專利名稱：一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于清潔能源利用和節能減排技術領域，尤其涉及一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置。
背景技術：
隨著我國經濟的迅速發展，CO2減排任務極其艱巨，探索研究新型的CO2減排技術非常重要。化學鏈燃燒(Chemical Looping Combustion, CLC)作為一種新型燃燒方式，具有優越的CO2分離特性，日益受到關注。CLC作為一種新型的燃料和空氣非混合燃燒技術，其基本原理是借助于載氧體(oxygen carrier)的作用將燃燒過程分解為2個氣-固反應一方面利用載氧體分離空氣中的氧；另一方面載氧體將分離的空氣中的氧傳遞給燃料，進行燃料的無火焰燃燒，如圖I所示。CLC不僅能夠根除燃料燃燒時NOx的產生、提高燃料的燃燒效率，且燃料完全轉化時，反應產物僅包含空氣和水蒸氣，無需額外的分離裝置和措施，經過簡單的冷凝處理就可以得到高純的CO2，便于后續存貯處理。化學鏈燃燒反應器的設計與優化是目前國內外學者的研究重點之一。反應器的形式對于化學鏈燃燒的工業應用至關重要，目前可應用于化學鏈燃燒的反應器形式大多為流化床反應器，且以串行流化床反應器為主，雖然有較高的轉化效率，但載氧體的流化和分離使得系統相對復雜且能耗高，受可靠性和經濟性限制，實現大型化運行仍然任重道遠。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種能實現氣體燃料的化學鏈燃燒反應，無需將載氧劑流化，從而降低了反應器的能量消耗，也避免了常規的固定床化學鏈燃燒反應裝置的復雜管道布置和換向控制機構，而且結構簡單，制造安裝和運行維護方便的回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置。本發明的技術方案是一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置包括機架、固定床、上端蓋、下端蓋、隔板、氣體管、排氣管、驅動機構和密封機構；
所述驅動機構由變頻調速電機、減速器和聯軸器組成；
所述固定床呈圓柱形，其內部由燃料反應區、空氣反應區和密封區三部分組成，所述密封區設置在所述燃料反應區與空氣反應區之間，所述燃料反應區和空氣反應區內均設置有若干隔板，所述隔板將所述燃料反應區和空氣反應區分為多個體積相等的扇形區域，每個所述扇形區域均內部填充有載氧體，所述固定床的底部設有篦板，外沿接觸面設有滑動軌道，圓心設置有驅動軸；
所述上端蓋的下端面的直徑與所述固定床的直徑相等，其內部由上端蓋隔板分為體積相等的兩個腔體，每個腔體上均開有管孔，每個所述管孔上均連接所述排氣管；所述上端蓋隔板的下端對稱設置與所述扇形區域端面大小相等的扇形密封板，
所述下端蓋的上端面的直徑與所述固定床的直徑相等，其內部由下端蓋隔板分為體積相等的兩個腔體，每個腔體上均開有管孔，每個所述管孔上均連接所述氣體管；所述下端蓋隔板的上端對稱設置與所述扇形區域端面大小相等的扇形密封板；所述下端蓋的上端面外沿上設置支撐軌道，所述支撐軌道內設有滾珠；
