专利名称：一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤燃烧技术领域，具体涉及一种便于煤基化学链燃烧的方法和装置，实现煤等含碳固体燃料的高效利用及充分转化。
背景技术：
直接以煤为燃料的化学链燃烧技术，作为一种新型的氧燃烧方式，直接以氧载体代替空气，实现煤的非混合无焰燃烧，具有显著的优点，不仅能在损失较小能量的情况下、实现煤燃烧过程中CO2的有效分离；而且避免了煤直接与空气燃烧过程中的不可逆损失，实现了系统内部热量的梯级利用，具有较高的燃烧效率；同时，还能有效的抑制煤燃烧过程中NOx的生成。但是，直接以煤为燃料的化学链燃烧过程中，存在如下两个重大的限制环节，具体如下首先，燃烧过程中，主要发生的仍旧是煤气化产物与氧载体之间的气固氧化反应，而不是煤粉颗粒直接与氧载体之间的固固反应；同时，由于煤气化速率远低于煤气化产物与氧载体之间的反应速率，是直接以煤为燃料的化学链燃烧的限制环节，导致化学链燃烧过程中，煤粉难以完全气化、充分利用，煤燃烧尾气中包含一定的可燃不凝结气体，主要为co、h2、ch4。其次，直接以煤为燃料的化学链燃烧过程中，煤与氧载体的反应主要在燃料反应器中进行，燃料反应器的结构形式以鼓泡床反应器为主。鉴于煤与氧载体的二元床料中，煤的密度比氧载体的密度小得多，二者之间存在较大的密度差，易于发生床料偏析，导致煤与氧载体难于有效接触、充分流态化。而当煤粉颗粒运动到氧载体颗粒上端热解、气化时，所产生的不凝结可燃气体(主要包括CO、H2, CH4),因无法与氧载体接触，也难于被氧化。正是基于上述原因，导致了直接以煤为燃料的化学链燃烧过程，煤粉难以有效气化、充分利用，煤燃烧尾气中所掺杂的不凝气体，主要包括CO、H2, CH4，不仅会导致CO2分离困难，耗能增加；而且导致煤粉难于充分燃烧，很不经济。因此，采取有效措施，促进尾气中不凝结气体的燃烧转化，对于煤的高效转化及煤化学链燃烧的推广应用，都具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法，将煤的纯氧燃烧技术与化学链燃烧技术有机结合，既克服纯氧燃烧中纯O2制备的高成本、高耗能的限制，又促进煤的有效转化、高效利用，消除煤燃烧尾气中不凝结气体，获得高浓度的CO2，便于后续存贮处理。本发明的目的还在于提供实现上述方法的装置，将煤的纯氧燃烧技术与化学链燃烧技术有机结合，既克服纯氧燃烧中纯O2制备的高成本、高耗能的限制，又促进煤的有效转化、高效利用，消除煤燃烧尾气中不凝结气体，获得高浓度的CO2，便于后续存贮处理。
一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法，具体为(I)利用钨基氧化物作为复合氧载体，与含碳燃料发生还原反应，生成Cu、W、C02和不凝结气体；(2)步骤(I)还原反应生成的W和Cu，在空气气氛下发生氧化反应，重新生成CuffO4 ；(3)步骤(2)氧化反应生成的CuWO4，借助氧化反应产生的热量，在水蒸气气氛下分解，产生02、Cu2O和WO2，产生的O2与步骤(I)生成的不凝结气体反应生成CO2和水蒸气；(4)步骤(3)分解产生的Cu2O和WO2,再在空气气氛下发生氧化反应，重新形成CuffO4,返回步骤(I)继续下一次循环反应，本步骤反应释放的热量作为步骤(I)还原反应的热源。一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧装置，包括依次管道连接形成回路的还原反应器的第一输出端、第一氧化反应器的输入端、第一氧化反应器的输出端、第一分离器的输入端、第一分离器的输出端、分解反应器的输入端、分解反应器的输出端、第二分离器的输入端、第二分离器的第一输出端、第二氧化反应器的输入端、第二氧化反应器的输出端、第三分离器的输入端、第三分离器的输出端和还原反应器的第一输入端；第二分离器的第二输出端通过冷凝器7管道连接还原反应器I的第二输入端。本发明的技术效果体现在(I)本发明采用钨基氧化物作为复合氧载体，具有较高的反应协同性及释氧容量，因此具有较大的实用潜力。