Реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле
FLUIDIZED BED REACTOR FOR COMBUSTION OF FUEL IN A CHEMICAL LOOP

Изобретение относится к химической технологии сжигания топлива в псевдокипящем слое в безвоздушной среде и может найти применение для экологически чистого получения тепла или электроэнергии в таких процессах как сжигание в химической петле, химическая петля с выделением кислорода, для получения синтез газа в химической петле путем конверсии или газификации.
Известна установка для сжигания в петлевом реакторе по меньшей мере одного углеводородного сырья в присутствии твердых частиц активной массы, содержащая по меньшей мере одну реакционную зону восстановления в псевдоожиженном слое, по меньшей мере одну реакционную зону окисления в псевдоожиженном слое, по меньшей мере одно средство, обеспечивающее восходящую циркуляцию упомянутых частиц упомянутой реакционной зоны восстановления и упомянутой реакционной зоны окисления, при этом упомянутые частицы увлекаются в средстве, обеспечивающем восходящую циркуляцию, транспортирующим газом, по меньшей мере одно средство разделения газовой и твердой фаз, находящееся на выходе упомянутого средства, обеспечивающего восходящую циркуляцию, и соединенное с упомянутой реакционной зоной окисления через трубопровод, по меньшей мере один первый клапан контроля циркуляции упомянутых частиц между реакционной зоной окисления и реакционной зоной восстановления и по меньшей мере один второй клапан контроля циркуляции упомянутых частиц между реакционной зоной восстановления и средством, обеспечивающим восходящую циркуляцию, при этом упомянутые клапаны содержат по меньшей мере одно средство нагнетания управляющего газа с заданным аэрационным расходом (патент RU 2529300; МПК F23C 10/10,F23C 99/00; 2014год).
Недостатками известной установки для сжигания в петлевом реакторе являются, во-первых, пылеунос ввиду измельчения порошка кислородного аккумулятора в псевдокипящем слое, во-вторых, ввиду прямого восстановления кислородного аккумулятора топливом наблюдается низкая эффективность сжигания (конверсия для сжигания в химической петле составляет около 70%).
2
2
Известна конструкция реактора для сжигания в химической петле, представляющим два соединённых реактора: воздушный и топливный. Первый представляет собой трубку, верхняя часть которой присоединена к циклону, а нижняя часть патрубком присоединена к топливному реактору. Последний представляет собой реактор для струйного псевдокипящего слоя. К нижней части топливного реактора присоединено устройство для подачи твердого топлива и патрубок для продувки водяным паром. В верхней части реактора находится патрубок для вывода газов (CO и HO), а также трубка, соединяющая топливный реактор с циклоном, к которому подключен воздушный реактор (Laihong Shen, Jiahua Wu, Zhengping Gao, Jun Xiao Characterization of chemical looping combustion of coal in a 1 kWth reactor with a nickel-based oxygen carrier, J. Combustion and Flame. – 2010. – 157. – pp. 934-942.)
Недостатками вышеупомянутой конструкции являются пылеунос мелких частиц из реактора (как кислородного аккумулятора, так и твердого топлива), и, вследствие этого, не полное сжигание топлива.
Наиболее близким по технической сущности является реактор для сжигания топлива в химической петле, имеющий двухступенчатый псевдокипящий слой. Воздушный реактор выполнен из трубы, верхняя часть которой соединена с трубопроводом, который соединяет воздушный реактор с циклоном. Топливный реактор выполнен из трубы с двумя псевдокипящими слоями. Слои между собой соединены через трубку. Топливный реактор присоединен к воздушному реактору через патрубок, соединенный с устройством химической петли. Известный реактор функционирует при температурах 900 – 980 °С. В качестве топлива используется смесь газообразных монооксида углерода, водорода или метана с азотом. Циркуляция кислородного аккумулятора происходит путем попадания порошка через петлю из топливного в воздушный реактор с последующим окислением и сепарацией циклоном обратно в псевдокипящий слой (Haiming Gu, Laihong Shen, Siwen Zhang, Miaomiao Nui, Rongyue Sun, Shouxi Jiang Enhanced fuel conversion by staging oxidation on a continuous chemical looping reactor based on iron ore oxygen carrier, J. Chemical Engineering Journal. – 2018. – 334. – pp. 829-836.)(прототип).
Недостатками предложенной конструкции является не полное сжигание топлива (конверсия CO составляет 88 – 98%) и пылеунос частиц кислородного аккумулятора, что не только ухудшает экологическую обстановку, но также способствует не полному сжиганию топлива.
Таким образом, перед автором стояла задача разработать конструкцию реактора для сжигания топлива в химической петле, обеспечивающего увеличение полноты сгорания топлива и предотвращение пылеуноса ультрадисперсных частиц кислородного аккумулятора.
Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле, содержащем воздушный реактор в виде цилиндрической колонки с входным отверстием для подачи воздуха, расположенным в днище, соединенной с трубопроводом, который в свою очередь, связан с циклоном для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, который выводится через газопровод, при этом воздушный реактор посредством патрубка соединен с устройством химической петли, снабженным входным отверстием для подачи пара, и топливный реактор, имеющий входное отверстие для подачи топлива, расположенное в днище, и связанный посредством патрубков с устройством подачи кислородного аккумулятора и устройством химической петли, причем воздушный реактор и топливный реактор помещены в печь, в котором топливный реактор представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы в количестве не менее 10, при этом угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы равен 15 – 46°, а отношение длина трубы l к внешнему диаметру d петлеобразного патрубка составляет l/d =85…380, причем в верхней части топливного реактора расположен циклон для сепарации частиц кислородного аккумулятора от продуктов сгорания, сбрасываемых через газопровод, и соединенный посредством патрубка с циклоном для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, а патрубок, соединяющий топливный реактор  и устройство химической петли, снабжен кварцевым фильтром.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна конструкция реактора для сжигания топлива в химической петле, в котором топливный реактор представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, предлагаемой конструкции.
3
о
о
В настоящее время даже работа реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле улучшенной конструкции, содержащим две ступени псевдоожиженного слоя, как предложено в известной конструкции-прототипе, не обеспечивает 100 %-ной полноты сгорания топлива и, кроме того, как следствие, сопровождается пылеуносом частиц кислородного аккумулятора. Как показали исследования, проведенные автором, недостатки известной конструкции обусловлены излишне высокой скоростью протекания газового потока топлива через топливный реактор, в результате чего конверсия СО не является 100%-ной и мелкодисперсные частицы кислородного аккумулятора, частично не восстановленные, уносятся через газопровод с продуктами сгорания. Задача повышения сгорания топлива до 100% и снижение пылеуноса была решена автором за счет снижения скорости протекания газового потока при неизменном объемном расходе при использовании топливного реактора предлагаемой конструкции. Газовый поток топлива, подаваемый через входное отверстие, расположенное в днище топливного реактора, проходя через трубу из кварца, разделяется на два потока перед входом в каждый патрубок, при этом одна ветвь потока через петлеобразное закругление патрубка направляется навстречу ветви основного потока, имеющей направление, заданное при входе газового потока в топливный реактор. Как показали исследования, угол, под которым встречаются два потока, обеспечивающий достаточное снижение кинетической энергии основного потока, должен быть равен 134-165°. Таким образом, достигается значительное уменьшение скорости прохождения газа по трубе топливного реактора, что обеспечивает увеличение времени прохождения потока через топливный реактор, а значит, за счет увеличения времени прохождения газового потока через реактор увеличивается пробег частиц, приводящий к увеличению степени сгорания топлива. Исследования, проведенные автором, позволили установить, что в топливном реакторе, выполненном в форме трубы из кварца с внешним диаметром петлеобразного патрубка 10 мм и соотношении общей длины топливного реактора к внешнему диаметру патрубка (d) , при наличии не менее 10 петлеобразных патрубков с углом разворота одного из потоков 134-165° относительно другого позволяет снизить максимальную скорость прохождения газов по трубе реактора не менее, чем на 20%. Кроме того, предложенная конструкция обеспечивает отсутствие пылеуноса частиц размером до 1 нм. При этом максимальная высота псевдокипящего слоя, состоящего из частиц диаметром 50 мкм и плотностью 9,0 г/см, составляет 13 мм вместо 284 мм для реактора, выполненного в форме прямой трубы аналогичного сечения без петлеобразных патрубков. Существенное влияние на достигаемый результат оказывают конструктивные особенности предлагаемого топливного реактора, так для получения угла, под которым встречаются два потока топлива, равным 134-165°, необходимо, чтобы угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы был равен 15 – 46°. При угле более 46 не наблюдается существенного снижения средней скорости протекания газа по топливному реактору. Выполнение угла менее 15 конструктивно невозможно. При соотношении общей длины топливного реактора (l) к внешнему диаметру газопроводящего патрубка (d) менее  не происходит значительного снижения скорости протекания газового потока. При соотношении  снижается общая производительность реактора. При использовании петлеобразных патрубков в количестве менее 10 не происходит достаточного снижения скорости протекания газа по топливному реактору.
На фиг.1 изображен реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле предлагаемой конструкции.
На фиг. 2 изображен отдельный петлеобразный патрубок.
На фиг. 3 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана по длине топливного реактора.
На фиг. 4 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана в реакторе, выполненном в виде прямой трубки.
На фиг. 5 изображены результаты моделирования распределения скорости газообразного метана в первом петлеобразном патрубке топливного реактора.
На фиг. 6 изображен результат моделирования расчета движения частиц с диаметром 100 нм в псевдокипящем слое.
