能移走CO₂并产生H₂的热固体气化器的制作方法

专利名称：能移走CO₂并产生H₂的热固体气化器的制作方法
能移走CO2并产生H2的热固体气化器本申请是申请日为2004年5月24日，申请号为200480014652.5的、发明名称和本发明相同的发明专利申请的分案申请。
背景技术：
本发明主要涉及一种产生H2的装置。更具体地，本发明涉及一种利用矿物燃料、 生物质、石油焦或其他任何含碳燃料来为发电提供H2的装置，该装置能最大程度地减少或完全消除二氧化碳(CO2)的排放。矿物燃料发电站通常采用蒸汽涡轮机来将热能转变成电能。新的蒸汽发电站的转变效率能超过40% LHV。新的超临界蒸汽锅炉设计采用新的材料，允许更高的蒸汽温度和压力，提供接近50% LHV的效率并有望得到进一步改进。联合循环气体涡轮机(CCFT)上取得显著进步。气体涡轮机可比蒸汽涡轮机承受高得多的入口温度。这个因素在整体效率上产生了相当大的提高。目前正在建造的最新设计可以达到超过60% LHV的效率。所有这些在效率上的改进都转化成了以每百万瓦特为基础的单位排放的减少。尽管通过能量转变和应用效率的提高能够显著减少CO2的排放，但对于保持空气中的CO2稳定来说可能是不够的。因此，也有许多工作直接致力于捕获和螯合矿物燃料发电厂排放的C02。CO2的螯合需要以CO2和空气隔离的方式来将CO2储存或应用。CO2的捕获可以在燃料燃烧之前或之后进行。在燃料燃烧过程中可最大程度减少CO2的产生。可以通过从烃类燃料中提取H2将燃料在燃烧之前脱碳，在此过程中CO2被捕获而 H2接着被燃烧掉。蒸汽的再次形成、气化和部分氧化都是这种过程的示例。最有前途的脱碳方法是通过气化-联合循环联合装置(IGCC)。通过气化-联合循环联合装置，煤被气化产生一种合成气体，此合成气体然后经催化水煤气转变来提高CO2的浓度。经转变的合成气体被骤冷，CO2与溶剂如selexol (聚乙二醇的二甲醚混合物)一起在类似于胺的烟道气洗涤工艺中被移走。分离出的CO2经过干燥，随后被压缩到超临界条件以备管道输送。经洗涤的合成气体(现在已经富含H2)在燃烧涡轮机中燃烧而从气化骤冷和GT烟道气产生的废热被回收来产生蒸汽并供给蒸汽涡轮机。由于CO2已被从浓缩和加压的合成气流中移走，因此增加的基本费用和能量损失低于从烟道气中捕获C02。Parsons Engergy and Chemical Group, Inc.的一个研究显示增加的能量损失大约为14%，而移走CO2的成本大约为$18/ 吨(Owens 等，2000)。矿物燃料在O2/回收的烟道气中的燃烧通过采用纯氧或富氧而不是空气来实施， 免除了捕获CO2的需要。由于生产纯氧对能量需求大，采用这个工艺会遭受相当大的能量损失。或者，在空气中燃烧后可以通过各种技术来完成CO2的分离。目前建立得最好的方法是在吸收-汽提工艺中采用胺溶剂洗涤从烟道气气流中移走co2。这种工艺已被工业化应用到烧煤锅炉来生产工业或食品业用的co2。遗憾地，这需要相当大的基本投资。溶剂再生需要的能量大大的减小了发电厂的效率。在已被应用到美国通用锅炉的胺洗涤技术上的研究表明基本投资与发电厂的最初投资差不多且能量效率减少了 41%。发明概述
简要地说，本发明的一个优选的形式是一种用于从碳质燃料中生产气体产物的气化器，该气化器包含具有放热氧化反应器和吸热还原反应器的第一化学加工回路。该氧化反应器具有CaS入口、热空气入口和CaSO4/废气出口。还原反应器具有与上述氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的CaSO4入口、与上述氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS/ 气体产物出口和用于接收碳质燃料的原料入口。在氧化反应器中，CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4,此热的CaSO4被排送到还原反应器中。在还原反应器中接收的热CaSO4和碳质燃料利用CaSO4所带的热量进行吸热反应，碳质燃料从CaSO4中夺去氧而生成CaS和气体产物。CaS被排送到氧化反应器中而气体产物从第一化学加工回路被排放出来。当气体产物为富含CO的合成气体时，此气化器还包含具有水煤气转变反应器的第二化学加工回路，所述水煤气转变反应器具有与还原反应器的CaS/气体产物出口流体相通的合成气体入口。所述转变反应器还具有CaO入口、用于接收气态H2O的蒸汽入口和颗粒出口。煅烧炉具有与所述转变反应器的颗粒出口流体相通的CaCO3入口和与所述转变反应器的CaO入口流体相通的CaO出口。合成气体中的CO与气态H2O反应生成H2和CO2, CO2被CaO捕获，发生形成热CaCO3的放热反应，所述热CaCO3被排送到煅烧炉中，在煅烧炉中CaCO3带来的热量被用于从CaO夺去CO2的吸热反应，且CaO从煅烧炉中被排送到转变反应器。转变反应器也可具有用于接收碳质燃料的燃料入口。在这种情况下，合成气体中的CO和碳质燃料与气态H2O反应生成H2、C02和部分脱碳的热碳质颗粒,该热碳质颗粒被排送到还原反应器中。氧化反应器也可以具有传热材料颗粒入口和传热材料颗粒出口且煅烧炉也可具有与氧化反应器的传热材料颗粒出口流体相通的传热材料颗粒入口和与氧化反应器的传热材料颗粒入口流体相通的传热材料颗粒出口。从氧化反应器排放的热CaSO4被用于煅烧炉中的吸热反应且冷却的CaSO4被从煅烧炉排放到氧化反应器。转变反应器还包括用于将H2从气化器排放出来的H2出口。转变反应器的颗粒出口包括用于从转变反应器排放重质颗粒的重质颗粒出口和用于从转变反应器排放H2和轻质颗粒混合物的轻质颗粒出口。