专利名称：最小化消耗氧的能量转换方法
技术领域：
本发明涉及含碳固体燃料的能量转换方法。
具有温室效应的气体(尤其是CO2)的释放越来越多的被限制于使用矿物燃料产生能量的发电厂中。控制这些气体的释放带来了新问题的解决，如在发电厂的烟中或在使用矿物燃料的烟中或者在使用生物量(biomasse)型(非矿物碳)可更新能源的装置中所产生的气体中的CO2的捕捉，其中该装置用于产生交通替代品的碳化剂，同时兼顾最小化花费最小和对现有装置改进的最小化。
终于，由于油田的逐渐减少，建立了实施大规模回收技术的动力学，其辅以注入CO2而可以使提取可得储备的可能性增加。
为此，公知通过自热气化作用转化包含含碳物质的固体燃料的氧气和水蒸气，以便产生包含CO和H2的合成气，其可以用于燃气轮机、产生氢的设备或甲醇型化合物的合成设备。
此类型装置在FR2 660 415和FR2 5590776中有所描述。然而，由于焦油型未转化烃或未燃烧碳的细小颗粒存在于这些装置中，这引起缩合作用、在制冷和合成气体处理的系统中具有不理想组成的问题，以及使得所述装置的产率变坏的问题。
为了去除这些焦油和未燃烧碳，通过升高温度将该合成气进行热重整(reformage thermique)，这样可以使其部分燃烧，这需要补充额外的氧。
正如US 6 505 567所述，还可以通过燃烧氧和循环CO2而不外通空气的方法转换这些固体燃料能量，这产生了主要包含CO2和水蒸气(不含氮)的燃烧的烟，以便能够使用这些烟帮助地下石油的回收操作或以便能够将其隔离在地下。然而，这些方法消耗大量氧，而氧必然是使用部分产生的能量通过特定的空气蒸馏设备产生的，这造成所消耗的电能的损失。
同样公知的是，通过包含含碳物质的固体燃料的热化学循环燃烧方法实施该转换，以产生主要包含CO2和水的燃烧的烟。对于这种解决方案，不需要使用特定的空气蒸馏设备，但是却具有在燃烧的烟中存在不能转化的含碳化合物如烃(CnHn)或未燃烧碳的问题，这对于石油回收方法或地质存储是不能接受的，所以必须被除去。
本发明的主题是提供一种最小化消耗氧和最小化产生不能转化的含碳化合物的能量转换方法。
本发明方法是固体燃料的能量转换方法，该固体燃料尤其包含碳，该方法包括所述燃料在能量转换第一反应器中的第一步反应，其特征在于其包括在所述反应器出口注入氧的第二步，第一步反应在至少一个循环流动床中实施，其特征还在于为了转换燃料和氧化氧化物，在相互连接的两个循环流动床之间循环金属氧化物。
对于第一步气化作用的情况，该第二步可以将包含在产生于第一步的气体中的烃残留物完全转换为CO2、CO、H2和水蒸汽，对于第一步燃烧作用的情况，该第二步可以将包含在产生于第一步的气体中的烃残留物完全转换为CO2和水蒸汽。
根据其中一个特征，第一步反应在至少一个循环流动床中进行。如果此处两个循环流动床是相互连接的。该循环床有利于物质和能量的转移，有利于具有反应物的燃料的转换。
根据另一个特征，金属氧化物在相互连接的用于燃料转换和氧化物的氧化作用的两个流动床中循环。金属氧化物提供额外的氧，该氧是在引入转换反应器的燃料中所含的碳的转化和氢的转化所需要的。
根据本方法的第一种变型，燃料的能量转换通过燃烧作用实施。如果在转换反应器中氧的数量大于反应的化学计量，该转换反应将燃烧完全，除非是不能转化的含碳化合物。
根据尤其第一种变型的设计，本方法第二步中氧的注入在所述流动床气-固分离旋风分离器(cyclone)中进行。该旋风分离器是强湍流位置(turbulence)，于该处实施在所述旋风分离器中在保留一定时间内分离烟道气和循环固体。有利地，引入第二步转换的氧，其将与存在于燃烧作用烟道气中的不能转化的含碳化合物(如烃(CnHm)或未燃烧的碳)混合。