Предлагаемый реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле состоит (см. фиг.1) из воздушного реактора (1) в виде цилиндрической колонки с входным отверстием для подачи воздуха, расположенным в днище, соединенным с трубопроводом (12), который в свою очередь, связан с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, который выводится через газопровод (3), при этом воздушный реактор (1) посредством патрубка соединен с устройством химической петли (7), снабженным входным отверстием для подачи пара, и топливного реактора (6), имеющего входное отверстие для подачи топлива, расположенное в днище, и связанного посредством патрубков с устройством подачи кислородного аккумулятора (9) и устройством химической петли (7), снабженное кварцевым фильтром (8), при этом топливный реактор (6) представляет собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков (11), расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы в количестве не менее 10, причем угол между внешней стенкой патрубка и внешней стенкой прямолинейного участка трубы равен 15 – 46° (см. фиг.2), а отношение длины l трубы к внешнему диаметру d петлеобразного патрубка составляет l/d =85…380, в верхней части топливного реактора(6) расположен циклон (5) для сепарации частиц кислородного аккумулятора от продуктов сгорания, сбрасываемых через газопровод (3), и соединенный посредством патрубка с циклоном (4) для сепарации частиц от обедненного по кислороду воздуха, а патрубок, соединяющий топливный реактор (6) и устройство химической петли (7), снабжен кварцевым фильтром (8). Воздушный реактор (1) и топливный реактор (6) помещены в печь (2).
Результаты компьютерного моделирования показали, что средняя скорость протекания метана в топливном реакторе, представляющим собой трубу из кварца, снабженную ответвлениями в форме петлеобразных патрубков, расположенных в шахматном порядке по всей длине трубы, составляет от 4,5 до 6,7 м/с (см. фиг. 3), в то время как для реактора, выполненного в виде кварцевой трубки аналогичного диаметра без петлеобразных патрубков составляет от 8,5 до 13,2 м/с (см. фиг. 4). Более того, вследствие разворота газового потока на угол 134 – 165° разница скоростей течения газообразного метана в сечении трубы предлагаемого реактора значительно снижена (см. фиг. 5) по сравнению с конструкцией без петлеобразных патрубков (см. фиг. 4). Ввиду снижения средней скорости протекания газообразного метана, образующего псевдоожиженный слой, происходит передача меньшей кинетической энергии частицам порошка кислородного аккумулятора, вследствие чего уменьшается максимальная высота псевдокипящего слоя. Так псевдокипящий слой, состоящий из нанодисперсных частиц манганита кальция (100 нм) не выходят за пределы первого петлеобразного патрубка топливного реактора (см. фиг. 6).
3
3
Реактор с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле предлагаемой конструкции работает следующим образом. Порошок кислородного аккумулятора (например, оксида меди, манганита кальция или др.) помещают в устройство для загрузки (9), через которое он попадает в топливный реактор (6), в который снизу через входное отверстие подают газообразное топливо (метан, водород, угарный газ, синтез газ и пр), вследствие чего образуется псевдокипящий слой. Пористый кварцевый фильтр (8) не позволяет порошку, находящемуся в псевдокипящем слое, при выключении подачи топлива попасть в газопроводящую систему. Через петлю (7) с псевдокипящим слоем, образованным за счет подачи водяного пара, происходит трансфер восстановленной формы порошка кислородного аккумулятора на регенерацию в воздушный реактор (1). Продуваемый воздухом кислородный аккумулятор окисляется, поглощая тем самым кислород, и за счет заданного объёмного расхода воздуха происходит его перенос (11) в циклон (4), где происходит сепарация частиц от обедненного по кислороду воздуха, выбрасываемого в газоотвод (3). Кислородный аккумулятор попадает в циклон (5) для сепарации порошкообразных материалов от продуктов сгорания, выбрасываемых через газоотвод. После чего порошок кислородного аккумулятора попадает в первый петлеобразный патрубок (10) топливного реактора, где по траектории (указанной стрелками фиг.1) перемещается в псевдокипящий слой. Воздушный и топливный реакторы помещены в печь (2) для проведения сжигания с выделением свободного кислорода в химической петле (CLOU-процесса) при температурах от 500 до 1000 °С. Так, например, при массовом расходе кислородного аккумулятора (CaMnO) 0,1 г/с и потоке газообразного метана в качестве топлива 1 л/мин, создающего псевдокипящий слой, средняя скорость протекания газового потока через топливный реактор равна 0,866 м/с (максимальная 2,658 м/с). Максимальная высота псевдокипящего слоя, содержащего порошок CaMnO со средним диаметром 50 мкм составляет не более 168 мм, что обеспечивает 100%-ную полноту сгорания топлива и снижает пылеунос
Таким образом, автором предлагается конструкция реактора с псевдоожиженным слоем для сжигания топлива в химической петле, позволяющая обеспечить полное сгорание топлива за счет увеличения конверсии оксида углерода СО и снизить пылеунос ультрадисперсного порошкообразного материала газовым потоком.