具有包含气固分离区的反应区的化学回路燃烧方法及使用该方法的设备技术

本发明专利技术的目的是对固体原料进行燃烧的化学回路燃烧方法，在该回路中载氧材料发生流动，所述方法至少包括以下步骤：在以致密流化床运行的第一反应区（R1）中使得固体原料颗粒与金属氧化物颗粒发生接触；存在金属氧化物颗粒的情况下，使得来自第一反应区（R1）的废气在第二反应区（R2）中进行燃烧；在分离区（S3）中，使得从第二反应区（R2）得到的混合物中的气体、未燃烧颗粒与金属氧化物颗粒发生分离，并将金属氧化物颗粒送回到第一区（R1）之前将它们在氧化区（R4）中进行再氧化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于产生能源、合成气和/或氢气的化学回路燃烧（CLC）领域。技术背景化学回路燃烧方法通常包含一个或多个反应区，其中通过使得燃料与含氧固体发生接触进行燃烧，之后在将所述含氧固体送回到燃烧（或还原）区之前，通过使得所述含氧固体在至少一个氧化区中与空气或者水蒸气发生接触进行再氧化。因此，化学回路燃烧由如下步骤构成：在封闭室中使得气体、液体和/或固体烃进料与含氧金属氧化物型固体在高温下发生接触。金属氧化物释放出部分其包含的氧，所述氧参与烃的燃烧。燃烧之后，烟气主要包含二氧化碳、水和可能的氢。实际上，不必将烃进料与空气发生接触，因此烟气基本上由燃烧气体和可能的用于传输和流化颗粒的稀释气体（例如水蒸汽）组成。因此可以生产基本上不含氮气的高CO2含量（大于90体积%）的烟气，可以考虑捕获CO2然后贮存。参与燃烧的金属氧化物再进入另一反应密封室中，其中金属氧化物与空气接触，从而被再氧化。实施化学回路燃烧方法需要大量金属氧化物从而使得所有的燃料发生燃烧。这些金属氧化物通常包含在矿石颗粒中，或者包含在工业处理得到的颗粒（来自钢铁工业或采矿工业的残留物、来自化学工业或精炼的用过的催化剂）中。也可以使用合成材料例如氧化铝或二氧化硅-氧化铝载体，其上沉积有可以被氧化的金属（例如氧化镍）。一种氧化物与另一种氧化物的实际可用的最大含氧量有明显差异，范围通常为0.1和15%，常常为0.3和6重量%之间。因此以流化床方式实施对进行所述燃烧特别有利。实际上，如果赋予颗粒流体的性质，则细分的氧化物颗粒更容易在燃烧和氧化反应密封室中以及在这些密封室之间循环。专利申请FR-2,850,156描述了一种化学回路燃烧方法，其中在将燃料进料到以循环流化床模式运行的还原反应器之前将燃料碾碎。固体燃料颗粒的粉碎实现了更完全和更快速地燃烧，并产生了与循环氧化物分离的几乎100%的飞灰。首先通过旋风器提供了从循环床下游的分离，然后通过装置使得未燃烧的颗粒与金属氧化物颗粒分离。未燃烧的颗粒夹带在氧化区中，从而防止了氧化物反应器流出物中CO2的排放。分离装置包含通过水蒸气进行流化的流化床，这使得细轻颗粒，例如含碳残留物发生分离并将它们再次进料到反应器中，而密度较重且较大的氧化物颗粒被输送到氧化反应器。该装置是较复杂的设备，因为其含有两个内部隔室。此外，根据专利文件FR-2,850,156，在第二循环中使得飞灰与氧化物颗粒分离，其中以流化床模式运行的分离器进行该分离，通过气动输送装置将硫化的飞灰输送到仓筒，在滗析之后在流化床反应器的底部提取金属氧化物。此外，以循环流化床模式运行的还原反应器中涉及的高气体速度，使之不能获得足够的颗粒停留时间使得所有的固体燃料气化，然后发生气化产物的燃烧。因此需要通过将未燃烧的颗粒经过分离器对其进行大量回收。如今，将未燃烧的颗粒从氧化物颗粒中分离是一个精密的操作，因为这需要供给大量额外的气体，这是高耗能的。此外，由于过短的停留时间，难以实现完全燃烧，并且烟气含有大量的CO和H2，这涉及在工艺的下游存在后燃烧区。N.Berguerand的论文“Design and Operation of a 10kWth Chemical-Looping Combustor for Solid Fuels（用于固体燃料的10kWth化学回路燃烧器的设计与运行）”（ISBN 978-91-7385-329-3）中描述了一种允许使用化学回路进行煤燃烧的装置。该装置由氧化反应器、旋风器、流化床组成，所述氧化反应器使用金属颗粒，所述旋风器实现氧化之后颗粒与贫氧空气的分离，所述流化床通过排列在旋风器下面的返回管供给经氧化的金属氧化物，其中通过煤燃烧进行金属氧化物的还原。将煤进料到流化床的上部（稀相中）。在还原反应器中，逐渐发生煤的燃烧：煤颗粒开始向下流动并在稀相中脱除挥发，逆流到流化气体，其中仅存在少量金属氧化物；然后它们与流化的金属氧化物在密相中接触。长停留时间使得煤发生气化并产生含大量一氧化碳和进入到稀相中的氢气的燃烧气体。在反应器的密相中流化速率低，通常在5和30cm/s的范围内，这不能夹带走稀相中的大量金属氧化物；这些金属氧化物有可能促进从稀区排出的气体，例如CO、H2或者挥发烃的燃烧。因此还原反应器流出物中明显含有CO和烃（HC），并且高于数个体积%。因此燃烧效率不是很好，还需要后燃烧区来完成燃烧。此外，根据该文件，还原反应器设置有结合在密相中的颗粒分离器，这需要供给额外的气体用于分离。