所述上端蓋和下端蓋同心安裝于所述固定床的上端和下端，所述固定床與所述上端蓋和下端蓋連接處內外均設有所述密封結構，所述上端蓋和下端蓋分別固定安裝在所述機架上，所述驅動軸通過所述聯軸器和減速器與所述變頻調速電機聯接，所述支撐軌道和滾珠與所述滑動軌道配合可以保證所述變頻調速電機驅動所述固定床轉動時的工作軸線，避免轉動跑偏，并減小摩擦阻力和動力消耗。進一步，所述固定床與所述上端、下端蓋間外部的密封機構為水封，所述水封采用上部圓形密封刀浸入下部圓形密封水槽，浸入深度根據燃料氣和空氣間的壓差而定。 所述固定床與所述上端蓋和下端蓋的接觸面的邊沿設置的密封機構為動密封，所述動密封為氣封或迷宮密封實現扇形密封板底面與所述固定床的扇形區域上端和下端平面之間的密封，防止燃料反應區和空氣反應區之間的串氣。所述氣體管路和出氣管路上均設有設置閥門和流量控制器以調節氣體流量。所述固定床、上端蓋、下端蓋、隔板、上端蓋扇形密封板和下端蓋扇形密封板內襯耐火材料；所述氣體管、排氣管外覆有保溫材料。所述載氧體根據氣體燃料的種類填充金屬氧化物載氧體或硫酸鹽非金屬載氧體。本裝置的氣體燃料的化學鏈燃燒反應過程如下氣體燃料經管路進入燃料反應區，與其中的載氧體顆粒發生氣固反應，氣體燃料被氧化后轉變為CO2和水蒸氣，經熱氣管路進入透平機做功或換熱器釋熱，然后經冷凝器將水分去除后成為CO2純度較高的氣體，最后將其壓縮變成干冰或封存處理；空氣進入空氣反應區與失氧后的載氧體顆粒發生氣固反應，載氧體顆粒被氧化重新獲得氧，而失氧后的空氣經管路進入透平機做功或換熱器釋熱。本發明的有益效果由于采用上技術方案，本發明與串行流化床化學鏈燃燒反應裝置相比，載氧體不需要進行傳遞，省卻了流化輸送所消耗的能量及其流化和分離裝置；與現有固定床化學鏈燃燒反應裝置相比，不需要復雜的管路布置和換向機構；系統可以實現連續運行，并能根據氣體燃料流量進行規模的放大或增加裝置臺數。
圖I是化學鏈燃燒工作原理示意圖。圖2是回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置的結構示意圖。圖3是回轉式固定床上端蓋截面A-A不意圖。圖4是回轉式固定床下端蓋截面B-B不意圖。圖5是回轉式固定床橫截面C-C示意圖。圖中
I.固定床，2.篤板,3.上端蓋,4.下端蓋,5.氣體管,6.排氣管,7.隔板,8.驅動軸，
9.閥門，10.流量控制器，11.上端蓋隔板，12.下端蓋隔板，13.扇形密封板，14.變頻調速電機，15.減速器，16.聯軸器，17.密封機構，18.支撐軌道，19.滾珠,20.機架,21.載氧體，22.燃料反應區，23.空氣反應區，24.密封區。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步說明。如圖2飛所示為本發明一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置的結構示意圖，該裝置由固定床1，篦板2，上端蓋3，下端蓋4，氣體管5，排氣管6，隔板7，驅動軸8，閥門9，流量控制器10，上端蓋隔板11，下端蓋隔板12，扇形密封板13，變頻調速電機14，減速器15，聯軸器16，密封機構17，支撐軌道18，滾珠19，機架20，載氧體21，燃料反應區22，空氣反應區23，密封區24組成。呈圓柱形的固定床1，其內部由燃料反應區22、空氣反應區23和密封區24三部分 組成，密封區24設置在燃料反應區22與空氣反應23區之間，燃料反應區22和空氣反應 區23內均設置有若干隔板7，用于阻止燃料氣和空氣之間串風，燃料反應區22和空氣反應區23的大小可根據氣體燃料種類和流量等具體設定或調整，隔板7同時可以起到輪轂的支撐作用以增加固定床I的機械強度及抗變形能力，每個扇形區域內部均填充載氧體21，床底部設篦板2對載氧體21起支撐作用，外沿接觸面設有滑動軌道，圓心位置設置有驅動軸8伸出通過聯軸器16與減速器15和調速電機14連接，固定床I兩端分別設有同心安裝的上端蓋3和下端蓋4，端蓋與固定的機架20緊固連接，上端蓋3的下端面的直徑與固定床I的直徑相等，其內部由上端蓋隔板11分為體積相等的兩個腔體，每個腔體上均開有管孔，每個所述管孔上均連接有排氣管6 ;上端蓋隔板11的下端對稱設置與扇形區域端面大小相等的扇形密封板13，下端蓋4的上端面的直徑與固定床I的直徑相等，其內部由下端蓋隔板12分為體積相等的兩個腔體，每個腔體上均開有下端蓋管孔，每個所述管孔上均連接氣體管5 ;所述下端蓋隔板的上端對稱設置與所述扇形區域端面大小相等的扇形密封板；下端蓋4外沿接觸面上設置支撐軌道18和滾珠19，固定床下端部外沿設滑動軌道，三者配合既可以保持固定床轉子的工作軸線，避免轉動跑偏，又可以減小摩擦阻力和動力消耗。