一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法。该方法包括两路载氧体循环，第一路循环采用弱氧化性载氧体，其晶格氧作为介质部分氧化挥发分，再用被还原的载氧体和水蒸气进行半焦的脱氧气化，实现两步法化学链气化；第二路循环采用强氧化性载氧体，通过其完全氧化部分产气来实现CO2的富集，再被空气氧化来产热，实现系统能量的供应。本发明专利技术可实现固体燃料的分步转化，强化原料中挥发分的有效转化，避免焦油对产气的影响。同时，可实现化学链气化的解耦，获得H2/CO不同的富CO气和富H2气。并且可以减少转化过程中CO2的生成，并对生成的CO2进行富集回收，有效降低碳排放。原料适应性好，产品品质高，对环境友好。对环境友好。对环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法


[0001]本专利技术属于合成气生产
，涉及一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法，是一种利用金属氧化物或复合金属氧化物作为载氧体、催化剂和加热介质，由固体含碳燃料两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法。

技术介绍

[0002]气化是固体含碳燃料高效利用的重要方式，其目的是生产以CO、H2和CH4为主的合成气，用于产热、电或者进一步加工生成燃料和化工产品。开发新型气化技术来制备清洁合成气同时捕集过程中CO2，对于实施“双碳”战略、缓解当前能源环境问题和维护国家能源安全都具有重要意义。传统的气化过程发生在同一时间和空间中，包含了原料热解、挥发分重整、半焦气化以及燃烧等一系列反应。由于反应耦合，反应之间存在相互影响，例如热解产生的挥发分会抑制半焦的气化过程，并造成产气中焦油高；当使用空气作为气化介质时，合成气还易被氮气和CO2稀释，造成合成气品质下降。
[0003]化学链气化是一种新型解耦气化技术。化学链气化系统通常由燃料反应器和空气反应器两个反应器组成，采用高温固体床料在两个反应器之间循环。高温固体床料作为热载体为气化过程提供能量，同时作为氧载体，以晶格氧的形式提供气化介质。该技术与传统技术相比的优点在于：(1)晶格氧作为气化介质，不需要空分系统，产气不受氮气稀释；(2)载氧体具有催化作用，提高了气化反应效率；(3)合成气中焦油的含量较低。因此，固体含碳燃料的化学链气化具有极高的研究和应用价值。
[0004]而现阶段固体含碳燃料化学链气化工艺中，强氧化性的载氧体消耗了产物中的H2和CO，导致了合成气呈现出高CO2、低有效合成气的特点，往往需要特定的CO2分离单元来实现的合成气的提质和CO2的富集。究其根本原因主要是载氧体中的晶格氧会转移到合成气中，最终以CO2和H2O的形式存在。专利CN 113072981 A公开了一种功能性复合载氧体化学链脱氧气化协同CO2转化方法，该方法包括生物质和失氧铁酸钙在CO2气氛中气化，通过催化焦油和烃类裂解、重整，产生生物炭、轻质焦油和高品质合成气；随后，生物炭在高温下气化，将铁酸钙还原为失氧铁酸钙，用于新的循环。该方法实现了失氧铁酸钙与生物质的气化，降低了载氧体晶格氧对产气的影响。但存在如下不足：该方法是在CO2气氛下进行，产气中CO2浓度依然很高，需要进一步的分离工序来降低CO2的浓度；同时，该方法缺乏H2/CO调控机制，导致合成气中CO浓度远高于H2，合成气品质依然有待提高。最后，该方法中采用生物炭还原载氧体，这种固
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固反应在实际反应系统中也可能由于传热、传质效率低导致反应速率慢。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有固体含碳燃料化学链气化工艺CO2浓度高、有效合成气低的问题，以及需要特定的CO2分离单元来实现的合成气的提质和CO2的富集的问题。提出一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置和方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置，主要由还原反应器、气化反应器、提升加热反应器、颗粒分级器和CO2富集反应器组成，形成两路循环。
[0008]第一路循环包括还原反应器、气化反应器、提升加热反应器和颗粒分级器；所述还原反应器固体出料口与气化反应器进料口连接，所述气化反应器固体出料口与所述提升加热反应器下部连接，所述提升加热反应器上部经颗粒分级器与还原反应器进料口相连接；
[0009]第二路循环包括CO2富集反应器、提升加热反应器和颗粒分级器；所述CO2富集反应器固体出料口与提升加热反应器下部相连通，所述提升加热反应器上部经颗粒分级器与所述CO2富集反应器固体进料口相连通。
[0010]所述还原反应器将从颗粒分级器送入的高温高价态的载氧体1与从进料口送入的固体含碳燃料发生脱挥发分和化学链气化反应，生成合成气1、半焦和失氧的载氧体1；合成气1一部分采出，另一部分送入CO2富集反应器的气体进口，从还原反应器分流出的部分合成气1和从颗粒分级器送入的高温高价态的载氧体2在CO2富集反应器中发生氧化还原反应，生成CO2和H2O混合气以及低温失氧的载氧体2，混合气冷凝H2O后获得高浓度CO2。
[0011]所述气化反应器将从还原反应器固体出料口送入的半焦和失氧的载氧体1气化生成合成气2、灰分和低温高价态的载氧体1，合成气2采出，灰分和低温高价态的载氧体1送入提升加热反应器中。
[0012]所述提升加热反应器将低温高价态的载氧体1和低温失氧的载氧体2混合并温度提升，获得高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2，然后送入颗粒分级器分离后，将高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2分别送入还原反应器和CO2富集反应器中。
[0013]一种两步法化学链气化同时富集CO2的方法，所述方法包括两路不同氧化性质载氧体的循环。
