[发明专利]耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO₂方法，属于燃料的清洁燃烧和高效利用技术领域。

背景技术

自工业革命以来，化石燃料的大量使用导致CO₂排放量急剧增加，温室效应不断加强，高温、冰川融化等各种极端自然现象给世界造成了巨大的损失。化学链燃烧(Chemical Looping Combustion，简称CLC)作为一种新型的无焰燃烧技术，具有在燃烧过程中自动分离CO₂的天然优势，是目前国际公认的具有重要前景的CO₂减排技术之一。该技术的原理是将传统的燃料与空气直接接触的燃烧反应分解成两个反应，借助载氧体的循环作用在两个反应器(燃料反应器和空气反应器)内实现。在燃料反应器中，燃料被载氧体氧化生成CO₂和水蒸气；在空气反应器中，失氧载氧体与空气发生载氧再生反应得到新鲜载氧体。由于燃料反应器中燃料与载氧体接触反应，燃烧产物未被空气中的N₂稀释，通过简单的冷凝即可得到高纯度的CO₂，从而实现高效低成本的CO₂分离。

目前，国内外研究学者已经对化学链燃烧开展了广泛的研究，其中对于气体燃料CLC的研究已经比较成熟，但对固体燃料CLC的研究尚处于探索阶段，其中系统气固流动机制存在以下难题：

1、多动力源双流化床串行反应器运行可控性差以及流动与反应的关联耦合差。目前绝大多数的固体燃料化学链燃烧系统都选用了多动力源双流化床串行结构(即燃料反应器和空气反应器均为流化床)，通过利用流化床反应器良好的气固混合接触特性，从而有效地提升两反应器的反应性能。然而，这种气固流动机制通常要求形成两套独立的颗粒动力系统(燃料反应器动力系统和空气反应器动力系统)，彼此之间再通过返料实现载氧体颗粒的交换循环，整个系统运行过程繁琐、操作复杂程度较高、可控性较差，进而造成气固流动与反应的稳定性以及耦合性不够理想。

2、单动力源循环流化床/移动床反应器热功率规模受限，载氧效果不理想以及反应器间气体串混严重。一部分的固体燃料化学链燃烧装置采用了单动力源循环流化床/移动床反应器单环串行结构(即燃料反应器为循环流化床，空气反应器为移动床)，此种结构下移动床安置于循环流化床的下降管段，由此整个系统颗粒循环的动力仅来源于循环流化床，从而大大提升了系统结构的简洁性与运行的可控性，并且有效提升了气固流动与反应的稳定性以及耦合性。然而，此种气固流动机制也存在许多不足，(1)移动床的气体处理能力不足，从而导致单位截面积所允许的空气进气量以及系统的输入热功率大幅受限，或者相同气量下反应器的截面积过大，这两点情况均会造成反应器放大困难；(2)载氧过程中载氧体与空气的接触并不完全均匀充分，由此为了保证载氧体的再生效率会造成较高的氧气逃逸率；(3)由于两反应器直接相连通，难免存在两反应器间的气体泄漏与串混，造成CO₂捕集浓度与捕集效率在一定程度上的降低。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO₂方法，克服已有的CLC分离CO₂方法所面临的多动力源双流化床串行反应器运行可控性差、流动与反应的关联耦合差，以及单动力源循环流化床/移动床反应器热功率规模受限、载氧效果不理想、反应器间气体串混严重的问题，达到空气反应器与燃料反应器耦合程度高、系统运行可控性好、系统热功率规模增加以及载氧再生效率高等有益效果。

技术方案：本发明的一种耦合多级逆流载氧的固体燃料化学链燃烧分离CO2方法具体为：

在多级塔式逆流移动床空气反应器中，一级惯性分离器分离下来的失氧的载氧体颗粒从上部进入多级塔式逆流移动床空气反应器发生载氧反应，再生完成后从该反应器下部离开，通过一级返料器再进入燃料反应器；空气从管式进风器入口进入，通过水平圆管下侧面均匀分布的小孔进入空气反应器内部，空气绕流过水平圆管向上运动，与向下运动的载氧体颗粒形成逆流接触，发生氧化还原反应；反应后的贫氧空气进入防堵塞喷嘴，接着从管式排风器出口离开；载氧体颗粒在自上而下平稳流动的过程中，在各级管式排风器和管式进风器之间发生均匀载氧反应，从而实现载氧体颗粒的高效再生。

其中，