氣體管5和出氣管6上均設有設置閥門9和流量控制器10以調節氣體流量。固定床I的外殼、上端蓋、下端蓋及其隔板內襯耐火材料,氣體管5和出氣管6的管外覆有保溫材料。設置在固定床I與上端蓋3、下端蓋4間的外部的密封機構17為水封，水封采用上部圓形密封刀浸入下部圓形密封水槽，浸入深度根據燃料氣和空氣間的壓差而定；
設置在所述固定床I與所述上端蓋3和下端蓋4的接觸面的邊沿上的密封機構17為動密封，所述動密封為氣封或迷宮密封實現扇形密封板底面和所述固定床的扇形區域上端和下端平面之間的密封，防止燃料反應區和空氣反應區之間的串氣。所述固定床內部可以根據氣體燃料的種類填充不同材料的載氧體，如金屬氧化物(如CuO、Mn2O3、Co3O4、NiO和Mn2O3等)載氧體和硫酸鹽(如CaS04、BaS04等)非金屬載氧體。燃料反應區與空氣反應區的載氧體分別經歷失氧和得氧，反應完全后反應能力喪失，需要將其交替更新，驅動機構即可實現此功能。驅動機構可以采用軸驅動方式，亦可采用曲柄連桿機構或齒輪傳動機構等其他方式，本實施例中驅動機構包括變頻調速電機14、減速器15和聯軸器16等。驅動機構將變頻調速電機14的轉動轉化為固定床回轉運動的驅動力，帶動固定床I在上端蓋3、下端蓋4之間勻速轉動。變頻調速電機的轉速可根據工況進行調節，滿足反應裝置的不同工況需求。該裝置氣體燃料的化學鏈燃燒反應過程如下氣體燃料經氣體管5進入燃料反應區22，與其中的載氧體21顆粒發生氣固反應，氣體燃料被氧化后轉變為CO2和水蒸氣，經排氣管6進入透平機做功或換熱器釋熱，然后經冷凝器將水分去除后成為CO2純度較高的氣體，最后將其壓縮變成干冰或封存處理；空氣經氣體管5進入空氣反應區23與失氧后的載氧體顆粒發生氣固反應，載氧體21顆粒被氧化重新獲得氧，而失氧后的空氣經排氣管6進入透平機做功或換熱器釋熱。這樣，氣體燃料和空氣的燃燒化學反應被分解成燃料反應器 22和空氣反應器23中的兩個氣固反應，而化學反應熱被反應后氣體帶走，進入透平機做功或換熱器釋熱。
權利要求
1.一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，其特征在于，該裝置包括機架(20)、固定床(1)，篦板(2)、上端蓋(3)、下端蓋(4)、氣體管(5)、排氣管(6)、隔板(7)、驅動軸(8)驅動機構和密封機構(17)； 所述驅動機構由變頻調速電機(14)、減速器(15)和聯軸器(16)組成； 其中，所述固定床呈圓柱形，其內部由燃料反應區(22)、空氣反應區(23)和密封區(24)三部分組成，所述密封區(24)設置在所述燃料反應區(22)與空氣反應區(23)之間，所述燃料反應區(22)和空氣反應區(23)內均設置有若干隔板(7)，所述隔板(7)將所述燃料反應區(22)和空氣反應區(23)分為多個體積相等扇形區域，每個所述扇形區域內部均填充有載氧體(21)，所述固定床(I)的底部設有篦板(2)，外沿接觸面設有滑動軌道，圓心設置有所述驅動軸(8)； 所述上端蓋(3)的下端面的直徑與所述固定床(I)的直徑相等，其內部由上端蓋隔板(11)分為體積相等的兩個腔體，每個腔體的頂端均開有管孔，每個所述管孔上均設有所述排氣管(6);所述上端蓋隔板的下端對稱設置與所述扇形區域端面大小相等的扇形密封板(13)， 