一种水煤浆气化化学链燃烧装置及燃烧方法与流程

本发明涉及化学链燃烧，特别涉及一种水煤浆气化化学链燃烧装置及燃烧方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、随着全球对能源需求的增长和环境问题的凸显，对高效、清洁能源的需求变得愈发紧迫。尽管传统燃烧技术在一定程度上满足了这一需求，但其存在能量损失和有害气体排放等问题。为了克服这些局限性，化学链燃烧技术应运而生。这种技术以其具备co2内分离特性的新型燃烧方式为特征，无需额外能源即可实现co2的分离。化学链燃烧系统通过载氧体在两个反应器之间的循环，将传统的燃料与控制直接接触反应的燃烧分解为两个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料中。有效实现了n2与co2的分离，避免了co2额外的能量消耗。同时，该系统还能够实现能量的梯级利用，提高了整个系统的能量利用效率。因此，化学链燃烧技术在燃料转化过程中的应用，对于降低我国的co2排放，实现燃料的经济、高效、清洁利用具有极为重要的意义。

3、在化学链燃烧系统中，载氧体的选择和反应器结构的设计对整个燃烧过程起到至关重要的作用。其中，反应器结构的设计对于化学链燃烧技术的反应器设计和运行提出一系列关键要求，包括对反应器结构、材料和操作条件的全面考虑。反应器设计必须确保高效的传热和传质过程。通过选择适当的反应器结构，能够在整个反应链的各个步骤中实现能量和物质的有效传递。串行流化床反应器系统因其卓越的传热传质特性，在化学链燃烧中广泛应用。

4、目前，传统固体燃料直接化学链燃烧过程存在如下问题：1)载氧体直接与煤接触时，煤灰可能会对载氧体造成明显影响。灰分可能会覆盖载氧体的活性表面，对载氧体表面孔隙造成堵塞，从而降低晶格氧传递效率，进而对反应器性能产生负面影响。某些灰分成分可能对载氧体材料造成腐蚀，最终导致载氧体的寿命降低。此外，灰分会粘结在载氧体表面，影响载氧体的流化性能。2)载氧体循环量大，传统燃料反应器的热量全部由载氧体从空气反应器携带而来，为了维持燃料反应器的温度，载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的循环量非常高。载氧体的高循环量需要消耗大量动力，因此运行和投资成本较高。3)考虑到载氧体的耐温特性以及灰熔融特性，传统的燃料反应器温度不能过高，约控制在950℃左右，该温度条件下反应器出口煤粉中未转化的碳含量高，导致煤的碳转化率低，影响能量转化效率。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种水煤浆气化化学链燃烧装置及燃烧方法，有效防止了燃料燃烧后熔渣对载氧体的污染，该装置有效避免了燃料燃烧后产生的熔渣对载氧体的污染，从而延长了载氧体的使用寿命，实现了对载氧体的多次循环利用。与此同时，本发明的燃料反应器被气化反应器和空气反应器夹在中间，形成嵌套结构，通过间壁式换热，高温的气化反应器和空气反应器可以为燃料反应器提供部分热量，可以显著减少载氧体的循环量，进而有效降低了投资和运行成本。此外，在本发明中，水煤浆气化过程不受载氧体的影响，使得高温达到1300-1500℃，从而明显提高了碳转化率。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种水煤浆气化化学链燃烧装置，包括气化反应器、套合于气化反应器外侧的燃料反应器和套合于燃料反应器外侧的空气反应器，其中，

4、燃料反应器的底部设置有淬冷室，淬冷室内用于盛装淬冷液，淬冷室与燃料反应器的本体部分通过布风板分隔；

5、气化反应器的底部出口连接淬冷管，淬冷管的底部插入淬冷室中；气化反应器的顶部分别与水煤浆源和气化剂源连接；

6、燃料反应器的底部通过返料器与空气反应器连接，用于将还原后的载氧体输送至空气反应器中；

7、空气反应器的顶部通过旋风分离器与燃料反应器连接，用于将氧化后的载氧体返回燃料反应器。

8、燃料反应器被气化反应器和空气反应器夹在中间，形成嵌套结构，通过间壁式换热，高温的气化反应器和空气反应器可以为燃料反应器提供部分热量，同时也显著减少了载氧体的循环量，进而有效降低了投资和运行成本。

9、粗合成气和熔渣的混合物进入淬冷装置，分离出熔渣(熔渣经排渣口排出)，得到纯净的合成气，再经布风板通入燃料反应器中，防止了熔渣将载氧体污染，有利于载氧体的循环利用。

10、布风板可使载氧体不会掉入淬冷装置中，载氧体与co和h2发生氧化还原反应，载氧体被co和h2还原为mexoy-1，co和h2分别被载氧体氧化为co2和水蒸气，生成的co2和水蒸气从燃料反应器上部的出气口逸出，冷凝出水蒸气，得到纯净的co2。

11、在一些实施例中，气化反应器的本体完全位于燃料反应器的内部，其进料口向外延伸出气化反应器。水煤浆和气化剂在气化反应器中发生气化反应，产生粗合成气和熔渣，由于气化反应属于放热反应，会产生大量的热量，将气化反应器完全放置于燃料反应器内部，通过间壁加热方式对燃料反应室进行加热，可以有效避免气化反应器中热量的流失浪费。

