專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)鏈燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，全球氣 候變暖趨 勢(shì)日益加劇，各種自然災(zāi)害也明顯增加，大量研究表明這與人類(lèi)利用化石燃料有著密切的聯(lián)系。煤、石油與天然氣等化石燃料提供了 85%以上的世界用能的同時(shí)，但也在燃燒利用過(guò)程中也產(chǎn)生了大量的溫室氣體，是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的一個(gè)主要原因。1997年京都會(huì)議制定的頗具影響的《京都議定書(shū)》中規(guī)定了六種主要的溫室氣體C02、CH4、N20、NFCs、PFCs、SF6，其中CO2的增加對(duì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)大約是70%，因此公約的核心是節(jié)約能源、提高能源利用效率以達(dá)到控制和減少CO2排放。盡管人類(lèi)活動(dòng)所引起的CO2的排放量比自然循環(huán)過(guò)程中的釋放量要少得多，但在人類(lèi)大量使用化石燃料之前，地球上CO2的排放與吸收基本上出于平衡狀態(tài)；而人類(lèi)活動(dòng)排放的大量CO2,使得這種平衡在短時(shí)間內(nèi)被打破，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇。并且CO2在大氣中的壽命很長(zhǎng)(50-200年)，而且自然界對(duì)CO2的吸收率非常小，使得CO2在自然界中的累積量急劇增加。因此，減少化石燃料燃燒所排放的CO2對(duì)于控制溫室效應(yīng)和全球變暖具有重要的意義。因此，如何減少CO2的排放成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)?；瘜W(xué)鏈燃燒一種減排CO2的有效方法，它是通過(guò)載氧體將空氣中的氧以晶格氧的方式傳遞給燃料，實(shí)現(xiàn)燃料在無(wú)空氣氛圍下的燃燒，從而富集CO2?；瘜W(xué)鏈燃燒系統(tǒng)包括2個(gè)反應(yīng)器，即燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器。金屬氧化物作為氧載體在兩個(gè)反應(yīng)器中循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氧和能量的轉(zhuǎn)移。一個(gè)高效的化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)至少要滿(mǎn)足下述三個(gè)主要條件(I)在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器間運(yùn)載足夠的載氧體；(2)能夠提供足夠的反應(yīng)時(shí)間；(3)能夠阻止兩個(gè)反應(yīng)器之間的氣體混合。目前，國(guó)內(nèi)外大多采用的是串行流化床反應(yīng)器化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)。其中，空氣反應(yīng)器為快速流化床，空氣將載氧體顆粒攜帶到氣固分離器，載氧體經(jīng)分離進(jìn)入燃料反應(yīng)器，載氧體與燃料反應(yīng)后由燃料反應(yīng)器進(jìn)入一個(gè)顆粒密封裝置回到空氣反應(yīng)器。雖然這種反應(yīng)器由較高的燃?xì)廪D(zhuǎn)化效率，但在固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中，受其結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，其存在著固體混合物分離困難等問(wèn)題，導(dǎo)致載氧體的傳遞量和利用效率均較低，實(shí)現(xiàn)大型化運(yùn)行仍然任重道遠(yuǎn)。化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器不僅要符合前述化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行要求，還要考慮到其大型化和簡(jiǎn)易化運(yùn)行的要求。完成上述要求才能使得化學(xué)鏈燃燒技術(shù)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)系統(tǒng)及工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置相連，第一氣固分離裝置的固體出口與燃料反應(yīng)器相連；燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置相連，第二氣固分離裝置的固體出口與燃料反應(yīng)器相連，第二氣固分離裝置的氣體出口與冷凝裝置的入口相連，冷凝裝置的氣體出口與燃料反應(yīng)器相連，在空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置之間，以及燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置之間設(shè)置至少一個(gè)電磁控制裝置。具體連接方式為在空氣反應(yīng)器與第一氣固分離裝置之間設(shè)置第一電磁控制裝置時(shí)，空氣反應(yīng)器出口與第一電磁控制裝置的進(jìn)口相連，第一電磁控制裝置的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器相連，第一電磁控制裝置的無(wú)磁性載氧體出口通過(guò)第一氣固分離裝置與燃料反應(yīng)器相連 ；在燃料反應(yīng)器與第二氣固分離裝置之間設(shè)置第二電磁控制裝置時(shí)，燃料反應(yīng)器的出口與第二電磁控制裝置的入口相連，第二電磁控制裝置的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器相連，第二電磁控制裝置的無(wú)磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置的入口相連。