所述下端蓋(4)的上端面的直徑與所述固定床(I)的直徑相等，其內部由下端蓋隔板(12)分為體積相等的兩個腔體，每個腔體的頂端均開有下端蓋管孔，每個所述管孔上均設有所述氣體管(5);所述下端蓋隔板(12)的上端對稱設置與所述扇形區域端面大小相等的扇形密封板(13);所述下端蓋(4)的上端面外沿上設置支撐軌道(18)，所述支撐軌道(18)內設有滾珠(19)； 所述上端蓋(3)和下端蓋(4)同心安裝于所述固定床(I)的上端和下端，所述固定床(I)與所述上端蓋(3)和下端蓋(4)的連接處外側和接觸面的邊沿上均設有所述密封結構(17)，所述上端蓋(3)和下端蓋(4)均固定安裝在所述機架(20)上，所述驅動軸(8)通過所述聯軸器(16)與減速器(15)和所述變頻調速電機(14)聯接，所述支撐軌道和滾珠(19)與所述滑動軌道(18)配合可以保持所述變頻調速電機(14)驅動所述固定床(I)轉動時的エ作軸線，避免轉動跑偏，并減小摩擦阻力和動カ消耗。
2.根據權利要求I所述的回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，其特征在于，設置在固定床(I)與上端蓋(3)、下端蓋(4)間的外部的密封機構(17)為水封,水封采用上部圓形密封刀浸入下部圓形密封水槽，浸入深度根據燃料氣和空氣間的壓差而定； 設置在所述固定床(I)與所述上端蓋(3)和下端蓋(4)的接觸面的邊沿上的密封機構(17)為動密封，所述動密封為氣封或迷宮密封實現扇形密封板底面和所述固定床的扇形區域上端和下端平面之間的密封，防止燃料反應區和空氣反應區之間的串氣。
3.根據權利要求I所述的回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，其特征在于，所述氣體管(5)和出氣管(6)上分別設置閥門(9)和流量控制器(10)以調節氣體流量。
4.根據權利要求I所述的回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，其特征在于，所述固定床(I)、上端蓋(3)、下端蓋(4)、隔板(7)、上端蓋隔板(11)、下端蓋隔板(12)和扇形密封板(13)的內襯為耐火材料；所述氣體管(5)和排氣管(6)的管外覆有保溫材料。
5.根據權利要求I所述的回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，其特征在于，所述載氧體(21)根據氣體燃料的種類填充金屬氧化物載氧體或硫酸鹽非金屬載氧體。
全文摘要
一種回轉式固定床化學鏈燃燒反應裝置，包括回轉式固定床、端部連接管、驅動機構和密封機構。回轉式固定床可以在驅動機構的作用下旋轉，床體被密封隔版分為燃料反應區和空氣反應區，內部填充載氧體；燃料氣進入燃料反應區與其中的載氧體發生氣固反應，燃料被氧化后轉變為CO2和水蒸氣，經熱氣管路進入透平機做功或換熱器釋熱，然后經冷凝器將水分去除后成為CO2純度較高的氣體，最后將其壓縮變成干冰或封存處理；在空氣反應區載氧體顆粒被氧化重新獲得氧，而失氧后的空氣經管路進入透平機做功或換熱器釋熱。該裝置載氧體不需要進行傳遞，省卻了流化輸送所消耗的能量及其流化和分離裝置；不需要復雜的管路布置和換向機構；可以實現連續運行。
文檔編號F24J1/00GK102767906SQ20121026653
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者劉訓良, 樓國鋒, 溫治, 秦冬麗, 蘇福永, 豆瑞鋒 申請人:北京科技大學