[0014]在还原反应器中，经过干燥的固体含碳燃料和高温高价态的载氧体1快速换热并发生脱挥发分反应和化学链气化反应，生成合成气1、半焦和失氧的载氧体1；对合成气1进行分流，一部分作为产品气采出，一部分引入CO2富集反应器。引入CO2富集反应器的部分占合成气1的质量占比为0.3～0.8。
[0015]在气化反应器中，来自还原反应器的失氧的载氧体1和半焦进行水蒸气气化，生成合成气2、灰分和载氧体1；合成气2作为产气采出。
[0016]在CO2富集反应器中，分流出的合成气1和高温高价态的载氧体2发生氧化还原反应，生成CO2、H2O和低温的失氧载氧体2；将生成的水冷凝分离，获得高浓度的CO2。
[0017]CO2富集反应器中形成的低温失氧的载氧体2进入提升加热反应器底部，低温失氧的载氧体2被通入的热空气氧化为高价态的载氧体2，放出的热量用来加热高价态的载氧体2使其温度升高，从而获得高温高价态的载氧体2。
[0018]高温高价态的载氧体2与来自气化反应器的灰分和低温高价态的载氧体1混合，使低温高价态的载氧体1温度升高成为高温高价态的载氧体1；然后灰分、高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2被热空气提升至颗粒分级器；含尘尾气、高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2在颗粒分级器中被分离，其中含尘尾气经过除尘和热量回收后排空，高温高价态的载氧体1返回还原反应器，形成第一路循环；高温高价态的载氧体2返回CO2富集反应器，形成第二路循环。
[0019]所述合成气1中H2和CO摩尔比小于1.5；所述合成气2中H2和CO摩尔比大于1.5。
[0020]所述载氧体1包括但不限于为单金属氧化物(FeO，CeO2，Cr2O3)或双金属氧化物(LaFeO2，CaFe2O4，Ca2Fe2O5，Ba2Fe2O5)等。优选的，所述载氧体1是双金属氧化物；优选的，所述载氧体1的颗粒粒度为0.2
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0.4mm。
[0021]所述载氧体2包括但不限于为单金属氧化物(Fe2O3，Fe3O4，以及Mn、Ni、Co、Cu等的氧化物，如MnO、Mn3O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两步法化学链气化同时富集CO2的装置，其特征在于，所述的装置主要由还原反应器、气化反应器、提升加热反应器、颗粒分级器和CO2富集反应器组成，形成两路循环；第一路循环包括还原反应器、气化反应器、提升加热反应器和颗粒分级器；所述还原反应器固体出料口与气化反应器进料口连接，所述气化反应器固体出料口与所述提升加热反应器下部连接，所述提升加热反应器上部经颗粒分级器与还原反应器进料口相连接；第二路循环包括CO2富集反应器、提升加热反应器和颗粒分级器；所述CO2富集反应器固体出料口与提升加热反应器下部相连通，所述提升加热反应器上部经颗粒分级器与所述CO2富集反应器固体进料口相连通；所述还原反应器将从颗粒分级器送入的高温高价态的载氧体1与从进料口送入的固体含碳燃料发生脱挥发分和化学链气化反应，生成合成气1、半焦和失氧的载氧体1；合成气1一部分采出，另一部分送入CO2富集反应器的气体进口，从还原反应器分流出的部分合成气1和从颗粒分级器送入的高温高价态的载氧体2在CO2富集反应器中发生氧化还原反应，生成CO2和H2O混合气以及低温失氧的载氧体2，混合气冷凝H2O后获得高浓度CO2；所述气化反应器将从还原反应器固体出料口送入的半焦和失氧的载氧体1气化生成合成气2、灰分和低温高价态的载氧体1，合成气2采出，灰分和低温高价态的载氧体1送入提升加热反应器中；所述提升加热反应器将低温高价态的载氧体1和低温失氧的载氧体2混合并温度提升，获得高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2，然后送入颗粒分级器分离后，将高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2分别送入还原反应器和CO2富集反应器中。2.一种两步法化学链气化同时富集CO2的方法，其特征在于，所述方法包括两路不同氧化性质载氧体的循环；在还原反应器中，经过干燥的固体含碳燃料和高温高价态的载氧体1快速换热并发生脱挥发分反应和化学链气化反应，生成合成气1、半焦和失氧的载氧体1；对合成气1进行分流，一部分作为产品气采出，一部分引入CO2富集反应器；在气化反应器中，来自还原反应器的失氧的载氧体1和半焦进行水蒸气气化，生成合成气2、灰分和载氧体1；合成气2作为产气采出；在CO2富集反应器中，分流出的合成气1和高温高价态的载氧体2发生氧化还原反应，生成CO2、H2O和低温的失氧载氧体2；将生成的水冷凝分离，获得高浓度的CO2；CO2富集反应器中形成的低温失氧的载氧体2进入提升加热反应器底部，低温失氧的载氧体2被通入的热空气氧化为高价态的载氧体2，放出的热量用来加热高价态的载氧体2使其温度升高，从而获得高温高价态的载氧体2；高温高价态的载氧体2与来自气化反应器的灰分和低温高价态的载氧体1混合，使低温高价态的载氧体1温度升高成为高温高价态的载氧体1；然后灰分、高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2被热空气提升至颗粒分级器；含尘尾气、高温高价态的载氧体1和高温高价态的载氧体2在颗粒分级器中被分离，其中含尘尾气经过除尘和热量回收后排空，高温高价态的载氧体1返回还原反应器，形成第一路循环；高温高价态的载氧体2返回CO2富集反应器，形成第二路循环。3.根据权利要求2所述的一种两步法化学链气化同时富集CO2的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐绍平，杜利军，张俊旺，王克超，李欣禹，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：