所述空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器均為流化床反應(yīng)器。本發(fā)明提供的基于上述燃燒系統(tǒng)的燃燒工藝為將固體燃料和載氧體送入燃燒反應(yīng)器中混合燃燒并發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，利用電磁控制裝置將反應(yīng)后載氧體中包含高價(jià)態(tài)無(wú)磁性金屬氧化物的無(wú)磁性載氧體與包含低價(jià)態(tài)磁性金屬氧化物的磁性載氧體相分離，將無(wú)磁性載氧體送入燃料反應(yīng)器，將磁性載氧體送入空氣反應(yīng)器，提高載氧體的循環(huán)效率。所述載氧體為鐵基載氧體，所述低價(jià)態(tài)磁性金屬氧化物為Fe3O4,高價(jià)態(tài)無(wú)磁性金屬氧化物為Fe2O3。所述固體燃料為煤粉顆?；蛏镔|(zhì)顆粒。本實(shí)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用鐵基載氧體在氧化-還原反應(yīng)過(guò)程中，高價(jià)態(tài)Fe2O3無(wú)磁性、低價(jià)態(tài)Fe3O4有磁性的特點(diǎn)，利用電磁控制裝置，將包含低價(jià)態(tài)Fe3O4的載氧體從燃料反應(yīng)器中分離出來(lái)，送入空氣反應(yīng)器，同時(shí)將包含高價(jià)態(tài)Fe2O3的載氧體從空氣反應(yīng)器中分離出來(lái)，送入燃料反應(yīng)器；從而不僅有效實(shí)現(xiàn)了固體載氧體與未燃盡固體燃料、燃盡灰渣等固體顆粒的高效分離，而且還實(shí)現(xiàn)了高價(jià)態(tài)Fe2O3和低價(jià)態(tài)Fe3O4的有效分離。


圖I為本發(fā)明的工藝流程圖；圖中標(biāo)號(hào)I-空氣反應(yīng)器；2_燃料反應(yīng)器；3_第一電磁控制裝置；4_第二電磁控制裝置；5-第一氣固分離裝置；6-第二氣固分離裝置；7_冷凝裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5相連，第一氣固分離裝置5的固體出口與燃料反應(yīng)器2相連；燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6相連，第二氣固分離裝置6的固體出口與燃料反應(yīng)器2相連，第二氣固分離裝置6的氣體出口與冷凝裝置7的入口相連，冷凝裝置7的氣體出口與燃料反應(yīng)器2相連。在空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5之間，以及燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6之間設(shè)置至少一個(gè)電磁控制裝置。具體連接方式為在空氣反應(yīng)器I與第一氣固分離裝置5之間設(shè)置第一電磁控制裝置3時(shí)，空氣反應(yīng)器I出口與第一電磁控制裝置3的進(jìn)口相連，第一電磁控制裝置3的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器I相連，第一電磁控制裝置3的無(wú)磁性載氧體出口通過(guò)第一氣固分離裝置5與燃料反應(yīng)器2相連；在燃料反應(yīng)器2與第二氣固分離裝置6之間設(shè)置第二電磁控制裝置4時(shí)，燃料反應(yīng)器2的出口與第二電磁控制裝置4的入口相連，第二電磁控制裝置4的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器I相連，第二電磁控制裝置4的無(wú)磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置6的入口相連。實(shí)施例I :·采用圖I所示的雙電磁控制裝置結(jié)構(gòu)。固體燃料選用褐煤，載氧體選用天然鐵礦石，燃料反應(yīng)器2和空氣反應(yīng)器I均為循環(huán)流化床反應(yīng)器。煤粉和炙熱的Fe2O3在燃料反應(yīng)器2中充分混合，并發(fā)生劇烈的氣化反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)；部分Fe2O3被還原為Fe3O4后，在第二電磁控制裝置4的作用下，與未還原的Fe2O3以及其他固體顆粒分離，從燃料反應(yīng)器2進(jìn)入空氣反應(yīng)器I中；Fe304在空氣反應(yīng)器I中和O2反應(yīng)而被氧化為Fe2O3，并在第一電磁控制裝置3的作用下，與未氧化的Fe3O4分離，從空氣反應(yīng)器I進(jìn)入燃料反應(yīng)器2，從而完成實(shí)現(xiàn)載氧體的循環(huán)。在IOOh的實(shí)驗(yàn)內(nèi)，褐煤的燃盡率達(dá)99%，鐵礦石的損失率為3%。實(shí)施例2 以Y -Al2O3為載體，通過(guò)等體積浸潰法制備Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體，以褐煤為固體燃料，采用和實(shí)施例I相同的工藝進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)。在IOOh的實(shí)驗(yàn)內(nèi)，褐煤的燃盡率達(dá)99%, Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實(shí)施例3 以無(wú)煙煤為固體燃料，實(shí)施例2中制備的Fe2O3/ Y -Al2O3為載氧體，并采用和實(shí)施例2相同的工藝進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)。在IOOh的實(shí)驗(yàn)內(nèi)，無(wú)煙煤的燃盡率達(dá)98. 