根据第一种变型的第一种设计，氧的注入在该旋风分离器入口通道(gaine)上部进行。对于在导管中的转换反应，这有利于在含待转换化合物的物流的气相中注入该氧，既然这些固体转移至该导管的底部，而且有利于获得额外的操作时间。
根据第一种变型的第二种设计，氧的注入于该旋风分离器的顶部实施。这有利于该注入，使其喷射与旋风分离器完全同轴进行，而没有影响旋风分离器壁的危险。
根据第一种变型的第三种设计，氧的注入在该旋风分离器出口进行。该设计允许在带有非常少固体的气相中进行该注入，其中离心后的残留旋转(rotation résiduelle)非常适合于具有氧的气体混合物。
根据第二种变型，燃料的能量转换作用通过气化作用实施。如果在转换反应器中氧的量不大，即如果相对于反应化学计量，氧的量少，则该反应是部分气化。
根据第二种变型的特别特征，该初级气化作用在热化学循环中进行。该热化学循环通过两个相互连接的循环流动床之间的金属氧化物交换实施。该循环可以随后产生纯化氢。
根据第二种变型的第一种设计，第二步中氧的注入在具有垂直下降气流的反应旋风分离器(réacteur cyclone)中顶部进行。
根据第二种变型的第二种设计，氧的注入几乎在具有垂直下降气流的反应旋风分离器中央进行。这允许该注入作用的喷射与旋风分离器完全同轴进行，而没有影响旋风分离器壁的危险，并且该注入作用在源自第一步(离心作用)的待转换的气体的残留旋转非常适合于具有氧的气体混合物的情况下进行。
根据本发明的其他变型，根据本发明的固体燃料(尤其包含碳的固体燃料)的能量转换方法，该方法包括所述燃料在能量转换反应器中反应所述燃料的第一步反应，其特征在于其包括在两个能量转换反应器中所述燃料反应的两个平行路线，其在两个于反应器出口注入氧的第二步的能量转换反应器和其特征在于氧化物氧化作用反应器以控制的方式给反应器和所述初级气化器同时提供金属氧化物颗粒。
本发明的优点包括在说明书内容中，仅提供一个实施方式作为实例，在所附附图中-
图1是本发明的全部转换或燃烧的设备总图；-图2是本发明的部分转换或气化的设备总图；和-图3是本发明的共同产生(coproduction)电和氢的设备总图。
为了简单起见，在不同的附图中使用相同的附图标记。
在图1中所示燃烧装置1包括氧化物还原反应器2和氧化物氧化反应器3、两个各自专用于一个反应器的旋风分离器4和5，两个各自专用于反应器之一的后部通道短仓(cage)6和7，其包含对于基于CO2的烟道气和对于空气的回收交换物。在后部通道7后放置袋滤器70、通风器71和管道72。灰和氧化物的分离器63放置于后部通道6后，以处理所述固体，而当预处理CO2时为袋滤器60、通风器61、制冷和冷凝循环62。所述反应器2和3相互连接以确保尤其是氧化物颗粒的交换。
还原反应器2由储仓8通过所述床30供给燃料。而反应器3通过储仓9通过两个循环流动床40和30供料。
反应器2通过水蒸汽和循环CO2混合物进行流化(fluidisé)。
在反应器2中还原后，氧化物通入旋风分离器5，在此处氧化物固体颗粒被与可移动灰和由CO2、SO2以及水蒸汽组成的燃烧气体分离。本发明第二步中的氧通过各自管道50、51和52于旋风分离器5的上游、旋风分离器5中或旋风分离器5下游被引入。这三种独立的氧注入作用可以单独实施或组合实施以确保包含于基于源自反应器2的CO2的烟道气的不能转化的化合物的完全转换。
图2中所示部分气化装置1’中，对于本方法的第一步，其具有初级气化器20或反应旋风分离器和氧化物氧化反应器3、两个旋风分离器4和500(其中第一个旋风分离器4与反应器3相连接，第二个旋风分离器500与气化器20相连接)、与反应器3的旋风分离器4串连的后部短仓6，其包含合成气和空气的回收交换物。在后部通道6之后放置袋滤器60、通风器61和管道65。从旋风分离器500提取的粗合成气体被送向第二气化器501，在此处实施本方法第二步的氧注入，以通过90中的合成气的热重整(reformage thermique)确保去除焦油和未燃烧的碳，即通过提高温度，其源自部分燃烧作用。