(2)钨基氧化物分解释放O2为吸热反应，而钨基氧化物与煤反应的还原产物再与空气氧化再生又是放热反应，所释放出的热量完全满足钨基氧化物分解释放O2时所需要的热量，从而通过钨基氧化物还原产物的氧化再生及钨基氧化物的分解不仅实现了 O2的制备，在无需外部热源的情况下，实现了热量的平衡。(3)CuW04分解产生的Cu2O和WO2在空气气氛下发生氧化反应，重新形成CuWO4,并释放热量，该热量可提供给钨基氧化物与煤的还原反应，促进煤的有效转化、高效利用，无须额外提供能量，降低耗能。(4)制备得到的O2与钨基氧化物和煤还原反应产生的不凝结气体反应，生成CO2和水蒸气，有效消除了煤燃烧尾气中不凝结气体。(5)燃料适应性广，除了不同反应性的煤外，其它固体含碳燃料，比如污泥、石油焦、生物质等，也适用。(6)制氧系统中，第一空气反应器与分解反应器采用嵌套式结构，能够有效的完成钨基氧化物与煤反应后的还原产物(Cu、W)的氧化再生，及再生氧化物的分解制氧，简化了系统流程。(7)整个系统可以连续运行，而且通过运行条件优化，实现系统能量的自平衡，节能经济。
图1为本发明方法流程图；图2为本发明装置结构图3为纯O2射流管的第一种布置图(对角布置)；图4为纯O2射流管的第二种布置图(对冲布置)；图5为CuTO4分解释O2图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1给出本发明方法流程图，一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法，具体为( I)利用钨基氧化物作为复合氧载体，与含碳燃料发生还原反应，生成Cu、W、C02和不凝结气体；(2)步骤(I)还原反应生成的W和Cu，在空气气氛下发生氧化反应，重新生成CuffO4,并释放热量；(3)步骤(2)重新生成的CuWO4,借助氧化反应产生的热量分解产生O2Xu2O和WO2,产生的O2与步骤(I)生成的不凝结气体反应生成CO2和水蒸气；(4)步骤(3)分解产生的Cu2O和WO2，在空气气氛下发生氧化反应，重新形成CuWO4,并释放热量，返回步骤(I)继续下一次循环反应，本步骤释放的热量作为步骤(I)还原反应的热源。本发明所提出的实现具有自热制氧功能的煤粉燃烧装置的一种较佳实现方式，如图2所示，包括燃料反应器系统、纯O2制备系统和空气反应器系统三部分。具体的，由还原反应器1、分离器10及飞灰捕集器11连接组成燃料反应器系统；由密封阀2、氧化反应器3、分解反应器4、分离器5，6及冷凝器7依次连接组成纯O2制备系统；由氧化反应器8及分离器9组成空气反应器系统。鼓泡流化床设计为长方体(也可为圆柱体)，所制备的纯O2通过射流管引入燃料反应器I中，射流管的布置方式或为四角布置(参见图3)，射流管轴心与鼓泡流化床相邻两侧壁的夹角均为45°，所喷射的O2与不凝结气体以切圆方式燃烧；或者射流管放置在鼓泡流化床的侧壁中间，为对冲布置方式(参见图4)。这样加强了纯O2与不凝结气体的湍流混合，有利于不凝结气体的充分燃烧。还原反应器I可采用鼓泡流化床、喷动床和二段式反应器等，氧化反应器3和8可采用快速流化床反应器、移动床等，分解反应器4可采用快速流化床反应器、移动床等。本发明实例中，还原反应器I采用鼓泡流化床，氧化反应器3和8采用快速流化床反应器，分解反应器4采用快速流化床反应器。下面以煤等含碳固体为燃料，以CuWO4作为复合氧载体为例，进行一系列的反应过程，便于煤的充分转化，而所生成高纯的CO2，则便于后续存贮处理，具体实施流程如下(I)首先，在鼓泡流化床I中，在CO2流态化介质作用下，引入定量的煤与CuWO4反应，生成CO2、水蒸气、少量不凝结气体CO、CH4和H2及钨基还原固相产物Cu、W ;(2)步骤(I)得到的气相产物(包括CO2和水蒸气及携带的飞灰)通过分离器10，分离出的飞灰进入捕集器11进行捕获，而气相CO2和水蒸汽通过分离器10排出，冷凝分离后就可以得到高浓度的CO2，便于后续处理； (3 )步骤(I)得到的固相产物W及Cu，通过密封阀2进入快速流化床反应器3中，在600-900°C和空气气氛下，进行氧化再生，重新生成CuWO4，而反应后的残余空气由分离器5的排气口排出；(4)步骤(3)所再生形成的CuWO4，通过分离器5与残余空气分离，并由分离器5的料腿引入快速流化床反应器4，借助步骤(3)氧化反应产生的热量，在水蒸气气氛下，分解产生O2及固相产物Cu20、W02，并在分离器6中予以分离，O2及残余水蒸气通过冷凝器7进行冷凝分离，制得纯净的O2 (参见图5);步骤(I)所产生不凝结气体在反应器I中向上流动，不凝结气体与纯O2接触反应，充分转化，形成CO2和水蒸气；(5)而步骤(4)所分解形成的Cu2O和WO2固相产物则引入快速流化床反应器8中，在600-90(TC和空气气氛下，氧化再生，重新形成CuWO4，并在分离器9中与残余空气分离；本步骤反应释放的热量作为步骤(I)还原反应的热源。