5%,Fe2O3/Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實(shí)施例4 以稻殼為原料，實(shí)施例2中制備的Fe2O3/ Y -Al2O3為載氧體，并采用和實(shí)施例2相同的工藝進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)。在IOOh的實(shí)驗(yàn)內(nèi)，稻殼的燃盡率達(dá)98%，F(xiàn)e2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為I. 5%。實(shí)施例5 以Y -Al2O3為載體，通過(guò)沉淀法制備Fe2O3/ Y -Al2O3載氧體，以玉米桿為原料，采用和實(shí)施例2相同的工藝進(jìn)行化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)。在IOOh的實(shí)驗(yàn)內(nèi)，玉米桿的燃盡率達(dá)98%，F(xiàn)e2O3/ Y -Al2O3載氧體的損失率為1%。
權(quán)利要求
1.一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)，空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)相連，第一氣固分離裝置(5)的固體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連；燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)相連，第二氣固分離裝置(6)的固體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連，第二氣固分離裝置(6)的氣體出口與冷凝裝置(7)的入口相連，冷凝裝置(7)的氣體出口與燃料反應(yīng)器(2)相連，其特征在于， 在空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)之間，以及燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)之間設(shè)置至少一個(gè)電磁控制裝置； 具體連接方式為 在空氣反應(yīng)器(I)與第一氣固分離裝置(5)之間設(shè)置第一電磁控制裝置(3)時(shí)，空氣反應(yīng)器(I)出口與第一電磁控制裝置(3 )的進(jìn)口相連，第一電磁控制裝置(3 )的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器(I)相連，第一電磁控制裝置(3)的無(wú)磁性載氧體出口通過(guò)第一氣固分離裝置(5 )與燃料反應(yīng)器(2 )相連； 在燃料反應(yīng)器(2)與第二氣固分離裝置(6)之間設(shè)置第二電磁控制裝置(4)時(shí)，燃料反應(yīng)器(2 )的出口與第二電磁控制裝置(4)的入口相連，第二電磁控制裝置(4)的磁性載氧體出口與空氣反應(yīng)器(I)相連，第二電磁控制裝置(4)的無(wú)磁性載氧體出口與第二氣固分離裝置(6)的入口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣反應(yīng)器(I)和燃料反應(yīng)器(2 )均為流化床反應(yīng)器。
3.一種基于權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的燃燒工藝，其特征在于，將固體燃料和載氧體送入燃燒反應(yīng)器(I)中混合燃燒并發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，利用電磁控制裝置將反應(yīng)后載氧體中包含高價(jià)態(tài)無(wú)磁性金屬氧化物的無(wú)磁性載氧體與包含低價(jià)態(tài)磁性金屬氧化物的磁性載氧體相分離，將無(wú)磁性載氧體送入燃料反應(yīng)器(2)，將磁性載氧體送入空氣反應(yīng)器(1)，提高載氧體的循環(huán)效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒工藝，其特征在于所述載氧體為鐵基載氧體，所述低價(jià)態(tài)磁性金屬氧化物為Fe3O4,高價(jià)態(tài)無(wú)磁性金屬氧化物為Fe203。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒工藝，其特征在于所述固體燃料為煤粉顆粒或生物質(zhì)顆粒。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)鏈燃燒技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁性載氧體的固體燃料化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)及工藝。該系統(tǒng)是基于鐵基載氧體在氧化-還原反應(yīng)過(guò)程中，高價(jià)態(tài)Fe2O3無(wú)磁性、低價(jià)態(tài)Fe3O4有磁性的特點(diǎn)，利用電磁控制裝置，將包含低價(jià)態(tài)Fe3O4的載氧體從燃料反應(yīng)器中分離出來(lái)，送入空氣反應(yīng)器，同時(shí)將包含高價(jià)態(tài)Fe2O3的載氧體從空氣反應(yīng)器中分離出來(lái)，送入燃料反應(yīng)器，從而完成煤、生物質(zhì)等固體燃料的化學(xué)鏈燃燒。該系統(tǒng)利用電磁分離裝置，不僅有效實(shí)現(xiàn)了固體燃料直接化學(xué)鏈燃燒過(guò)程中，載氧體與未燃盡固體燃料、燃盡灰渣等固體顆粒的高效分離，而且還實(shí)現(xiàn)了高價(jià)態(tài)Fe2O3和低價(jià)態(tài)Fe3O4的有效分離，從而實(shí)現(xiàn)了載氧體的高效充分利用。
文檔編號(hào)F23C10/28GK102878552SQ20121023275
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者董長(zhǎng)青, 梁志永, 覃吳, 胡笑穎, 肖顯斌, 高攀 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)