煤脱硫脱碳燃烧方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种煤燃料脱硫脱碳方法，煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应生成包含煤灰、CaS、Cu和Cu2S的固体产物，以及包含CO2和水蒸气的气相产物；其中，气相产物冷凝分离后，得到高浓度的CO2；而固相产物混合物被逐级分离后，分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO，再利用CuO分解释放出的纯O2与Cu2S进行氧化反应，生成高浓度的SO2作为原料用于硫酸制备。本发明专利技术还提供了实现上述煤燃烧及定向脱碳脱硫方法的装置，主要由燃料反应器系统、硫的在线脱除系统以及空气反应器系统三部分组成。本发明专利技术能耗低，而且可以连续运行，并分别获得高浓度的CO2和SO2，在达到煤的高效利用的同时、实现煤中的碳及反应过程中产生的硫组分的定向脱除。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤燃烧领域，具体涉及一种煤脱硫脱碳燃烧方法和装置，用于煤燃烧过程中的碳捕获及煤燃烧时气、固硫组分的分离转化，实现煤的定向脱碳及脱硫。
技术介绍
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一位的现状，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。与其它各类燃煤CO2减排技术相比，直接以煤为燃料的化学链燃烧技术，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。在各类煤化学链燃烧氧载体中，相对于CuO、NiO, Fe2O3等金属氧载体，CaSO4作为氧载体尽管分布广泛，价格低廉，而且理论氧容量为O. 46，是上述各类金属氧载体的理论氧容量的二倍还多，具有显著的优势。但是，CaSO4作为氧载体，反应活性较低。最主要的是，反应过程会释放出大量的SO2，不仅造成严重的环境污染，而且掺混在煤燃烧反应尾气中的气相硫组分(以H2S为主)，导致尾气中CO2分离的困难以及输送过程中严重的管路腐蚀，从而极大地限制了煤化学链燃烧过程中CaSO4作为氧载体的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种脱碳脱硫的煤粉燃烧方法及装置，以CaSO4-CuO作为复合氧载体，基于煤的化学链燃烧技术，克服传统煤燃烧尾气脱硫方法成本高、系统复杂的缺点，在促进煤的有效转化的同时，实现煤利用过程中CO2的有效分离及各类硫组分的转化和脱除。一种煤脱硫脱碳燃烧方法，具体为(I)在CO2流态化介质作用下,煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应,生成包含煤灰、CaS, Cu和Cu2S的固体产物，以及包含CO2和水蒸气的气相产物；(2)步骤(I)得到的气相产物冷凝分离后得到纯CO2,固相产物通过三级分离过程逐级分离出煤灰、CaS、Cu和Cu2S ；(3)经过步骤(2)分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO ；(4)在水蒸气气氛下，步骤(2)氧化反应生成的CuO分解生成固相Cu2O和气相O2 ；(5)将步骤(4)生成的固体Cu2O与步骤(2)分离出的Cu2S混合，以步骤(4)得到的O2作为流态化介质及氧化剂，在纯O2气氛下，Cu2SXu2O与O2发生氧化反应，生成CuO固体和SO2 ；(6)步骤(5)生成的CuO与步骤(2)分离出的CaS混合后，与空气发生氧化反应，生成CaSO4-CuO复合氧载体，返回步骤(I)进行下一次循环反应。进一步地,所述CuO-CaSO4复合氧载体中的CuO与CaSO4质量比大于1:4。进一步地,相对于煤，CuO-CaSO4复合氧载体氧过量系数取值为O. 75!,使煤处于弱贫氧燃烧状态。一种煤脱硫脱碳燃烧装置，包括燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统； 燃料反应器系统包括鼓泡流化床、煤灰分离器、尾气分离器和飞灰捕集器；在线脱硫系统包括CaS分离器、Cu2S分离器、第一流化床反应器、第一 CuO分离器、第二流化床反应器、Cu2O分离器和第三流化床反应器；空气反应器系统包括空气反应器和CaSO4-CuO分离器；鼓泡流化床的第一输出端、煤灰分离器的输入端、煤灰分离器的输出端、CaS分离器的输入端、CaS分离器的第一输出端、Cu2S分离器的输入端、Cu2S分离器的第一输出端、第一流化床反应器的输入端、第一流化床反应器的输出端、第一 CuO分离器的输入端、第一CuO分离器的输出端、第二流化床反应器的输入端、第二流化床反应器的输出端、Cu2O分离器的输入端、Cu2O分离器的输出端、第三流化床反应器的第一输入端、第三流化床反应器的输出端、第二 CuO分离器的输入端、第二 CuO分离器的输出端、空气反应器的第一输入端、空气反应器的输出端、CaSO4-CuO分离器的输入端、CaSO4-CuO分离器的输出端以及鼓泡流化床I的输入端依次管道连通形成回路；CaS分离器的第二输出端管道连接空气反应器的第二输入端，Cu2S分离器的第二输出端管道连接第三流化床反应器的第二输入端，鼓泡流化床的第二输出端管道连接尾气分离器的输入端，尾气分离器3的输出端管道连接飞灰捕集器的输入端。