与转变反应器轻质颗粒出口流体相通的分离器将轻质颗粒与H2分离，从气化器将H2排放出来并将一部分轻质颗粒排放到还原反应器的轻质颗粒入口，将另一部分排放到煅烧炉的CaCO3入口。还原反应器也可包括与转变反应器的颗粒出口流体相通的碳气化器(char gasifier),与碳气化器流体相通的碳燃烧室和与碳燃烧室和氧化反应器的CaS入口流体相通的碳完全燃烧箱。碳气化器包括与转变反应器重质颗粒出口流体相通的重质颗粒入口和与分离器流体相通的轻质颗粒入口且碳气化器的热气体出口与转变反应器的热气体入口流体相通。碳气化器的碳出口和热气体入口与碳燃烧室的碳入口和热气体出口流体相通。碳燃烧室的碳出口和热气体入口与碳完全燃烧箱的碳入口和热气体出口流体相通。碳完全燃烧箱包括与氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS出口。从氧化反应器的CaSO4/废气出口出来的热CaSO4被供应到碳完全燃烧箱和碳燃烧室并可供应到碳气化器和/或转变反应器。煅烧炉可包括具有CaCO3入口和CaO出口的煅烧炉容器和与煅烧炉容器流体相通的燃烧室，该燃烧室具有空气入口和CaS入口。空气和CaS在燃烧室中燃烧产生热的吸附剂颗粒，所述热吸附剂颗粒被排放到煅烧炉容器，吸附剂颗粒的热量将CaCO3煅烧产生CaO 和C02。燃烧室和煅烧容器中间放置沉降室，这样夹带在从燃烧室排放出的烟道气中的热吸附剂颗粒进入沉降室，在这里热的重质吸附剂颗粒从烟道气中沉降出来并进入煅烧炉。烟道气及其夹带的轻质吸附剂颗粒被排放到第一分离器，在这里细的吸附剂颗粒从烟道气中分离出来。通过煅烧CaCO3产生的CaO和CO2从煅烧炉容器中被排放到第二分离器中。通过煅烧CaCO3产生的CO2也通过旁路管道排放。一个旁路阀控制分离器与旁路管道之间的 CO2流量分配，从而限制到分离器的CO2的出口速度以防止在出口 CO2中带有重质吸附剂颗粒。第二分离器将CaO排放到转变反应器。本发明的一个目的在于提供一种气化器，该气化器在无需氧气设备的情况下可生产中等热值的合成气体。本发明还一个目的在于提供一种气化器，该气化器能捕获在生产中等热值的合成气体过程中产生的二氧化碳且比常规方法更有效。通过以下图片和说明书的描述，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。附图
概述参照附图，本发明的许多国的和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见， 在附图中图I是本发明的能够移走CO2并产生H2的气化器的第一个实施方案的简图；图2是图I的煅烧炉的简图；图3是本发明的能够移走CO2并产生H2的气化器的第二个实施方案的简图。图4是图3中燃料流路的简图。优选实施例的详细描述参考附图，在这几幅附图中，相同数字代表相同的部分，本发明的气化器一般编号为10。气化器10包括化学加工回路和热加工回路，在化学加工回路中钙基化合物被“循环” 来从空气中提取氧且CO2从转化得到的合成气体中被提取出来而得到H2，在热加工回路中固体颗粒将放热氧化反应的热传递给吸热还原反应。如图I所示，第一化学加工回路是硫化钙/硫酸钙(CaS/CaS04)回路12。CaS/CaS04 回路12中的加工设备包括放热氧化反应器14、吸热还原反应器16和热交换器18。如下面更详细的描述，这些CaS/CaS04回路12中的主要组件14、16和18通过常规管道、管件和原料传输设备连接。硫化钙和热空气沿着路线20、22通过入口 24、26进入氧化反应器14，在这里CaS在1600 2300° F的温度下被氧化形成CaSO4, CaSO4在位置28通过出口 30从氧化反应器被排放出来。在分离器31中CaSO4与沿着线路22进入回路12的空气中废气成分(主要为N2) 分离。经氧化反应器14的放热反应加热的CaSO4和含碳燃料(优选煤)沿着路线28、90通过入口 32、34进入还原反应器。在1200 2000° F的温度下进行的吸热反应中，煤从硫酸钙夺去氧生成硫化钙以及富含一氧化碳(CO)和H2的合成气体。CaS经出口 38从还原反应器被排放出来，沿着路线36被排送至分离器37,在分离器37中CaS与合成气体分离,并被排放到氧化反应器14的入口 24。回路12至此结束。可在还原反应器16中放置热交换单元39来产生蒸汽。沿着路线40被添加到煅烧炉42 (以下更详细描述)的碳酸钙(CaCO3)的一部分沿着路线44(如同CaO —样)被输送到第一化学加工回路12来捕获与燃料结合的硫形成 CaSO40超过回路需求的CaSO4沿着路线46从氧化反应器14或还原反应器16排放出来以维持化学反应的质量平衡。捕获与燃料结合的硫来生成CaSO4的不断需求再生了用于第一化学加工回路12中的钙化合物，从而保持着高的化学活性。取决于质量流速，CaSO4的热量可足够维持放热氧化反应器14和吸热还原反应器 16之间热平衡。如果CaSO4的质量流速不足维持热平衡，可将惰性铝土(Al2O3)颗粒在氧化反应器14和还原反应器16之间沿着路线28、36、20循环来增加传热介质的总质量。热交换器18包括具有合成气体和废气入口以及空气出口的热终端48、具有合成气体和废气出口以及空气入口的冷终端50和放置在热终端和冷终端之间的限定合成气体入口和出口之间、废气入口和出口之间以及空气入口和出口之间流动通道的传热物料。合成气体(CO)入口与还原反应器16的合成气体出口连接，废气入口与氧化反应器14的废气出口连接而空气出口与氧化反应器14的空气入口连接。合成气体和废气的热量通过热交换器18的传热物料传给了输送到氧化反应器的空气，从而提高了氧化反应器14中放热反应的效率。在第一化学加工回路12中，输送到煤的空气中的氧的量只能满足部分氧化。在这种情况下，最终产物是适于气体涡轮机联合循环的、不含硫的富含C0( > 300Btu/ft3)的合成气体。