具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法及装置

摘要

本发明提供了一种具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法，对CuFe2O4进行分解生成O2和氧缺位铁酸盐CuFe2O4-δ(0≤δ≤2)，气化后的煤粉与氧缺位铁酸盐发生氧化反应生成CO2、H2O和不凝结气体，其中不凝结气体与分解得到的O2进行氧化反应生成CO2、水蒸气。实现上述方法的装置包括由快速流化床、第一旋风分离器、两段式鼓泡流化床、U型流动密封阀和快速流化床依次连通构成的回路，鼓泡流化床还与第二旋风分离器连通，第二旋风分离器连通捕灰器。本发明将煤的纯氧燃烧技术和化学链燃烧技术有效结合，既克服纯O2的制备成本，又充分实现煤反应后高浓度CO2的分离。

权利要求

1.一种具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法，对CuFe2O4进行分解生成O2和氧缺位铁酸盐，气化后的煤粉与氧缺位铁酸盐发生氧化反应生成CO2、H2O和不凝结气体，不凝结气体与分解得到的O2再进行氧化反应生成CO2和水蒸汽。

2.一种实现权利要求1所述的具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法的装置，包括由快速流化床（1）、第一旋风分离器（2）、鼓泡流化床（3）的上半段、鼓泡流化床（3）的下半段、U型流动密封阀（4）和快速流化床（1）依次连通构成的回路；鼓泡流化床（3）的上半段还与第二旋风分离器（5）连通，第二旋风分离器（5）连通捕灰器（6）；鼓泡流化床（3）的上半段和下半段的相接处为束腰式结构。

说明书

具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤粉燃烧方法及装置。

背景技术

[0002] 随着能源需求的快速增长和化石燃料使用量的急剧增加，导致温室气体CO2在自然界的累积量不断加大，控制化石燃料燃烧过程CO2的排放，对于应对温室效应和全球变暖具有重要的作用。特别是对于中国，鉴于其能源结构以煤为主的特点，CO2排放水平急剧增加并已经居于世界第二位的现状，开发高效的燃煤CO2减排技术，控制我国燃煤CO2排放水平，具有重大的社会意义和经济价值。

[0003] 传统的煤粉燃烧技术中，由于空气中N2对于煤燃烧尾气的稀释，导致燃煤尾气中CO2的体积份额只有15％左右，因此要从大流量和低CO2体积份额的烟气中对CO2进行捕获分离，需要耗费大量的成本和能量。鉴于此，用从空气中分离的纯O2代替助燃空气作为氧化剂的纯氧燃烧技术，可以使煤燃烧反应尾气中CO2的体积浓度高达90-95％，从而以较小的代价冷凝压缩后实现CO2的永久封存。但是，该技术的主要缺点是，空气分离制备高纯O2的投资大、能耗高。

[0004] 与上述的纯氧燃烧技术不同，直接以煤为燃料的化学链燃烧技术，首先由金属氧化物作为氧载体，与煤及其气化产物在燃料反应器中进行还原反应，被还原的氧载体再传递送入空气反应器中进行氧化再生。相对于纯氧燃烧技术，该技术具有显著的特点和优势，不仅能够根除煤在传统燃烧反应过程中产生的NOx，提高煤的利用效率；同时，当煤与氧载体完全反应时，反应产物仅包含CO2和水蒸气，无需额外的分离装置和措施，经过简单冷凝处理，就可以得到高纯CO2，便于后续存贮处理。但以煤为燃料时，由于煤气化速率比氧载体与煤气化产物反应的速率低得多，导致煤与氧载体反应不完全，煤反应尾气中含有CO、H2和CH4等不凝气体，给尾气中CO2的分离造成很大的困难和障碍。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法及装置，将煤的纯氧燃烧技术和化学链燃烧技术有效结合，既克服纯O2的制备成本，又实现煤反应后高浓度CO2的高效分离。

[0006] 一种具有CO2捕获功能的煤粉燃烧方法，对CuFe2O4进行分解生成O2和氧缺位铁酸盐，氧缺位铁酸盐与气化后的煤粉发生还原反应生成CO2、H2O和不凝结气体，不凝结气体再与分解得到的O2进行氧化反应生成CO2和H2O。

[0007] 一种实现上述煤粉燃烧方法的装置，包括由快速流化床1、第一旋风分离器2、鼓泡流化床3的上半段、鼓泡流化床3的下半段、U型流动密封阀4和快速流化床1依次连通构成的回路；鼓泡流化床3的上半段还与第二旋风分离器5连通，第二旋风分离器5连通捕灰器6；鼓泡流化床3的上半段和下半段的相接处为束腰式结构。

