转化燃料的体系和方法
【专利说明】转化燃料的体系和方法
[0001]本申请为申请日为2007年I月12日，申请号为200780006757.X，发明名称为“转化燃料的体系和方法”的发明专利申请的分案申请。
[0002]本发明大体上涉及转化燃料的体系和方法，并大体上涉及用于燃料转化的氧化还原反应器体系。
[0003]一直需要清洁和有效的能量产生体系。产生能量载体例如蒸汽、氢气、合成气、液体燃料和/或电的大多数商业方法基于化石燃料。另外，对化石燃料的依赖性预计在可预见的将来仍会持续，这是由于与可更新来源相比低得多的成本。当前，碳质燃料例如煤炭、天然气、石油焦的转化一般经由燃烧或重整过程进行。然而，碳质燃料，特别是煤炭的燃烧是碳密集性过程，其向环境排放大量二氧化碳。在该过程中由于煤炭中的复杂内容物还产生硫和氮化合物。
[0004]另一方面，金属氧化物和碳质燃料之间的化学反应可以提供回收存储在燃料中的能量的更好方式。一些方法基于金属氧化物颗粒与碳质燃料的反应以产生有用的能量载体。例如，Ishida等人的美国专利号5，447，024描述了其中使用氧化镍颗粒经由化学循环过程将天然气转化成热的方法，该热可以用于涡轮机。然而，纯金属氧化物的可再循环性是差的并且构成其在商业和工业过程中使用的障碍。此外，这种技术具有有限的可应用性，因为它仅能转化天然气，该天然气比其它化石燃料更昂贵。另一种熟知的工艺是蒸汽-铁工艺，其中使煤炭衍生的炉煤气与氧化铁颗粒在流化床反应器中反应以稍后用蒸汽再生而产生氢气。然而，这种工艺由于反应固体和气体之间的不适当接触而遇到差的气体转化率问题，并且不能产生富氢料流。
[0005]随着对更清洁且更有效的燃料转化体系的要求增加，产生了对改进的体系，和其中的体系部件的需要，它们将有效地转化燃料，同时减少污染物。
[0006]在本发明的一个实施方案中，提供了转化燃料的体系。该体系包括包含许多陶瓷复合颗粒的第一反应器，其中该陶瓷复合颗粒包含至少一种布置在载体上的金属氧化物。该第一反应器设置为用燃料还原至少一种金属氧化物以产生还原的金属或还原的金属氧化物。该体系还包括第二反应器和第三反应器，该第二反应器设置为氧化该还原的金属或还原的金属氧化物以产生金属氧化物中间体，该第三反应器设置为通过氧化该金属氧化物中间体使至少一种金属氧化物再生。
[0007]在本发明的另一个实施方案中，提供了将燃料转化成氢气、CO或合成气的方法。该方法包括以下步骤:在燃料和金属氧化物之间的还原反应中将金属氧化物还原成还原的金属或还原的金属氧化物；用氧化剂将该还原的金属或还原的金属氧化物氧化成金属氧化物中间体，同时还产生氢气、CO或合成气；和通过将该金属氧化物中间体氧化使该至少一种金属氧化物再生。
[0008]在又一个实施方案中，提供了包括费-托反应器的体系。该费-托反应器设置为由包含气体燃料的原料混合物产生烃燃料。该体系还包括包含许多陶瓷复合颗粒的第一反应器，其中该陶瓷复合颗粒包含至少一种布置在载体上的金属氧化物。该第一反应器设置为用气体燃料将金属氧化物还原成还原的金属或还原的金属氧化物，其中该气体燃料至少部分地包含通过费-托反应器产生的烃燃料。该体系还包括第二反应器，其设置为用蒸汽将该还原的金属或还原的金属氧化物氧化以产生金属氧化物中间体。
[0009]在另一个实施方案中，提供了陶瓷复合颗粒的制备方法。该方法包括:使金属氧化物与载体材料反应；在大约200-大约1500°C的温度下热处理金属氧化物和载体材料的混合物以产生陶瓷复合粉末；将该陶瓷复合粉末转化成陶瓷复合颗粒；和在反应器中使用之前将该陶瓷复合颗粒还原和氧化。
[0010]考虑以下详细描述将更完全地理解由本发明实施方案提供的附加特点和优点。
[0011]当结合以下附图一起阅读时，可以最佳地理解本发明说明性实施方案的以下详细描述，在附图中，同样的结构用同样的参考编号表示，并且附图中:
[0012]图1是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生氢气的体系的示意图；
[0013]图2是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图；
[0014]图3是根据本发明一个或多个实施方案的使用直接化学循环和灰分分离筛由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图；
[0015]图4是根据本发明一个或多个实施方案的使用直接化学循环和灰分分离旋风分离器由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图；