或者，当供应的氧的量能满足所有煤的燃烧时，则回路起着最终产品为纯C02和蒸汽的燃烧系统的作用。第二化学加工回路是石灰/碳酸钙(Ca0/CaC03)回路52。Ca0/CaC03回路中的加工设备包括煅烧炉42和水煤气转变反应器54。如下面更详细的描述，这些主要组件通过常规管道、管件和原料传输设备连接。在CaS/CaS04回路中产生的蒸汽、石灰(CaO)和富含CO 合成气体沿着路线56、58、60通过入口 62、64、66进入转变反应器54，在这里合成气体中的 CO与气态H2O反应生成H2和C02。石灰捕获CO2,发生生成CaCO3的放热反应，导致温度达到 1200 1700° F的水平。这些热量可以推动进入的燃料和气体的气化反应，同时如在位置 68所图示，可能为蒸汽涡轮机产生高温蒸汽。CaCO3和H2分别沿着路线70、72通过出口 74、76从转变反应器54中被排放出来。 H2被接收到分离器77中，在这里H2流中夹带的任何细粉都被移走并沿着路线79被排放到转变反应器54。在合成气体排放线路80上的压缩机78将H2压缩到足以将H2注射进气体涡轮机、燃料箱或其他用氢工序的压力水平。CaCO3被输送到煅烧炉42来分离出CO2气体并再生CaO)，再生的CaO接着沿着路线58返回转变反应器54来捕获更多的C02。回路52 至此结束。通过产生CaCO3来捕获CO2推动了二氧化碳、水和燃料之间的吸热气化反应，产生大量的一氧化碳和H2并限制了必须被移走的热量(通过产生蒸汽68)。水煤气转变反应产生H2:
CO + H2O 铃 CO2 + H2且二氧化碳通过以下反应捕获CaCHCO2 — CaCO3。当将两个化学加工回路12、52和热加工回路82、83，84、85合并时构成了从煤到H2 的化学工艺88，在这里还原反应器16所需的CaO由锻烧炉42产生，转变反应器54所需的富含CO的合成气体由还原反应器16产生，而煅烧炉42所需的热由氧化反应器14产生(下面更详细描述)。在此公开的产生H2的气化器10和工艺比吹氧IGCC工艺更有效，氧设备所带来的能量损失、伴随水煤气转变冷却的热损失和与IGCC工艺相关的低温硫回收超过主体气化器10中的合成气体压缩机78的需求。Ca0/CaC03回路52中的煅烧炉42是高温吸热反应器，它的热量来自CaS/CaS04回路12的氧化反应器14。在将热从氧化反应器14传递给煅烧炉42的热加工回路82、83的第一实施方案中(如图I)，热交换材料为惰性颗粒，如铝土(Al2O3)颗粒或吸附剂(Ca0、CaC03、 CaS、CaSO4)颗粒通过连接管道在氧化反应器14和煅烧炉42之间沿线路82、83循环。铝土、CaO、CaS和CaSO4在煅烧炉中是化学惰性的，可与化学加工回路12、52中的反应物分离开，使得热可在不依赖于化学活性材料的质量平衡的情况下得到平衡。任何在气化器10运转周期中损失的铝土可通过添加来补充，新的铝土颗粒沿着路线90，通过入口 34加入到还原反应器16中。参考图3和4，吸附剂(Ca0、CaC03、CaS、CaSO4)颗粒和煤(碳)颗粒为气化器10’ 的第二实施方案中的主要传热体。铝土颗粒可用于提供操作所需的、但不由吸附剂和碳颗粒提供的任何传热体。气化器10’所用的原煤沿着路线92通过入口(与石灰和蒸汽94、96 一起)进入转变反应器54。由生产CaCO3的放热反应产生的高温将煤中的易挥发性物质除去并使其部分脱碳，同时将得到的“重质颗粒”和“轻质颗粒”形式的碳通过一对出口 102、 104，沿着路线98、100从转变反应器54排放出来，出口 102、104与还原反应器16上的一对入口 106、108连接。轻质CaCO3颗粒也从转变反应器54的排放口 100排放出来。轻质颗粒流接收在分离器Iio中，在这里碳和碳酸钙的小颗粒与夹带它们的H2分离。轻质颗粒和H2分别沿着路线112、114从分离器110排放出来，H2被管道输送到转变反应器54的H2排放口 72而轻质颗粒在还原反应器16中混入大的碳颗粒(重质颗粒)。小的碳颗粒的一部分和CaCO3可沿着路线113进入煅烧炉42来再生CaO和分离C02。热交换单元115可放置在转变反应器54和压缩机78之间来产生蒸汽。在本实施例10’的热加工回路84、85中，还原反应器16包括3个部分碳气化器 116、碳燃烧室118和碳完全燃烧箱120。如图3所示，碳气化器的重质颗粒和轻质颗粒入口 106、108如上述与转变反应器的重质颗粒出口 102和分离器的轻质颗粒出口 122连接。此外，碳气化器116的气体出口 124与转变反应器54的气体入口 126连接且碳气化器116的气体入口 128和碳出口 130与碳燃烧室118的气体出口 132和碳入口 134连接。碳燃烧室 118也具有与碳完全燃烧箱120的碳入口 138连接的碳出口 136、与碳完全燃烧箱120的气体出口 141连接的气体入口 139和与氧化反应器14的出口连接的CaSO4入口 140。碳完全燃烧箱120也具有与氧化反应器14的入口连接的CaS/燃料出口 142，优选具有与氧化反应器14的出口连接的CaSO4入口 144，同时可具有空气入口 146。如上所述，在氧化反应器14中发生产生CaSO4的放热反应。在此反应中产生的热被CaSO4吸收并随着CaSO4沿管线28输送到还原反应器16。热CaSO4流的一部分优选分成 3股，一小部分热CaSO4沿着路线148进入碳完全燃烧箱120，大部分热CaSO4沿着路线150、 153进入碳燃烧室118且必要时进入碳气化器116。热CaSO4的热和氧将碳完全燃烧箱120 中的碳脱碳以完成煤的脱碳并产生富含CO2气体和冷CaS，所述富含CO2气体沿着路线151 排放到碳燃烧室而冷CaS沿着路线152排放到氧化反应器14。