技术领域
[0001] 本
发明属于
流化床和
多相流领域，特别涉及一种强化载氧体氧化再生的化学链燃烧空气反应器。
背景技术
[0002] CO2是
温室气体中影响最大的一种，减排CO2对于缓解
温室效应意义重大。化学链燃烧是国际公认的具有重要前景的CO2减排技术之一。化学链技术采用
燃料反应器和空气反应器替代传统的反应器，其基本原理是采用载氧体在燃料反应器和空气反应器之间进行循环完成氧的传递，从而实现了燃料的转化。由于燃料和空气并未直接
接触，因此，燃料完全反应时，燃料反应器出口产物仅包括CO2和H2O，没有N2，只需经过简单的冷凝后就可以得到高纯度的CO2，从而实现低功耗分离CO2，因此对减排CO2意义重大。
[0003] 化学链反应器是燃料/空气和载氧体发生化学反应的场所，化学链燃烧装置的设计对化学链的燃烧效率有着十分重要的影响。反应器的设计关系到燃料能否高效转化，载氧体能否充分发生
氧化还原反应。其中，空气反应器不仅需要完成载氧体的氧化再生，同时还需要向燃料反应器输送足够的载氧体以实现整个装置的
能量平衡和物质平衡。另一方面，目前人工制备的载氧体尽管活性较高，但是制备过程复杂，成本较高且有可能造成二次污染，而天然
铁矿石载氧体因为其廉价、易得、环境友好得到了更多的关注，但是天然铁矿石的反应活性较低，氧化再生效率较低，极大的影响了化学链的燃烧效率。因此，针对使用天然铁矿石或者载氧活性较低的载氧体的化学链燃烧过程，对空气反应器的设计和优化具有十分重大的意义。
[0004]
现有技术中，绝大多数化学链燃烧装置采用的是单一尺寸的圆形或方形提升管。然而，上述提升管内气固流动存在很大的不均匀性，在轴向上主要体现为“上稀下浓”的S分布或指数分布，颗粒在径向上表现为壁面浓，中间稀的“环核”非均匀结构。在靠近壁面处存在大量的团聚物，团聚物的存在导致局部气固接触变差，使得载氧体的氧化再生效率降低。
为了解决化学链燃烧装置空气反应器内存在的团聚物而导致的气固接触效率低、载氧体氧化再生效率低下等问题，目前已有多种方法。
[0005] 目前公开的一种变径空气反应器(苏明泽,赵海波,
马琎晨,等.化学链燃烧串行流化床系统的热态CFD模拟[J].燃烧科学与技术,2015(4):363-369.)，载氧体主要在下部密相区完成氧化再生，然而上部提升管的颗粒团聚现象比较明显，影响了载氧体的氧化再生效率，同时降低了系统运行的
稳定性。
[0006] 中国
专利CN102705822A公开了一种错流移动床空气反应器，失氧载氧体在错流移动床内和空气错流反应以提高载氧体的反应速率，但是错流移动床一般体积较大，制造较为不便，且由于载氧体和气流逆向流动，载氧体
停留时间较短，不利于载氧体的氧化再生。
[0007] 中国专利CN107270282A公开了一种多级塔式逆流床空气反应器，采用多级配
风结构提高载氧体再生效率，但是其结构复杂，会在安装、制造和维护中造成不便，同时多级配风结构提高了控制的难度，降低了运行的可靠性。
发明内容
[0008] 本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种强化载氧体氧化再生的化学链燃烧空气反应器。
[0009] 为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
[0010] 一种强化载氧体氧化再生的化学链燃烧空气反应器，包括反应室、第一提升管、复合式内构件和第二提升管；
[0011] 所述反应室的
侧壁设置给料口，底部设置空气入口；
[0012] 所述反应室和第一提升管之间采用第一渐缩管连接；
[0013] 所述第一提升管与第二提升管之间安装有复合式内构件；所述复合式内构件包括第二渐缩管、环形内构件、
导向管、
支撑板和倾斜式环形内构件；第二渐缩管上部和环形内构件下部连接，第二渐缩管下部和第一提升管上部连接，所述导向管竖直插入环形内构件内部，通过支撑板连接在环形内构件的内壁；所述倾斜式环形内构件下部与环形内构件上部连接；上部与第二提升管下部连接。
[0014] 优选地，反应室上部和第一渐缩管下部连接，第一渐缩管上部和第一提升管下部连接。
[0015] 优选地，所述给料口倾斜向上设置。更优选地，给料口2的倾斜
角为45～60度。载氧体颗粒从倾斜式给料口进入，进入空气反应器的载氧体颗粒因此向下流动，不至于被流化风直接吹出反应室；同时下落的载氧体颗粒和流化风流动方向相反，载氧体颗粒和流化风之间的接触更为充分。