[0016]图5是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图，其中该体系使用用于热回收的第三反应器；
[0017]图6是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图，其中该体系在用于脱硫的第一反应器中使用吸附剂；
[0018]图7是根据本发明一个或多个实施方案的由合成气产生氢气的体系的示意图；
[0019]图8是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生氢气的另一种体系的示意图，其中将第一反应器中产生的二氧化碳再循环回到第二反应器；
[0020]图9是根据本发明一个或多个实施方案的由煤炭产生蒸汽的另一种体系的示意图；
[0021]图10是根据本发明一个或多个实施方案的由合成气产生氢气的又一种体系的示意图；
[0022]图11是根据本发明一个或多个实施方案的由合成气产生氢气的另一种体系的示意图，其中该体系包括污染物控制组件；
[0023]图12是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与费-托(F-T)合成结合的体系的不意图；
[0024]图13是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与费-托合成结合的另一种体系的不意图；
[0025]图14是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与费-托合成结合的另一种体系的不意图；
[0026]图15是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与费-托合成结合的又一种体系的示意图，其中该体系包括污染物控制组件；
[0027]图16是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与费-托合成结合的另一种体系的示意图，其中该体系在不使用气化器的情况下操作；
[0028]图17是根据本发明一个或多个实施方案的用于车辆上的车载4存储器的化学循环体系的不意图；
[0029]图18(a)是根据本发明一个或多个实施方案的用于图17的车载H2存储体系的反应器盒的示意图，其中该反应器盒包括含Fe介质和小粒料的填充床；
[0030]图18(b)是根据本发明一个或多个实施方案的用于图17的车载H2存储体系的另一种反应器盒的示意图，其中该反应器盒包括含Fe介质和具有蒸汽流动直槽的整体床；
[0031]图18(c)是根据本发明一个或多个实施方案的用于图17的车载H2存储体系的又一种反应器模件的示意图，其中该反应器盒包括含Fe介质和具有蒸汽和空气流动槽的整体床；
[0032]图19是根据本发明一个或多个实施方案的用于图17的车载4存储体系的反应器盒的示意图，其中该反应器盒使用一系列具有空气注射的整体床反应器以提供用于蒸汽形成的热；
[0033]图20是根据本发明一个或多个实施方案的化学循环与固体氧化物燃料电池结合的体系的不意图；
[0034]图21是根据本发明一个或多个实施方案的用于本发明体系的反应器的示意图，其中该反应器是移动床反应器，其包括布置在燃料供给位置附近的环形区域；
[0035]图22是根据本发明一个或多个实施方案的用于本发明体系的反应器的示意图，其中该反应器是移动床，其包括环形区域以及插入该移动床中的锥体；和
[0036]图23是根据本发明一个或多个实施方案的用于本发明体系的另一个反应器的示意图，其中该反应器是移动床反应器，其包括环形区域。
[0037]总体上参照图1，本发明涉及通过陶瓷复合颗粒的氧化还原反应转化燃料的体系和方法。如图1所示，该体系包括两个主反应器，以及附加的反应器和组件，将在下面详细地描述它们。设置为进行还原反应的第一反应器I包括许多陶瓷复合颗粒，该陶瓷复合颗粒具有至少一种布置在载体上的金属氧化物。如本领域普通技术人员熟悉的那样，可以经由任何合适的固体输送装置/机构将陶瓷复合颗粒供给反应器。这些固体输送装置可能包括但不限于，气动装置、输送机、闭锁式料斗等。陶瓷复合颗粒在Thomas等人的美国公开申请号2005/0175533A1中进行了描述，该文献在此整体引入供参考。除了 Thomas中公开的颗粒和颗粒合成方法之外，在另一个实施方案中，本申请人已经开发了制造陶瓷复合材料的备选方法，该方法可以改进本发明体系中的陶瓷复合颗粒的效能和活性。这些备选方法中的两种是共沉淀和喷雾干燥。
[0038]第三备选方法包括将金属氧化物与陶瓷载体材料物理混合的步骤。任选地，可以将促进剂材料添加到金