热CaSO4的热和氧将碳燃烧室118中的碳部分脱碳并产生热的C02、CO和H20。剩余的碳沿着路线154被排放到碳完全燃烧箱120且热气体沿着路线156被排放到碳气化器116。热气体(当沿着路线153进入碳气化器116时还有CaSO4)的热和氧将碳气化器116中碳部分脱碳并产生热H2和热的富含CO合成气体。剩余的碳沿着线路158被排放到碳燃烧室118且热气体(包括任何剩余的热CO2和H2O)沿着路线160被排放到转变反应器54。应该理解到的是采用煤固体和煤气体逆流流动的煤分段气化方法提供了一种使碳转变最大化/未燃烧的碳最小化并使4和CO的生产最大化的有效方法，同时也提供一种将氧化反应器产生的热能传递给还原反应器16和转变反应器54的有效方法。还应该理解到的是沿着路线160从碳气化器116进入转变反应器54的热气体会进一步加热沿着路线 70从转变反应器54进入煅烧炉42的CaCO3,从而减少了进行煅烧加工所需的热能。如果煅烧炉42需要另外的热投入，热CaSO4可沿着路线162从氧化反应器14进入转变反应器54。 或者，铝土或其它惰性颗粒可在氧化反应器14和煅烧炉42之间通过转变反应器54循环。在一个供选的实施方案中，煅烧炉42’可包括燃烧室166，在此空气和CaS被燃烧来为煅烧炉42’产生另外的热(图2)。烟道气中夹带的热吸附剂颗粒沿着路线168从燃烧室166中排放并进入沉降室170，在这里重质热固体沿着路线172从烟道气中沉降并通过倾斜的导管174离开沉降室。烟道气及其夹带的轻质颗粒沿着路线176排放到分离器178，在这里细颗粒与烟道气分离。热的重质固体通过导管174，与冷CaCO3和热铝土颗粒(如果使用)一起进入煅烧炉容器180。重质固体和铝土颗粒的热将CaCO3煅烧，产生CaO和CO2 (以备以后使用或螯合)。热的重质固体、CaCO3和热铝土颗粒在煅烧炉容器180的底部附近进入。在此附近排放CO2来迫使冷却的重质固体、冷却的铝土和CaC03/Ca0沿着路线182上升。冷的重质固体和冷的铝土在煅烧炉容器180侧的位置184溢出并沿着路线186通过一个溢流通道188 进入燃烧室166。冷的铝土沿着路线190返回氧化反应器14进行加热而重质固体在燃烧室 166中进一步燃烧。相对轻的CaO被夹带在CO2中，结合在一起的CaO和CO2沿着路线192 从煅烧炉容器180被排放到分离器194，该分离器将CaO从CO2中移走。一部分CO2通过过滤器198沿着路线196从煅烧炉容器180移走，该过滤器阻止其中所夹带的CaO也被移走。 在旁路管202上的阀200控制通过旁路管202的CO2的体积流量，从而控制分离器194和旁路管202之间的CO2流量分配并控制到分离器194的CO2的出口速度以阻止离开的CO2夹带重质固体。为了保持上述化学加工回路的效率，保持用于化学加工回路12、52中的化学物质吸附活性是重要的。正如以上所讨论的，在CaS/CaS04回路12中与燃料结合的硫连续地被捕获，这需要在位置46连续地移走CaSO4并在位置40连续地添加CaCO3。CaCO3从Ca0/CaC03 回路52中被移走，这需要在位置94连续地添加CaO。在位置94连续地补充CaO大大地再生了气化器10中用的钙化合物，保持了高的化学活性。同时，化学物质的吸附活性被化学加工回路12、52中采用的还原反应和水合反应提高，这些反应使得CaSO4和CaCO3壳变薄。 煅烧炉42产生的CaO经过活化器204，该活化器将颗粒机械地打开，而显露出另外的表面。 活性剂204包括喷射器，在此CaO流的一部分被夹带在气流中从而被加速。夹带的CaO撞击活化器204的表面，这种撞击在蒸汽或水合作用206的帮助下(如果必要的话)机械地碎裂了粒子。虽然已经显示和描述了优选的实施方案，在不违背本发明的精神和范围的情况下，也可对本发明进行许多修改和替代。相应地，应该理解的是本发明已被示例性说明但不限于此。综上所述，本发明提供的部分技术方案如下I. 一种用于从碳质燃料中生产气体产物的气化器，该气化器包括第一化学加工回路，所述第一化学加工回路包括放热氧化反应器，所述放热氧化反应器具有CaS入口、热空气入口和CaSO4/废气出口 ；和吸热还原反应器，所述吸热还原反应器包括与上述氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的CaSO4入口、与上述氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS/气体产物出口和用于接收碳质燃料的原料入口 ；和再生热交换器，所述再生热交换器包括大量热交换材料、与上述氧化反应器的 CaSO4/废气出口流体相通的废气入口、用于排放废气的废气出口、用于接收空气的空气入口和与上述氧化反应器的热空气入口流体相通的热空气出口 ；其中在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4，所述热CaSO4被排送到还原反应器中，在还原反应器中接收的热CaSO4和碳质燃料利用CaSO4所带来的热量进行吸热反应，碳质燃料从CaSO4夺去氧而生成CaS和气体产物，CaS被排送到氧化反应器中而气体产物经过热交换器被排放出来。2.技术方案I的气化器，其中所述气体产物为CO2，所述气化器还包括热交换单元，所述热交换单元与热CaSO4接触并用于接收水流和排放蒸汽流。3.技术方案I的气化器，其中所述热交换器还包括与所述还原反应器的CaS/气体产物出口流体相通的气体产物入口和用于从气化器排放气体产物的气体产物出口。4.技术方案3的气化器，其中所述第一化学加工回路还包括与所述还原反应器的 CaS/气体产物出口、热交换器气体产物入口和氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS/气体产物分离器。