[0016] 优选地，反应室的内径大于第一提升管的内径。反应室内径较粗，表观气速较低，因而气固流动处于湍动流态化；湍动流态化气泡
短路现象少，气固
传热传质效率高，利于载氧体再生。
[0017] 优选地，所述第一渐缩管下部开孔面积比反应室面积略小，上部开孔面积和第一提升管通流面积一致。一方面，第一渐缩管的通流面积随着高度的增加而减少，气固混合物流动速度得到提高，载氧体颗粒得以进入第一提升管；另一方面，由于第一渐缩管下部开口面积略小于反应室面积，当大量载氧体颗粒进入渐缩管时，部分颗粒被壁面阻挡返回至反应室，进一步被流化风氧化再生。
[0018] 优选地，所述第二渐缩管下部开孔面积比第一提升管略小。边壁处的气固混合物受到上部壁面的阻挡而向下流动，下落的颗粒物被中心气流夹带进入渐缩管；通过此种方法，边壁的团聚物得以破坏，气固混合物得到重新分布。第二渐缩管下部开口面积比第一提升管略小，由于节流效应带来的压
力损失较低。气固混合物进入第二渐缩管之后，由于通流面积减小，气固混合物速度得以提高；同时边壁处的颗粒物聚集在中心区，由于中心区气体浓度高，气固接触得以强化。更优选地，所述第二渐缩管的下部开孔直径和第一提升管直径之比为0.8～0.9，第二渐缩管上部开孔直径和下部开孔直径之比约为0.5～0.7，第二渐缩管长度和下部开孔直径之比为1.5～2。
[0019] 优选地，环形内构件长度和环形内构件开孔直径之比为1～1.5。
[0020] 优选地，导向管直径和环形内构件直径之比为0.7～0.75，导向管长度和环形内构件长度之比约为1～1.5。
[0021] 优选地，倾斜式环形内构件和竖直面的倾角约为15～30度。
[0022] 优选地，倾斜式环形内构件下部开口面积与环形内构件开孔面积一致，上部开口面积和第二提升管的通流面积一致；所述第二提升管的通流面积与第一提升管的通流面积一致。
[0023] 相对于现有技术，本发明的优点如下，
[0024] (1)空气反应器下部反应室内径较大，表观气速相对较低，气固流动为湍动流态化，气泡短路现象少，有利于载氧体再生。
[0025] (2)下部反应室和第一提升管采用缩口连接，气固混合物得到一定程度的
加速；缩口上部内径比提升管稍大，部分颗粒受到阻挡回落至反应室进一步得到氧化再生。
[0026] (3)第一提升管与第二提升管之间安装复合式内构件，有利于破坏边壁的团聚物，重新分布气固混合物，提高载氧体的氧化再生效率。
[0027] (4)复合式内构件下部为渐缩管，其下部开孔半径比提升管内径略小，一方面迫使边壁颗粒进入中心区，另一方面可以降低因安装内构件带来的压力损失。
[0028] (5)复合式内构件内部安装导向管，导向管和环形内构件采用支撑板连接，导向管能够产生高速气流，利于和边壁的低速气流形成较强的回流，延长载氧体停留时间。
[0029] (6)复合式内构件上部为倾斜式环形内构件，对颗粒运动的阻碍较小，有利于形成颗粒内循环。
附图说明
[0030] 图1是本发明提出的空气反应器总体结构示意图。
[0031] 图2是本发明中使用的内构件结构示意图。
[0032] 图3为导向管结构示意图。
[0033] 图4为内构件下部渐缩管作用示意图。
[0034] 图5为内构件上部导向管作用示意图。
[0035] 图6为本发明的复合式空气反应器(a)和单一内径空气反应器(b)同一截面上的湍
动能对比图。
[0036] 图7为颗粒物浓度径向分布的对比图。
[0037] 图中，反应室1，给料口2，第一渐缩管3，第一提升管4.1，第二提升管4.2，复合式内构件5，第二渐缩管5.1，环形内构件5.2，导向管5.3，支撑板5.4，倾斜式环形内构件5.5。
具体实施方式
[0039] 如图1-5所示，一种强化载氧体氧化再生的化学链燃烧空气反应器，包括反应室1、第一提升管4.1、复合式内构件5和第二提升管4.2；
[0040] 所述反应室1的侧壁设置给料口2，底部设置空气入口；
[0041] 所述反应室1和第一提升管4.1之间采用第一渐缩管3连接；
[0042] 所述第一提升管4.1与第二提升管4.2之间安装有复合式内构件5；所述复合式内构件5包括第二渐缩管5.1、环形内构件5.2、导向管5.3、支撑板5.4和倾斜式环形内构件5.5；第二渐缩管5.1上部和环形内构件5.2下部连接，第二渐缩管5.1下部和第一提升管4.1上部连接，所述导向管5.3竖直插入环形内构件5.2内部，通过支撑板5.4连接在环形内构件
5.2的内壁；所述倾斜式环形内构件5.5下部与环形内构件5.2上部连接；上部与第二提升管