本专利技术的技术效果体现在(I)燃料适应性广，除了低硫高反应性优质煤及高硫低反应性无烟煤，还可以使用石油焦、污泥等其它含碳固体燃料。(2)氧载体采用CaSO4-CuO复合氧载体，既有效的提高了 CaSO4的反应性，也克服了 CuO等金属氧载体氧容量低的不足。(3)同时，CaSO4-CuO复合氧载体与煤进行还原反应时，CaSO4被逐步还原为CaS，CaSO4及CaS的熔点分别为1460及2525° C。因此，随着CaSO4还原反应的进行，反应产物CaS的熔点不断升高，抗烧结能力不断增强；而CuO及还原产物Cu的熔点分别为1446及1085° C。随着CuO还原反应的进行，反应产物中所形成的Cu的含量的增加，固相反应产物的熔点不断降低，抗烧结能力不断下降。而当CaSO4及CuO有机结合，能够有效的改进CuO及其还原产物Cu抗烧结能力的不足，有利于反应过程中反应活性的保持。(4)煤与复合氧载体中的CuO反应为放热反应，所释放出的热量能够有效的弥补煤与复合氧载体中CaSO4反应时所吸收的热量，实现煤利用过程中热量的自平衡。(5)煤与CaSO4-CuO复合氧载体反应后，气相产物主要为CO2及水蒸气，冷凝分离后可以得到高浓度的CO2，便于后续存贮处理。(6)煤与CaSO4-CuO复合氧载体反应后，固相产物主要为煤灰CaS、Cu、Cu2S等固体产物，当逐级分离后，Cu2S与系统产生的纯O2进行氧化反应，产生的主要为高浓度的SO2,不仅可以实现煤及CaSO4-CuO复合氧载体反应过程中有害硫组分的定向转化及分离，而且所制备的高浓度的SO2还可以作为化工原料，用于硫酸的制备。(7)整个系统可以连续运行，而且通过运行条件优化，可以实现系统能量的自平衡。附图说明图1为本专利技术装置结构图；图2为本专利技术装置工作流程图；图3为煤燃烧过程中相关微观形貌图，其中，图3a为CuO与煤反应的微观形貌，图 3b为CaSO4与煤反应的微观形貌，图3c为CaSO4-CuO复合氧载体与煤反应的微观形貌。具体实施例方式本专利技术所提出的实现定向脱碳脱硫的煤粉燃烧装置，如结构图1所示，主要由燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统三部分组成。具体的，由鼓泡流化床1、煤灰分离器2、尾气分离器13及飞灰捕集器14连接组成燃料反应器系统；由CaS分离器3、Cu2S分离器4，第一级反应分离系统即快速流化床反应器5、CuO分离器6，第二级反应分离系统即流化床反应器7、Cu20分离器8，第三级反应分离系统即流化床反应器9、分离器10依次连接组成在线脱硫系统；最后，由空气反应器11、CaSO4-CuO分离器12组成空气反应器系统。本专利技术以煤等含碳固体及CaS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤脱硫脱碳燃烧方法，具体为：（1）在CO2流态化介质作用下，煤与CaSO4?CuO复合氧载体发生还原反应生成包含煤灰、CaS、Cu和Cu2S的固体产物，以及包含CO2和水蒸气的气相产物；（2）步骤（1）得到的气相产物冷凝分离后得到CO2，固相产物通过三级分离过程逐级分离出煤灰、CaS、Cu和Cu2S；（3）经过步骤（2）分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO；（4）在水蒸气气氛下，步骤（2）氧化反应生成的CuO分解生成固相Cu2O和气相O2；（5）将步骤（4）生成的固体Cu2O与步骤（2）分离出的Cu2S混合，以步骤（4）得到的O2作为流态化介质及氧化剂，在纯O2气氛下，Cu2S、Cu2O与O2发生氧化反应，生成CuO固体和SO2气体；（6）步骤（5）生成的CuO与步骤（2）分离出的CaS混合后与空气发生氧化反应，生成CaSO4?CuO复合氧载体，返回步骤（1）进行下一次循环反应。

【技术特征摘要】
1.一种煤脱硫脱碳燃烧方法，具体为 (1)在CO2流态化介质作用下,煤与CaSO4-CuO复合氧载体发生还原反应生成包含煤灰、CaS, Cu和Cu2S的固体产物，以及包含CO2和水蒸气的气相产物； (2)步骤(I)得到的气相产物冷凝分离后得到CO2,固相产物通过三级分离过程逐级分离出煤灰、CaS、Cu和Cu2S ； (3)经过步骤(2)分离出的Cu与空气氧化反应生成CuO； (4)在水蒸气气氛下，步骤(2)氧化反应生成的CuO分解生成固相Cu2O和气相O2； (5)将步骤(4)生成的固体Cu2O与步骤(2)分离出的Cu2S混合，以步骤(4)得到的O2作为流态化介质及氧化剂，在纯O2气氛下，Cu2S> Cu2O与O2发生氧化反应,生成CuO固体和SO2气体； (6)步骤(5)生成的CuO与步骤(2)分离出的CaS混合后与空气发生氧化反应，生成CaSO4-CuO复合氧载体，返回步骤(I)进行下一次循环反应。2.根据权利要求1所述煤脱硫脱碳燃烧方法，其特征在于，所述CuO-CaSO4复合氧载体中的CuO与CaSO4质量比大于1:4。3.根据权利要求1或2所述煤燃烧定向脱硫脱碳方法，其特征在于，相对于煤，CuO-CaSO4复合氧载体氧过量系数取值为O. 75 1。4.一种煤脱硫脱碳燃烧装置，包括燃料反应器系统、在线脱硫系统和空气反应器系统； 燃料反应器系统包括鼓泡流化床(I)、煤灰分离器(2)、尾气分离器(13)和飞灰捕集器(14);在线脱硫系统包括CaS...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保文，赵海波，郑瑛，柳朝晖，郑楚光，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：