5.技术方案I的气化器，其中所述第一化学加工回路还包括与所述氧化反应器的 CaSO4/废气出口、热交换器废气入口和还原反应器的CaSO4入口流体相通的CaSO4/废气分离器。6.技术方案5的气化器，其中所述第一化学加工回路还包括放置在所述CaSO4/废气分离器和还原反应器中间的废CaSO4排放口。7.技术方案I的气化器，其中所述气体产物为富含CO的合成气体，所述气化器还包括第二化学加工回路，所述第二化学加工回路包括水煤气转变反应器，所述水煤气转变反应器具有与所述还原反应器的CaS/气体产物出口流体相通的合成气体入口、CaO入口、用于接收气态H2O的蒸汽入口和CaCO3出口 ； 和煅烧炉，所述煅烧炉具有与所述转变反应器的CaCO3出口流体相通的CaCO3入口和与所述转变反应器的CaO入口流体相通的CaO出口；其中所述合成气体的。C O与气态H2O反应生成H2和C02，CO2被CaO捕获，发生形成热CaCO3的放热反应，所述热CaCO3被排送到所述煅烧炉中，CaCO3的热量在煅烧炉中用于从CaO夺去CO2的吸热反应，且CaO从煅烧炉中被排送到转变反应器。8.技术方案7的气化器，所述气化器还包括热交换器单元，所述热交换单元与热 CaSO4接触并用于接收水流和排放蒸汽流。9.技术方案7的气化器，其中所述转变反应器还包括H2排放口且所述气化器还包括与H2排放口流体相通的压缩机。10.技术方案7的气化器，其中所述还原反应器还具有与煅烧炉的CaO出口流体相通的CaO入口。11.技术方案7的气化器，其中所述氧化反应器还包括传热材料颗粒入口和传热材料颗粒出口，所述煅烧炉还包括与所述氧化反应器的传热材料颗粒出口流体相通的传热材料颗粒入口和与氧化反应器的传热材料颗粒入口流体相通的传热材料颗粒出口 ；这样从所述氧化反应器排放的热CaSO4被用于煅烧炉中的吸热反应且经冷却的CaSO4被从煅烧炉排放到氧化反应器。12.技术方案7的气化器，其中所述氧化反应器还包括传热材料颗粒入口和传热材料颗粒出口，所述煅烧炉还包括与所述氧化反应器的传热材料颗粒出口流体相通的传热材料颗粒入口和与氧化反应器的传热材料颗粒入口流体相通的传热材料颗粒出口 ；这样氧化反应器排放的惰性的传热材料颗粒的热量被用于煅烧炉中的吸热反应且经冷却的传热材料颗粒从煅烧炉被排放到氧化反应器。13.技术方案I的气化器，其中所述气体产物为富含CO的合成气体，所述气化器还包括第二化学加工回路，所述第二化学加工回路包括水煤气转变反应器，所述水煤气转变反应器具有与所述还原反应器的CaS/气体产物出口流体相通的合成气体入口、CaO入口、用于接收碳质燃料的燃料入口、用于接收气态H2O的蒸汽入口和与还原反应器原料入口流体相通的颗粒出口 ；和煅烧炉，所述煅烧炉具有与所述转变反应器的颗粒出口流体相通的CaCO3入口和与转变反应器的CaO入口流体相通的CaO出口；其中所述合成气体的CO和碳质燃料与气态H2O反应生成H2、CO2和部分脱碳的热碳质颗粒，CO2被CaO捕获，发生形成热CaCO3的放热反应，热碳质颗粒被排放到还原反应器， 热CaCO3被排送到煅烧炉中，CaCO3的热量在煅烧炉中被用于从CaO夺去CO2的吸热反应，且 CaO从煅烧炉中被排送到转变反应器。14.技术方案13的气化器，其中所述转变反应器颗粒出口包括重质颗粒出口和轻质颗粒出口，所述还原反应器原料入口包括与转变反应器重质颗粒出口流体相通的重质颗粒入口和轻质颗粒入口，所述气化器还包括与转变反应器轻质颗粒出口、还原反应器轻质颗粒入口和煅烧炉CaCO3入口流体相通的分离器。15.技术方案14的气化器，其中所述转变反应器还包括H2出口，所述热交换器还包括与转变反应器H2出口流体相通的H2入口和用于将H2从气化器中排放出来的H2出口， 所述分离器与热交换器H2入口流体相通。16.技术方案15的气化器，所述气化器还包括与热交换器H2出口流体相通的压缩机。17.技术方案15的气化器，所述气化器还包括与热交换器H2出口流体相通的热交换单元，所述热交换单元用于接收水流并排放蒸汽流。18.技术方案14的气化器，其中所述还原反应器还包括与转变反应器的颗粒出口流体相通的碳气化器；与所述碳气化器流体相通的碳燃烧室；和与所述碳燃烧室和氧化反应器的CaS入口流体相通的碳完全燃烧箱。19.技术方案18的气化器，其中所述转变反应器还包括热气体入口，所述碳气化器包括还原反应器重质颗粒入口、还原反应器轻质颗粒入口、与所述转变反应器热气体入口流体相通的热气体出口、炭出口和热气体入口。20.技术方案19的气化器，其中所述碳燃烧室包括与碳气化器的炭出口流体相通的炭入口、与碳气化器热气体入口流体相通的热气体出口、与氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的热CaSO4入口、炭出口和热气体入口。21.技术方案20的气化器，其中所述碳完全燃烧箱包括与碳燃烧室炭出口流体相通的炭入口、与碳燃烧室热气体入口流体相通的热气体出口、与氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的热CaSO4入口和与氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS出口。22.技术方案21的气化器，其中所述碳完全燃烧箱还包括空气入口，转变反应器和碳气化器各具有与氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的热CaSO4入口。23.技术方案7的气化器，其中所述煅烧炉包括煅烧炉容器，所述煅烧炉容器具有CaCO3入口和CaO出口；和与所述煅烧炉容器流体相通的燃烧室，所述燃烧室具有空气入口和CaS入口；其中空气和CaS在燃烧室中燃烧产生热吸附剂颗粒，所述热吸附剂颗粒被排放到所述煅烧炉容器中，吸附剂颗粒的热量将CaCO3煅烧，产生CaO和C02。