4.2下部连接。
[0043] 优选地，反应室1上部和第一渐缩管3下部连接，第一渐缩管3上部和第一提升管4.1下部连接。
[0044] 优选地，所述给料口2倾斜向上设置。更优选地，给料口2的倾斜角为45～60度。载氧体颗粒从倾斜式给料口2进入，进入空气反应器的载氧体颗粒因此向下流动，不至于被流化风直接吹出反应室1；同时下落的载氧体颗粒和流化风流动方向相反，载氧体颗粒和流化风之间的接触更为充分。
[0045] 优选地，反应室1的内径大于第一提升管4.1的内径。反应室1内径较粗，表观气速较低，因而气固流动处于湍动流态化；湍动流态化气泡短路现象少，气固传热传质效率高，利于载氧体再生。
[0046] 优选地，所述第一渐缩管3下部开孔面积比反应室1面积略小，上部开孔面积和第一提升管4.1通流面积一致。一方面，第一渐缩管3的通流面积随着高度的增加而减少，气固混合物流动速度得到提高，载氧体颗粒得以进入第一提升管4.1；另一方面，由于第一渐缩管3下部开口面积略小于反应室1面积，当大量载氧体颗粒进入渐缩管时，部分颗粒被壁面阻挡返回至反应室1，进一步被流化风氧化再生。
[0047] 优选地，所述第二渐缩管5.1下部开孔面积比第一提升管4.1略小。边壁处的气固混合物受到上部壁面的阻挡而向下流动，下落的颗粒物被中心气流夹带进入渐缩管；通过此种方法，边壁的团聚物得以破坏，气固混合物得到重新分布。第二渐缩管5.1下部开口面积比第一提升管4.1略小，由于节流效应带来的压力损失较低。气固混合物进入第二渐缩管5.1之后，由于通流面积减小，气固混合物速度得以提高；同时边壁处的颗粒物聚集在中心区，由于中心区气体浓度高，气固接触得以强化。更优选地，所述第二渐缩管5.1的下部开孔直径和第一提升管4.1直径之比为0.8～0.9，第二渐缩管5.1上部开孔直径和下部开孔直径之比约为0.5～0.7，第二渐缩管5.1长度和下部开孔直径之比为1.5～2。可进一步获得较好的
破碎团聚物、再分布气固混合物的效果。
[0048] 优选地，环形内构件5.2长度和环形内构件5.2开孔直径之比为1～1.5。可进一步获得较好的破碎团聚物、再分布气固混合物的效果。
[0049] 优选地，导向管5.3直径和环形内构件5.2直径之比为0.7～0.75，导向管5.3长度和环形内构件5.2长度之比约为1～1.5。可进一步获得较好的破碎团聚物、再分布气固混合物的效果。
[0050] 优选地，倾斜式环形内构件5.5和竖直面的倾角约为15～30度。
[0051] 优选地，倾斜式环形内构件5.5下部开口面积与环形内构件5.2开孔面积一致，上部开口面积和第二提升管4.2的通流面积一致；所述第二提升管4.2的通流面积与第一提升管4.1的通流面积一致。
[0052] 优选地，所述反应室1为圆管状。
[0053] 图5是环形内构件5.2和导向管5.3的作用示意图，气固混合物进入环形内构件5.2之后，气固混合物一部分进入导向管5.3，一部分从导向管5.3和支撑板5.4周围的空隙流出，导向管5.3出口的气流速度较高，而从周围空隙中流出的气体由于通流面积增大，气流速度较低。高速气流和低速气流交汇处产生了一定程度的扰动。在边壁处产生一定强度的回流，使得部分载氧体向下流动，同时由于倾斜式内构件对颗粒运动的阻碍较小，载氧体颗粒的内循环得以形成，载氧体停留时间得到延长。另一方面该扰动加强了边壁和中心处气流的相互作用，进一步破坏了边壁处的团聚物，气固接触得以加强，载氧体的氧化再生效率得到了提高。
[0054] 为配合说明，本发明对复合式空气反应器和单一内径空气反应器进行了数值模拟，图6为复合式空气反应器和单一内径空气反应器同一截面上的湍动能对比图，从图6(a)中看出，经过内构件之后，气体的湍动能得到了大幅提高，且湍动能最大出现在内构件边壁处，这意味着中心气流和边壁的气流产生了较强的扰动，能够有效破坏边壁的团聚物。图7为颗粒物浓度径向分布的对比图，从图7中看出，未安装内构件时，颗粒物主要集中在边壁处，颗粒团聚现象比较严重，气固接触较差。而安装了内构件之后，边壁颗粒物浓度大幅降低，说明边壁处团聚物被有效的破坏，大量颗粒物被气流夹带至中心区域，气固接触接触效率得到有效提高，有利于载氧体的氧化再生。
[0055] 需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述
基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