初级气化器20由例如储仓80经所述床31供给生物量物质。
用于反应器3的氧化物是例如金属氧化物。本方法第二步的氧通过通道503注入第二气化器501中，以通过合成气的热重整去除焦油和未燃烧的碳。
图3所示设备1”包含氧化物还原反应器2、氧化物氧化反应器3和初级气化器20、三个分别与反应器3、2和初级气化器20连接的旋风分离器4、5和500。该旋风分离器500与第二气化器501相连。
所述反应器2由储仓8经流动床30供料，而反应器3由储仓9经循环流动床40、30和31供料，气化器20由储仓80经床31供料。
本方法第二步的氧通过分别设置于旋风分离器5入口、旋风分离器5中或其出口的通道50、51或52引入旋风分离器5。该氧同样通过通道53引入第二气化器501中。在90处共同产生氢和电的离心作用中，氧化物氧化反应器3以控制的方式同时给燃烧反应器2供给相对于化学计量过量的氧的金属氧化物颗粒，给初级气化器20供给相对于化学计量不足的氧的金属氧化物颗粒。组成本方法第二步的氧注入的局部系统与图1和图2相类似。
权利要求
1.一种固体燃料的能量转换方法，该固体燃料尤其包含碳，该方法包括在能量转换反应器(2，20)中反应所述燃料，其特征在于其包括在所述反应器(2，20)出口注入氧的第二步，第一步反应在至少一个循环流动床(30，31，40)中实施，其特征还在于为了转换燃料和氧化氧化物，在相互连接的两个循环流动床(30，31，40)之间循环金属氧化物。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于燃料能量转换是燃烧作用。
3.根据前述权利要求的方法，其特征在于用于第二步的氧被注入流动床(30，31，40)的分离气-固的旋风分离器(5)。
4.根据前述权利要求的方法，其特征在于氧被注入旋风分离器(5)入口通道(50)的上部。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于氧被注入旋风分离器(5)的顶部(52)。
6.根据权利要求3的方法，其特征在于氧在旋风分离器(5)的出口(51)被注入。
7.根据权利要求1或3的方法，其特征在于燃料能量转换是气化作用。
8.根据前述权利要求的方法，其特征在于初级气化作用以热化学循环的方式实施。
9.根据前述权利要求的方法，其特征在于用于第二步的氧通过顶部(53)被注入具有垂直下降气流的旋风分离反应器。
10.根据前述权利要求的方法，其特征在于氧被基本上注入垂直下降气流的旋风分离反应器的中央。
11.一种固体燃料的能量转换方法，该固体燃料尤其包含碳，该方法包括在能量转换反应器(2，20)中反应所述燃料，其特征在于其包括在两个能量转换反应器(2，20)中的两种用于反应所述燃料的平行路线，其具有在所述反应器(2，20)的出口注入氧的第二步，和其特征还在于氧化物氧化反应器(3)以控制的方式同时向反应器(2)和初级气化器(20)提供金属氧化物颗粒。
全文摘要
本发明涉及固体燃料的能量转换方法，该固体燃料尤其包含碳，该方法包括在能量转换反应器(2，20)中反应所述燃料，其特征在于其包括在所述反应器(2，20)出口注入氧的第二步，第一步反应在至少一个循环流动床(30，31，40)中实施，其特征还在于为了转换燃料和氧化氧化物，在相互连接的两个循环流动床(30，31，40)之间循环金属氧化物。
文档编号F23C10/10GK1969150SQ200580019202
公开日2007年5月23日 申请日期2005年6月9日 优先权日2004年6月11日
发明者J·-X·莫兰, C·比尔 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司