24.技术方案23的气化器，其中所煅烧炉还包括放置在所述燃烧室和煅烧容器中间的沉降室；和与所述沉降室流体相通的第一分离器；其中所述热吸附剂颗粒被从燃烧室排放出的烟道气带入沉降室，在这里热的重质吸附剂颗粒从烟道气中沉降出来并进入煅烧炉，烟道气及其夹带的轻质吸附剂颗粒被排放到第一分离器，在这里细的吸附剂颗粒从烟道气中分离出来。25.技术方案24的气化器，其中所述煅烧炉还包括放置在所述沉降室和煅烧炉容器中间的斜导管；和放置在煅烧炉容器和燃烧室中间的溢流通道；其中所述热重质吸附剂颗粒从沉降室经过导管进入煅烧炉容器而冷重质吸附剂颗粒通过溢流通道进入燃烧室。26.技术方案25的气化器，其中所述煅烧炉还包括与煅烧炉容器和转变反应器CaO入口流体相通的第二分离器；具有包括过滤器的第一末端的旁路管道，所述第一末端与煅烧炉容器流体相通； 和放置在旁路管道上的旁路阀；其中通过煅烧CaCO3产生的CaO和CO2从煅烧炉容器排放到第二分离器中且通过煅烧CaCO3产生的CO2通过旁路管道排放，旁路阀控制分离器与旁路管道之间的CO2流量分配，从而限制到分离器的CO2的移除速度以防止在移除的CO2中带有重质吸附剂颗粒；第二分离器将CaO排放到转变反应器。27.技术方案7的气化器，所述气化器还包括活化器，所述活化器具有与煅烧炉的 CaO出口流体相通的入口、与转变反应器入口流体相通的出口、喷射器和撞击表面，所述喷射器将一部分CaO夹带在气流中，加速CaO并将CaO对准撞击表面。28.技术方案27的气化器，其中所述活化器还具有用于接收蒸汽或水的H2O入口。29.技术方案13的气化器，所述气化器还包括活化器，所述活化器具有与煅烧炉 CaO出口流体相通的入口、与转变反应器入口流体相通的出口、喷射器和撞击表面，所述喷射器将一部分CaO夹带在气流中、加速CaO并将CaO对准撞击表面。30.技术方案29的气化器，其中所述活化器还具有用于接收蒸汽或水的H2O入口。31. 一种从碳质燃料生产气体产物的气化器，所述气化器包括第一化学加工回路，所述第一化学加工回路包括放热氧化反应器，所述放热氧化反应器具有CaS入口、热空气入口和CaSO4/废气出口 ；和吸热还原反应器，所述吸热还原反应器具有与上述氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的CaSO4入口、与上述氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS/合成气体出口和用于接收碳质燃料的原料入口 ；和第二化学加工回路，所述第二化学加工回路包括水煤气转变反应器，所述水煤气转变反应器具有与还原反应器的CaS/合成气体出口流体相通的合成气体入口、CaO入口、用于接收气态H2O的蒸汽入口和CaCO3出口 ；和煅烧炉，所述煅烧炉具有与转变反应器的CaCO3出口流体相通的CaCO3入口和与转变反应器的CaO入口流体相通的CaO出口；其中在氧化反应器中，CaS在空气中被氧化而生成热CaSO4，所述热CaSO4被排送到还原反应器中；在还原反应器中接收的热CaSO4和碳质燃料利用CaSO4带来的热量进行吸热反应，碳质燃料从CaSO4夺去氧,生成CaS和合成气体；CaS被排送到氧化反应器中而合成气体被排放到转变反应器；合成气体中的CO与气态H2O反应生成H2和C02，CO2被CaO捕获，发生形成热CaCO3的放热反应，热的CaCO3被排送到煅烧炉中，CaCO3的热量在煅烧炉中被用于从CaO夺去CO2的吸热反应，且CaO从煅烧炉中被排送到转变反应器。32. 一种从碳质燃料生产气体产物的气化器，所述气化器包括第一化学加工回路，所述第一化学加工回路包括放热氧化反应器，所述放热氧化反应器具有CaS入口、热空气入口和CaSO4/废气出口 ；和吸热还原反应器，所述吸热还原反应器具有与上述氧化反应器的CaSO4/废气出口流体相通的CaSO4入口、与上述氧化反应器的CaS入口流体相通的CaS/合成气体出口和用于接收碳质燃料的原料入口 ；和第二化学加工回路，所述第二化学加工回路包括水煤气转变反应器，所述水煤气转变反应器具有与还原反应器的CaS/合成气体出口流体相通的合成气体入口、CaO入口、用于接收碳质燃料的燃料入口、用于接收气态H2O 的蒸汽入口以及与还原反应器原料入口流体相通的颗粒出口 ；和
煅烧炉，所述煅烧炉具有与转变反应器的颗粒出口流体相通的CaCO3入口和与转变反应器的CaO入口流体相通的CaO出口；其中在氧化反应器中，CaS在空气中被氧化而生成热CaSO4,所述热CaSO4被排送到还原反应器中；在还原反应器中接收的热CaSOjP碳质燃料利用CaSO4带来的热量进行吸热反应，碳质燃料从CaSO4夺去氧,生成CaS和合成气体；CaS被排送到氧化反应器中而合成气体被排放到转变反应器；合成气体中的CO和碳质燃料与气态H2O反应生成H2XO2和部分脱碳的热碳质颗粒；0)2被CaO捕获，发生形成热CaCO3的放热反应；热的碳质颗粒被排送到还原反应器中；热的CaCO3被排送到煅烧炉中，CaCO3的热量在煅烧炉中被用于从CaO夺去CO2 的吸热反应，且CaO从煅烧炉中被排送到转变反应器。
权利要求
