[发明专利]具有宽负荷调节能力的化学链反应装置及其控制方法

说明书

本发明公开了具有宽负荷调节能力的化学链反应装置及其控制方法，装置包括空气反应器、燃料反应器以及设置在空气反应器与燃料反应器之间的第一回料单元和设置在燃料反应器与空气反应器之间的第二回料单元，第一回料单元包括第一回料器，第二回料单元包括气固分离单元和第二回料器。控制方法为将氧化态的载氧体从空气反应器溢流后通过第一回料单元进入燃料反应器，利用气流提升将还原态的载氧体在燃料反应器内提升至高处后通过第二回料单元返回至空气反应器完成一个循环。本发明能够实现宽范围的变负荷能力，负荷变化范围可达30～110％；物料循环稳定可靠，物料循环料量可以方便地调节和控制。

技术领域

本发明涉及化学链技术领域，更具体地讲，涉及一种具有宽负荷调节能力的化学链反应装置及其控制方法。

背景技术

化学链技术主要是指化学链燃烧(Chemical Looping Combustion)和化学链气化(Chemical Looping Gasification)。化学链燃烧或气化是一种新型的燃烧或气化技术，该技术的关键是通过载氧体(一般是金属氧化物)将空气中的氧传递给燃料，从而避免了燃料与空气的直接接触，可以降低燃烧或气化过程的损失，与新型的热力循环相结合，可以提高热力系统的效率。同时，燃烧产生的CO₂在燃烧过程中即内在的自然的实现低成本的富集。化学链气化可以不用空气分离制氧系统而达到与纯氧气化相当的效果，从而显著降低气化成本。

图1为化学链燃烧原理图，反应器系统主要由空气反应器(Air Reactor,AR)与燃料反应器(Fuel Reactor,FR)组成。在空气反应器中，还原态的载氧体与空气充分反应并被氧化。氧化态的载氧体进入到燃料反应器。燃料反应器中发生的主要反应分别是燃料(例如煤)的气化反应及还原性气体对载氧体的还原反应。煤与气化介质(H₂O或CO₂)反应生成合成气(CO和H₂)，合成气进一步与载氧体反应生成CO₂和H₂O，从而将载氧体还原。还原态的载氧体返回至空气反应器，完成一个循环。

化学链燃烧的关键技术包括选择合适的载氧体材料和进行合理的反应系统和反应装置设计。现有的化学链燃烧相关研究提出的技术方案中，空气反应器多采用快速流化床，燃料反应器有移动床、鼓泡床、快速床等不同设计。不同的技术方案均涉及到载氧体固体颗粒物料在空气反应器和燃料反应器之间的循环，更具体的说，涉及到载氧体固体颗粒物料从空气反应器向燃料反应器的运动和从燃料反应器向空气反应器的运动两个运动过程。

载氧体固体颗粒物料从空气反应器向燃料反应器的运动，一般都采用通过空气反应器中的气体流动携带载氧体至高处，然后在重力的驱动下通过立管、回料器进入燃料反应器。载氧体固体颗粒物料从燃料反应器中向空气反应器的运动，有重力驱动下在移动床中的运动、重力驱动下的溢流、被燃料反应器中的气流携带至高处再在重力驱动下经立管、回料器进入空气反应器等多种形式。载氧体固体颗粒物料的不同循环方式，将使得物料循环具有不同的稳定性、可靠性、运行经济性和负荷调节的灵活性。

现有的利用空气反应器中的气流携带载氧体至高处，然后在重力的驱动下通过立管、回料器进入燃料反应器的物料循环方式，使得循环量严重依赖于空气反应器中的气体流速，气体流速取决于气体流量，而气体流量取决于化学链燃烧装置的负荷率，因此当负荷率确定时，空气反应器中的气体流量和气速即基本确定且气速和负荷率基本是线性关系。但是，固体循环量随气速的增加而急剧增加并且随气速的减小而急剧减小，是严重的非线性关系。