12、在一些实施例中，气化反应器的底部呈漏斗状，淬冷管连接在漏斗的最低处。由于水煤浆在气化反应过程中会产生大量的熔渣，将气化反应器的底部设置成漏斗状，可以有效将产生的熔渣排出，避免产生熔渣的排出死角。

13、优选的，所述淬冷管的出口端为喇叭口。

14、在一些实施例中，所述气化反应器为直立圆筒形钢制耐压容器，内壁设置有耐火层。耐火层的设置可以有效防止熔渣和粗煤气对气化反应器的侵蚀。

15、在一些实施例中，所述布风板倾斜设置于淬冷管与燃料反应器内壁之间，沿自淬冷管向燃料反应器的方向向下倾斜设置。

16、布风板的上方承接载氧体，将布风板倾斜设置，有利于使与合成气反应后的载氧体通过返料器返回空气反应器中。

17、此外，布风板的倾斜设置，可以在一定程度上减小流经淬冷液的合成气的携带淬冷液的量，一方面避免淬冷液的浪费，另一方面可以减小夹带的淬冷液对后续反应产生不利影响。

18、在一些实施例中，所述空气反应器的设置有旋风分离器的一侧以及其相对侧均通过返料器与燃料反应器连接，返料器和空气反应器之间通过料腿连接，料腿的端部用于与空气源连接，利用压缩空气为返回的载氧体提供动力。

19、优选的，所述空气反应器的底部平整，且整体呈倾斜设置，设置所述旋风分离器的一端位于最低端。

20、将空气反应器的底部倾斜设置，返回的还原后的载氧体与空气反应后汇集在设置旋风分离器的一侧，汇集的载氧体在压缩空气的吹动下进入旋风分离器中，便于实现将氧化后的载氧体回收至燃料燃烧器中。

21、在一些实施例中，所述淬冷室的最低端设置有排渣口，淬冷室的侧壁上设置有注液口。

22、由于水煤浆气化过程中会产生大量的熔渣，淬冷室中收集的熔渣可以通过排渣口外排，淬冷室中的淬冷液的量不足时，可以通过注液口注入补充。

23、在一些实施例中，燃料反应器和空气反应器的与环境接触的部分设置有隔热层。以防止反应体系热量的浪费。

24、第二方面，本发明提供一种水煤浆气化化学链燃烧方法，包括如下步骤：

25、将水煤浆和氧气通入气化反应器中进行气化反应，反应温度为1300～1500℃，反应压力为3～6.5mpa；

26、水煤浆经气化反应产生的粗合成气和熔渣进入淬冷室中，分离出熔渣，得到的纯净合成气进入燃料燃烧器中，与载氧体反应，合成气反应生成co2和水蒸气，载氧体被还原；

27、还原后的载氧体经返料器进入空气反应器中，与空气反应，氧化后的载氧体被气流输送至旋风分离器，被分离后的载氧体返回燃料反应器中。

28、气化反应器中由于没有载氧体的参与，其反应温度可以达到1300～1500℃，不但可以提高水煤浆的气化程度，还可以使熔渣保持熔融状态，便于熔渣的收集分离(熔渣的灰熔点在1300℃以下，以此来确保气化过程中灰渣处于熔融状态，便于液态排渣)。

29、在一些实施例中，燃料燃烧器中的反应温度为900～950℃。

30、在一些实施例中，所述载氧体选自cu基载氧体、fe基载氧体、mn基载氧体、ni基载氧体、co基载氧体、硫酸钙或氧化硅中的一种或其组合。

31、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

32、1.明显提高碳转化率：与传统固体燃料气化方法相比，本发明的气化过程在高温下进行(1300-1500℃)，且气化过程不受载氧体的影响，碳转化率及转化效率都明显提升，此技术突破使得固体燃料的气化变得更为高效。

33、2.明显降低载氧体循环量：通过创新设计，本发明所述的燃料反应器被气化反应器和空气反应器夹在中间，形成嵌套结构，通过间壁式换热，高温的气化反应器和空气反应器可以为燃料反应器提供部分热量，可以显著减少了载氧体的循环量，进而有效降低了投资和运行成本。

34、3.明显延长载氧体寿命：在传统固体燃料气化过程中，常见问题是载氧体容易受到煤灰的影响，引发堵塞、覆盖和腐蚀等不利情况。与此不同，本发明以水煤浆为原料进行气化和化学链燃烧。水煤浆是一种复合燃料，由65％的煤、34％的水和1％的化学添加剂组成，在经过精心工艺加工后，其具备高热值、低灰分、易点燃、排渣方便等优势。在特定的水煤浆气化过程中，通过淬冷装置分离不可气化的灰分和熔渣，确保载氧体不受污染。这不仅显著延长了载氧体的使用寿命，有效控制了污染物排放，而且废弃的灰渣还可以进行综合利用。

35、综上所述，本发明在水煤浆气化化学链燃烧领域呈现出显著的创新性和实用性，为固体燃料的高效利用提供了可行且可持续的解决方案。