1.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的方法，所述方法包括在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4 ；提供热的CaSO4和碳质燃料给还原反应器，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4 所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物，其中供给足够量的氧气用于碳质燃料的基本完全的燃烧，以便气体产物基本上全是CO2和蒸汽；提供来自还原反应器中的气流给分离器，其中所述气流包括气体产物和夹带的CaS ；分离所述气流中的气体产物和夹带的CaS ;和提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
2.权利要求I的方法，进一步包括提供含CaO的化合物给还原反应器。
3.权利要求2的方法，其中含CaO的化合物包括CaC03。
4.权利要求2的方法，其中含CaO的化合物包括CaO。
5.权利要求I的方法，其中所述氧化包括在氧化器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4和废气；和分离热的CaSO4和废气。
6.权利要求5的方法，其中废气主要包括氮气。
7.权利要求5的方法，进一步包括在再生热交换器中利用所述废气的热量加热空气以产生加热的空气；和提供来自再生加热交换器中所述加热的空气给所述氧化反应器以用于氧化。
8.权利要求5的方法，进一步包括在分离热的CaSO4和废气之后，排出至少部分的热 CaSO4O
9.权利要求I的方法，进一步包括利用废气中的热量加热来自再生热交换器中的空气以产生加热的空气。
10.权利要求I的方法，其中分离在还原反应器中生成的CaS和气体产物包括从还原反应器的上部排出CaS和气体产物。
11.权利要求I的方法,进一步包括在再生热交换器中利用气体产物的热量加热空气以产生加热的空气；和提供来自再生热交换器中加热的空气给氧化反应器，以用于氧化。
12.权利要求I的方法，进一步包括利用气体产物的热量加热来自热交换器中的空气以产生加热的空气。
13.权利要求I的方法，进一步包括利用热的CaSO4的热量加热热交换单元中的水，以产生蒸汽流。
14.权利要求I的方法，其中所述碳质燃料包括硫。
15.权利要求I的方法，其中所述氧化包括CaO捕获S生成CaS04。
16.权利要求10的方法，其中分离在还原反应器中生成的CaS和气体产物包括 提供在还原反应器中生成的CaS，CO2和蒸汽给分离器，其中所述分离器将CaS从CO2和蒸汽中分离，以及提供分离的CaS给氧化反应器。
17.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的方法，所述方法包括在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4 ；提供热的CaSO4和碳质燃料给还原反应器，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物，其中供给一定量的氧气用于碳质燃料的部分氧化，以便气体产物是合成气；提供来自还原反应器的气流给分离器，其中所述气流包括气体产物和夹带的CaS ；分离所述气流中的气体产物和夹带的CaS ;和提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
18.权利要求17的方法，其中所述合成气富含一氧化碳。
19.权利要求17的方法，进一步包括提供含CaO化合物给还原反应器。
20.权利要求17的方法，其中所述氧化包括在氧化器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4和废气；和分离热的CaSO4和废气。
21.权利要求17的方法，其中所述提供在还原反应器中生成的CaS给氧化反应器包括提供在还原反应器中生成的CaS和合成气给分离器，其中所述分离器将CaS和合成气分离，并将分离的CaS提供给氧化反应器。
22.—种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的方法，所述方法包括在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaS04 ；提供热的CaSO4和碳质燃料给单一室的还原反应器，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物，其中供给足够量的氧气用于碳质燃料的基本完全的燃烧，以便气体产物基本上全是CO2和蒸汽；和提供在还原反应器中的生成的分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
23.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的方法，所述方法包括在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaS04 ；提供热的CaSO4和碳质燃料给还原反应器，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4 所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物；分离从还原反应器中排出的气体产物和夹带的CaS ;和提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
24.权利要求23的方法，其中在空气中氧化CaS还生成废气；并且所述方法进一步包括分离从氧化反应器中排出的CaSO4和废气；和提供分离的CaSO4给还原反应器。
25.权利要求23的方法，其中还原反应器包括在其上部的出口，所述作为气流的气体产物和CaS将从该还原反应器中被分离。