申请人建立了一种改进的化学回路燃烧法，该方法甚至可以从粗糙状态的燃料颗粒得到固体进料的完全燃烧，同时使得要循环的固体进料量最小化，这使得方法的能源效率最大化。根据本专利技术的燃烧方法可以通过直接在燃烧反应器的出口处对烟气进行燃烧捕获至少90%排放的CO2，捕获率由如下比率定义：从燃烧反应器烟气中排放的CO2量/化学回路燃烧过程中排放的CO2量在根据本专利技术的燃烧过程的出口处，旋风器下游的烟气的CO/CO2摩尔比低于0.05，H2/H2O比低于0.05。在根据本专利技术的化学回路燃烧法中，在一方面，对携有氧气的颗粒以及固体燃料之间的接触进行最优化以促进煤气化反应，在另一方面，还对气化产物与金属氧化物之间的接触进行最优化从而产生经过完全燃烧的流出物（烟气中的H2、CO以及HC<1体积%）。此外，根据本专利技术，在还原反应器烟气除尘阶段的下游进行未燃烧颗粒与金属氧化物颗粒的分离，从而尽量利用烟气的最大动能用于分离两种类型的颗粒。
技术实现思路
因此本专利技术涉及使用化学回路的固体进料的燃烧方法，其特征在于对载氧材料进行循环，所述方法至少包括以下步骤：－存在金属氧化物颗粒的情况下，在以致密流化床模式运行的第一反应区中使得固体进料颗粒发生接触，－存在金属氧化物颗粒的情况下，使得来自第一反应区的气体流出物在第二反应区中进行燃烧，－在分离区中，使得来自第二反应区的混合物中的未燃烧颗粒与金属氧化物颗粒发生分离，－在将金属氧化物颗粒输送回第一反应区之前，使得它们在氧化区中进行再氧化。可以将要在分离区中进行分离的颗粒的混合物供给到该区的流化床的稀相中。固体进料可以选自：煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂以及生活垃圾。反应区中的固体相的平均停留时间范围可以是0.25和20分钟之间，表观气体速度可以是0.3和3m/s之间。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.02 FR 10023251.一种使用化学回路的固体进料的燃烧方法，其特征在于对载氧材料进行
循环，所述方法至少包括以下步骤：
－存在金属氧化物颗粒的情况下，在以致密流化床模式运行的第一反应区
（R1）中使得固体进料颗粒发生接触，
－存在金属氧化物颗粒的情况下，使得来自第一反应区（R1）的气体流出
物在第二反应区（R2）中进行燃烧，
－在分离区（S3）中，使得来自第二反应区（R2）的包含燃烧气体、未燃
烧颗粒以及金属氧化物颗粒的混合物中的未燃烧颗粒与金属氧化物颗粒发生
分离，
－在将金属氧化物颗粒输送回第一反应区（R1）之前，使得它们在氧化区
（R4）中进行再氧化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在分离区（S3）中发生分
离的颗粒混合物是在该区的流化床的稀相中供给。
3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体进料选
自：煤、焦炭、石油焦、生物质、沥青砂以及生活垃圾。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，反应区（R1）中的固
相的平均停留时间范围在0.25和20分钟之间，表观气体速度范围在0.3和3m/s
之间。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，反应区（R2）中气体
的平均停留时间范围在1和20秒之间，固体的平均停留时间范围在2秒和1
分钟之间，区（R1）中的空穴分数大于0.9。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在分离区（S3）中，
通过含有来自第二区（R2）的颗粒的气体燃烧流出物引起至少80%的具有速度
的气流，其他部分由来自外部源的气体提供。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在分离区中（S3）中，
分离区的稀相中的表观气体速度值设定在载氧颗粒平均终端下降速度的30和
300%之间的范围内。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在分离区中（S3）中，分离区

\t的稀相中的表观气体速度值设定在载氧颗粒平均终端下降速度的50和150%之
间的范围内。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在分离区（S3）的出
口处，将含有轻颗粒和部分载氧颗粒的气流输送到至少一个气固分离阶段（S5、
S6），从而回收来自分离区（S3）的气流中所含的几乎所有颗粒，然后将所述
颗粒循环到第一反应区（R1）。
10.如前...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·戈捷，A·霍特，F·格尤鲁，H·斯坦顿，
申请(专利权)人：IFP新能源公司，道达尔股份有限公司，
类型：
国别省市：