(6)步骤(5)所再生制备得的CuWO4通过分离器9引入燃料反应器I中，与煤在反应器I下部进行还原反应，产生Cu、W等固相还原产物，并重新通过密封阀2引入反应器3，进行下一次循环反应。除了所述实例中的CuWO4以外，还可采用MnW04、NiW04及CoWO4等钨基氧化物作为复合氧载体。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法，具体为 (1)利用钨基氧化物作为复合氧载体，与含碳燃料发生还原反应，生成Cu、W、CO2和不凝结气体； (2)步骤(I)还原反应生成的W和Cu，在空气气氛下发生氧化反应，重新生成CuWO4； (3)步骤(2)氧化反应生成的CuWO4，在水蒸气气氛下分解，产生O2Xu2O和WO2，产生的O2与步骤(I)生成的不凝结气体反应生成CO2和水蒸气； (4)步骤(3)分解产生的Cu2O和WO2，再在空气气氛下发生氧化反应，重新形成CuWO4,返回步骤(I)继续下一次循环反应。
2.根据权利要求1所述的粉燃烧方法，其特征在于，所述钨基氧化物为CuW04、MnffO4,NiffO4及CoWO4中的任意一种。
3.一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧装置，包括依次管道连接形成回路的还原反应器的第一输出端、第一氧化反应器的输入端、第一氧化反应器的输出端、第一分离器的输入端、第一分离器的输出端、分解反应器的输入端、分解反应器的输出端、第二分离器的输入端、第二分离器的第一输出端、第二氧化反应器的输入端、第二氧化反应器的输出端、第三分离器的输入端、第三分离器的输出端和还原反应器的第一输入端；第二分离器的第二输出端管道连接冷凝器的输入端，冷凝器的输出端管道连接还原反应器的第二输入端。
4.根据权利要求3所述的煤粉燃烧装置，其特征在于，所述冷凝器的输出端通过四个射流管连接还原反应器，四个射流管分别一一连接还原反应器的四角，各射流管分别与其相邻的两侧壁形成45度夹角；或则四个射流管均匀分布于还原反应器的侧壁中心，且射流管垂直于还原反应器的侧壁。
5.根据权利要求3或4所述的煤粉燃烧装置，其特征在于，所述还原反应器采用鼓泡流化床、喷动床或二段式反应器，第一、二氧化反应器采用快速流化床反应器或移动床，分解反应器采用快速流化床反应器或移动床。
6.根据权利要求3或4所述的煤粉燃烧装置，其特征在于，还包括第四分离器和飞灰捕集器，第四分离器的输入端连接第一氧化反应器的第一输出端，第四分离器的输入端连接飞灰捕集器的输入端。
全文摘要
本发明提供了一种具有自热制氧功能的煤粉燃烧方法，利用钨基氧化物作为复合氧载体与含碳燃料发生还原反应，生成Cu、W、CO2和不凝结气体；还原反应生成的W和Cu在空气气氛下发生氧化反应，重新生成CuWO4；氧化反应生成的CuWO4借助氧化反应产生的热量分解产生O2、Cu2O和WO2，O2与生成的不凝结气体反应生成CO2和水蒸气；分解产生的Cu2O和WO2再在空气气氛下发生氧化反应重新形成CuWO4，返回继续下一次循环反应。本发明还提供实现上述方法的装置。本发明利用钨基还原产物氧化再生释放出的热量，满足再生产物分解释放O2所需要的热量，从而不仅可以制备得到纯净的O2，实现热量的平衡；同时，消除了煤燃烧尾气中不凝结气体。
文档编号F23L7/00GK103062787SQ20121054623
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月15日 优先权日2012年12月15日
发明者王保文, 赵海波, 郑瑛, 柳朝晖, 郑楚光 申请人:华中科技大学