26.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的系统，所述系统包括氧化反应器，在氧化反应器中CaS在空气中被氧化而生成热的CaSO4 ；还原反应器，所述还原反应器接受热的CaSO4和碳质燃料，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物，其中供给足够量的氧气用于碳质燃料的基本完全的燃烧，以便气体产物基本上全是CO2和蒸汽；和接受来自还原反应器的气流的第一分离器，其中所述气流包括气体产物和夹带的CaS， 并且分离所述气流中的气体产物和夹带的CaS，其中提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
27.权利要求26的系统，其中还原反应器接受含CaO的化合物。
28.权利要求27的系统，其中含CaO的化合物包括CaC03。
29.权利要求27的系统，其中含CaO的化合物包括CaO。
30.权利要求26的系统，其中所述氧化反应器氧化在其空气中的CaS，以进一步生成废气；和所述系统进一步包括分离热的CaSO4和废气的第二分离器，其中提供分离的CaSO4给还原反应器。
31.权利要求30的系统，其中所述废气主要包括氮气。
32.权利要求30的系统，进一步包括热交换器，该热交换器利用废气的热量加热提供给氧化反应器的空气。
33.权利要求30的系统，其中在分离热的CaSO4和废气后排出部分热的CaS04。
34.权利要求26的系统，进一步包括利用废气的热量以加热空气的热交换器。
35.权利要求26的系统，其中还原反应器包括在其上部的出口，从此还原反应器的气流排入第一分离器。
36.权利要求26的系统，进一步包括利用气体产物的热量以加热空气的热交换器，其中提供加热的空气给氧化反应器。
37.权利要求26的系统，进一步包括利用气体产物中的热量加热空气以产生加热的空气的再生热交换器。
38.权利要求26的系统，进一步包括利用热的CaSO4的热量加热水以产生蒸汽流的热交换单元。
39.权利要求26的系统，其中碳质燃料包括硫。
40.权利要求26的系统，其中所述氧化反应器包括捕获硫而生成CaSO4的CaO。
41.权利要求26的系统，其中所述还原反应器由单一室形成。
42.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的系统，所述系统包括氧化反应器，在所述氧化反应器的空气中氧化CaS以生成热的CaSO4 ；还原反应器，所述还原反应器接受热的CaSO4和碳质燃料，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物，其中提供一定量的氧气用于碳质燃料的部分氧化，以便气体产物是合成气；和接受来自还原反应器的气流的第一分离器，其中所述气流包括气体产物和夹带的CaS， 并且分离所述气流中的气体产物和夹带的CaS，其中提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
43.权利要求42的系统，其中所述合成气富含一氧化碳。
44.权利要求42的系统，其中所述还原反应器还接受含CaO的化合物。
45.权利要求42的系统，其中所述氧化反应器氧化在其空气中的CaS以进一步生成废气；和所述系统还包括分离热的CaSO4和废气的第二分离器，其中提供分离的CaSO4给还原反应器。
46.权利要求42的系统，其中所述还原反应器包括在其上部的出口，气流从还原反应器排入到第一分离器。
47.权利要求42的系统，其中所述还原反应器由单一室生成。
48.一种在气化器中从碳质燃料生产气体产物的系统，所述系统包括氧化反应器，在所述氧化反应器的空气中氧化CaS以生成热的CaSO4 ；还原反应器，所述还原反应器接受热的CaSO4和碳质燃料，其中热的CaSO4和碳质燃料利用热的CaSO4所带来的热量进行吸热反应生成CaS和气体产物；和接受来自还原反应器的气流的第一分离器，其中所述气流包括气体产物和夹带的CaS， 并且分离所述气流中的气体产物和夹带的CaS，其中提供分离的CaS给氧化反应器以用于氧化。
49.权利要求48的系统，其中所述氧化反应器氧化在其空气中的CaS以进一步生成废气；所述系统还包括分离热的CaSO4和所述废气的第二分离器，其中将分离的CaSO4提供给还原反应器。
50.权利要求48的系统，其中还原反应器包括在其上部的出口，从此还原反应器中所述气流排入第一分离器。
全文摘要
本发明涉及一种能移走CO2并产生H2的热固体气化器。气体发生器10包括第一化学加工回路12，所述回路12具有放热氧化反应器14和吸热还原反应器16。在氧化反应器14中CaS在空气中被氧化而生成热CaSO4，所述热CaSO4被排送到还原反应器16中。在还原反应器16中接收的热CaSO4和碳质燃料利用CaSO4带来的热量进行吸热反应；碳质燃料从CaSO4夺取氧从而生成CaS和富含CO的合成气体。CaS被排送到氧化反应器14中而合成气体被排送到第二化学加工回路52中。第二化学加工回路52具有水煤气转变反应器54和煅烧炉42。合成气体中的CO与气态H2O在转变反应器54中反应产生H2和CO2。CO2被CaO捕获，发生生成热CaCO3的放热反应。热CaCO3被排送到煅烧炉42中，在煅烧炉中CaCO3带来的热量被用于从CaO夺取CO2的吸热反应，且CaO从煅烧炉42中被排送到转变反应器54。
文档编号C01B3/56GK102585910SQ20121005074
公开日2012年7月18日 申请日期2004年5月24日 优先权日2003年5月29日
发明者H·E·小安德鲁斯, M·S·麦卡特内 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司