[发明专利]一种连续运行的固体燃料化学链反应系统

说明书

技术领域

本发明涉及清洁能源利用和节能减排技术领域，尤其涉及一种连续运行的固体燃料化学链反应系统。

背景技术

在近年来全球气候变暖及能源危机的急迫形势下，化学链循环过程由于其具有可以将燃料直接转化为可供封存的CO₂的独特能力而格外受到关注，因而各国加大了对化学链工艺的研发力度。化学链循环工艺可以有效地降低CO₂分离能耗并提高化石能源转化效率，极具商业化潜力。

传统的燃料燃烧或者气化过程会产生含有CO₂的废气或者合成气，从中分离出CO₂需要一系列复杂的后序工艺过程。目前工业应用的分离CO₂工艺，其过程能耗较高，不利于低碳经济的可持续发展。通过不同的燃烧和气化路径设计，基于化学链循环概念的工艺过程可以直接产生出可供封存的CO₂，避免了高能耗的CO₂捕集过程，并且提高了化石能源转化效率。化学链工艺可以被应用于燃烧和气化过程，其原料选择广泛，如煤、天然气、石油焦和生物质等。

化学链燃烧( Chemical Looping Combustion, CLC)作为一种新型燃烧方式，具有优越的CO₂分离特性，其基本原理是借助于载氧体（oxygen carrier）的作用将燃烧过程分解为2个气-固反应，利用两个反应器通过载氧体将空气中的氧传递给燃料，进行燃料的无火焰燃烧，如图1所示。CLC不仅能够避免燃料常规燃烧时NO_x的产生、提高燃料的燃烧效率，且燃料完全转化时的反应产物仅包含CO₂和水蒸气，无需额外的分离装置和措施，经过简单的冷凝处理就可以得到高纯的CO₂，便于后续存贮处理。

基于CLC的CO₂内分离特点，应用CLC制氢成为当前的一个研究热点。化学链制氢过程(CLH)以水蒸气代替空气作为氧化剂引入空气反应器来完成氧载体的再生，同时水蒸汽被还原产生氢气，如图2所示。通过合成气的水汽转化反应（WGS）制氢是氢气生产的主要途径之一，但是由于合成气生产过程的限制，通过该方法生产的H₂与CO₂分离比较困难，而且水汽转化反应过程的能耗和成本较高，而CLH则能更好的解决这一问题。

如图3所示，固体燃料气化技术是将煤细粉颗粒与氧、水蒸气等反应，转化成氢和一氧化碳等合成气的技术。煤粉与气化剂（水蒸气、CO₂、O₂）一起从喷嘴吹入炉内，煤粉在数秒内气化，灰分熔融后下流至炉底，再在水槽内水冷固化、破碎，排出炉外。煤气化与CLC相结合技术可实现燃烧后的CO₂零排放，减少热损失。

化学链反应器的设计及循环系统的开发应用是目前国内外学者的研究重点之一。反应器的形式对于化学链燃烧的工业应用至关重要，目前可应用于化学链工艺的反应器形式大多为流化床反应器，且以串行流化床反应器为主，虽然有较高的转化效率，但载氧体的流化和分离使得系统相对复杂且能耗高，受可靠性和经济性限制，实现大型化运行仍然任重道远。化学链工艺循环系统的开发应用也是目前研究热点之一，在系统运行过程中的气体泄漏、载氧体输送等问题仍然受到结构的限制。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术缺陷之一，提供一种能实现固体燃料化学链反应的移动床反应装置及循环系统，可以实现固体燃料气化和提供热量的双重功能，无需将载氧剂流化，从而降低反应器的能量消耗，也解决了串行流化床化学链反应系统中载氧体输送困难的问题，而且结构紧凑，制造安装和运行维护方便。

本发明提供一种连续运行的固体燃料化学链反应系统，其特征在于，所述固体燃料化学链反应系统包括上储料罐（2），中储料罐（11），下储料罐（26），空气反应器（8），燃料反应器，所述燃料反应器由移动床燃料反应器（16）和固体燃料气化反应器（19）两部分组合而成；所述空气反应器（8）与所述燃料反应器串联；其中，空气反应器（8）和移动床燃料反应器（16）为移动床反应器，固体燃料气化反应器（19）为喷动床反应器。