端、第二分離器的第一輸出端、第二氧化反應器的輸入端、第二氧化反應器的輸出端、第三分離器的輸入端、第三分離器的輸出端和還原反應器的第一輸入端；第二分離器的第二輸出端管道連接冷凝器的輸入端，冷凝器的輸出端管道連接還原反應器的第二輸入端。
4.根據權利要求3所述的煤粉燃燒裝置，其特征在于，所述冷凝器的輸出端通過四個射流管連接還原反應器，四個射流管分別一一連接還原反應器的四角，各射流管分別與其相鄰的兩側壁形成45度夾角；或則四個射流管均勻分布于還原反應器的側壁中心，且射流管垂直于還原反應器的側壁。
5.根據權利要求3或4所述的煤粉燃燒裝置，其特征在于，所述還原反應器采用鼓泡流化床、噴動床或二段式反應器，第一、二氧化反應器采用快速流化床反應器或移動床，分解反應器采用快速流化床反應器或移動床。
6.根據權利要求3或4所述的煤粉燃燒裝置，其特征在于，還包括第四分離器和飛灰捕集器，第四分離器的輸入端連接第一氧化反應器的第一輸出端，第四分離器的輸入端連接飛灰捕集器的輸入端。
全文摘要
本發明提供了一種具有自熱制氧功能的煤粉燃燒方法，利用鎢基氧化物作為復合氧載體與含碳燃料發生還原反應，生成Cu、W、CO2和不凝結氣體；還原反應生成的W和Cu在空氣氣氛下發生氧化反應，重新生成CuWO4；氧化反應生成的CuWO4借助氧化反應產生的熱量分解產生O2、Cu2O和WO2，O2與生成的不凝結氣體反應生成CO2和水蒸氣；分解產生的Cu2O和WO2再在空氣氣氛下發生氧化反應重新形成CuWO4，返回繼續下一次循環反應。本發明還提供實現上述方法的裝置。本發明利用鎢基還原產物氧化再生釋放出的熱量，滿足再生產物分解釋放O2所需要的熱量，從而不僅可以制備得到純凈的O2，實現熱量的平衡；同時，消除了煤燃燒尾氣中不凝結氣體。
文檔編號F23L7/00GK103062787SQ20121054623
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月15日 優先權日2012年12月15日
發明者王保文, 趙海波, 鄭瑛, 柳朝暉, 鄭楚光 申請人:華中科技大學