[0008] 本发明的技术效果体现在：本发明在两段式鼓泡流化床反应器中，以CuFe2O4为氧载体，使得CuFe2O4分解释放出纯O2气、CuFe2O4氧载体与煤及其气化产物的还原反应、煤未充分反应所释放出的不凝气体(包括CO、H2和CH4等)与纯O2气的充分氧化等过程能够在同一反应装置中有效进行，克服了煤纯氧燃烧技术中制造纯氧过程能耗大、成本高的缺陷，煤化学链燃烧技术中煤利用效率低等诸多弊端，把煤的纯氧燃烧技术和煤的化学链燃烧技术有机的结合起来，而煤反应后所得到的是CO2和水蒸气，经过冷凝分离后，可以得到高浓度的CO2气体，便于后续存贮处理，从而有效的防止了燃煤尾气排空时所造成的大气中CO2的浓度水平的急剧增加，对于实现煤的洁净利用，高浓度CO2的高效低能耗捕获，燃煤CO2排放水平及大气中CO2浓度水平的有效降低，温室效应和全球变暖的的抵制，具有深远的社会意义和经济价值。

附图说明

[0009] 图1是本发明装置结构示意图。

具体实施方式

[0010] 本发明所提出的具有CO2捕获功能的新型煤粉利用装置，由快速流化床1、第一旋风分离器2、鼓泡流化床3、U型流动密封阀4、第二旋风分离器5以及捕灰器6组成。快速流化床1的上部与第一旋风分离器2连通，通过第一分离器2排出反应剩余空气，而第一旋风分离器2下部料腿与鼓泡流化床3的上半段相连通，煤反应尾气通过第二旋风分离器5排出，煤飞灰以及细小的氧载体颗粒通过捕灰器6进行收集，而该鼓泡流化床3的下半段则与U型流动密封阀4相连，再引入快速流化床1，完成氧载体的氧化再生以及后续的多次循环输送。鼓泡流化床采用两段式，上半段和下半段的相接处为束腰式结构，即该上半段的下口以及下半段的上口均逐渐向内收拢，使得相接处的截面积小于上，下段的截面积，这对于流化床气体流场的组织以及氧载体与煤颗粒的有效混合和充分反应，非常有利。

[0011] 本发明所提出的具有CO2捕获功能的新型煤粉利用技术，把CuFe2O4氧载体由大旋风分离器2输送进入鼓泡流化床反应器3的上段，完成CuFe2O4氧载体的纯O2的分解释放，并在B区域形成富氧气氛；煤由CO2气力输送进入该流化床反应器3的下半段，以水蒸气或者CO2作为流化介质，通过该流化床反应器的底端进入，使煤进行充分气化，分解释放出氧气的CuFe2O4氧载体(氧缺位铁酸盐)则与煤及其气化产物在C区域进行还原反应，反应气体流过该流化床的上半段时与CuFe2O4分解释放出的纯O2在B区域进一步进行纯氧燃烧，尾气通过小旋风分离器5排出，其中的水蒸气经过冷凝分离就可以得到高浓度CO2，而被分离的飞灰和氧载体细颗粒则通过捕灰器6进行收集。同时，在该流化床3下半段被还原的氧载体CuFe2O4，则传递进入U型流动密封阀4，在水蒸气的流化下，使得煤焦颗粒以及氧载体颗粒进一步反应，尽量避免CO2泄露进入快速流化床1中，而被还原的氧缺位铁酸盐则进一步通过U型流动密封阀4进入快速流化床1，其与空气氧化反应再生为CuFe2O4，从而完成以CuFe2O4为氧载体以煤为燃料的整个化学链燃烧过程。以此，使CuFe2O4分解释放出纯O2、CuFe2O4氧载体与煤及其气化产物的还原反应、以及煤未充分反应所释放出的不凝气体(包括CO、H2和CH4等)与纯O2的充分氧化等诸多反应过程，集成在同一个反应器中并分阶段有效进行，从而把煤与纯O2的纯氧燃烧技术以及煤与金属氧载体的化学链燃烧技术有机结合。

[0012] CuFe2O4分解得到的氧缺位铁酸盐CuFe2O4-δ(0≤δ≤2)返回快速流化床1，其与空气充分氧化再生为氧载体CuFe2O4，并吸收该反应释放出的大量的热量，然后携带大量热量的再生CuFe2O4氧载体通过第一旋风分离器2进入鼓泡流化床3的上半段，利用其所携带的大量热量，并在煤与原有CuFe2O4反应产物所形成的还原性气氛下，分解释放出纯O2，从而完成该氧载体的多次循环利用。