将含碳燃料转化为无碳能量载体的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年9月28日、申请号为200980141285. 8、发明名称为"将 含碳燃料转化为无碳能量载体"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明总体上涉及将含碳燃料进行转化的系统和方法。通常利用存在一种或多种 化学中间体的还原-氧化（氧化还原）反应将含碳燃料进行转化。
【背景技术】
[0003] 为了满足不断提高的对清洁和负担得起的能量载体的要求并且确保现代经济的 可持续增长，高度需要将含碳燃料例如煤、原油、天然气、生物质、焦油砂和油母岩转化成无 碳能量载体的有效且环境友好的技术。能量载体是可用于产生机械功或热或者操作化学或 物理过程的物质或现象。
[0004] 特别地当C(V法规为强制性时，现有的含碳燃料转化技术或者为资金密集型（气 化或超-超临界粉煤燃烧），具有低的效率（亚临界粉煤燃烧），或者其二者兼有。
[0005] 含碳燃料和空气/蒸汽/0)2之间借助于金属氧化物介质的化学反应可以表现为 一种将燃料进行转化的有效方法。已提出许多使用金属氧化物的技术将含碳燃料进行转 化。例如，Watkins的美国专利No. 3, 027, 238描述了生产氢气的方法，该方法包括在还原 区中还原金属氧化物，并且在氧化区中用蒸汽氧化经还原的金属以产生氢气。Thomas等的 美国公开申请No. 2005/0175533和Fan等的PCT申请No.W0 2007/082089均描述了通过如 下产生氢气的方法：在碳基燃料和金属氧化物之间的还原反应中还原金属氧化物以提供具 有较低氧化态的经还原的金属或金属氧化物，并且氧化所述经还原的金属或金属氧化物以 产生氢气和具有较高氧化态的金属氧化物。以含有金属或金属氧化物的陶瓷材料多孔复合 物的形式提供金属或金属氧化物。
[0006] -种众所周知的方法为蒸汽_铁方法，其中将煤衍生的发生炉煤气与氧化铁颗粒 (随后用蒸汽再生）反应以产生氢气。然而，在该系统中使用流化床，这使铁（Fe)在FeO和 Fe304之间循环，没有将所述气体完全转化，并且没有能够产生纯的气体流。Ishida等的美 国专利No. 5, 447, 024描述了使用氧化镍颗粒通过化学循环方法将天然气转化为待用于涡 轮机的热的方法。然而，该技术具有有限的适用性，这是因为其仅能够高花费地将天然气转 化为热/电。因此，限制了该方法的原料和产物。
[0007] 随着逐渐提高的对更清洁和更有效的能量载体例如电、氢气和燃料的要求，出现 了对以较高效率和较低排放产生上述能量载体的改进系统和其中的系统部件的需要。
【发明内容】
[0008] 本发明的实施方案提供了将固体、液体和气体燃料转化为有效能量载体的新型系 统和方法。在一个实施方案中，提供了用于将固体、液体或气体燃料进行转化的系统并且该 系统包括含有许多陶瓷复合颗粒的第一反应器。所述陶瓷复合颗粒包含位于载体上的至少 一种金属氧化物，并且所述第一反应器经配置以用燃料将该至少一种金属氧化物还原从而 产生还原的金属或还原的金属氧化物。该系统包括经配置的第二反应器以将所述还原的金 属或还原的金属氧化物至少部分再氧化从而产生金属氧化物中间体。该系统还包括空气源 和与该空气源连通的第三反应器并且该第三反应器经配置以通过氧化所述金属氧化物中 间体使至少一种金属氧化物再生。在优选的形式中，燃料为固体燃料或气体燃料。任选地， 将燃料转化增强气体（优选包括co2、蒸汽和/或氏）送到其中使该气体与固体流逆向流动 的第一反应器。
[0009] 还提供了制备为例如丸粒形式的陶瓷复合颗粒的方法，该方法包括以下步骤：将 金属氧化物与至少一种陶瓷材料混合以形成混合物，将该混合物成粒，和干燥该成粒混合 物。将干燥、成粒的混合物加工成使得颗粒的特征长度大于约200ym的颗粒形式。所述颗 粒在用于反应器系统之前在约500-约1500°C的温度下热处理并且可以任选地将它们还原 和氧化。
[0010] 考虑以下详细描述、附图和所附权利要求将更全面地理解由本文所述主题的实施 方案提供的另外特点和优点。
【附图说明】
[0011] 当结合下面的附图阅读时可以最佳地理解本文所述主题的说明性实施方案的以 下详细描述，在所述附图中相似的结构用相似的附图标记表示并且其中：
[0012] 图1是其中提供了由煤和/或生物质产生氢气和/或电的系统而不需要空气分离 单元（ASU)的实施方案的示意性图解；
[0013] 图2A是将煤和/或生物质转化为C02和蒸汽，并同时将复合颗粒中的Fe203还原 为Fe和FeO的还原器的示意性图解；图2B和2C描述了还原器中固体燃料注入口和反应器 出口的替代设计；
[0014] 图3是煤焦/生物质转化增强方案的示意性图解；
[0015] 图4A和4B是还原器的第一级和第二级中气体固体流动型式的示意性图解；
[0016] 图5是显示移动床还原器的实施方案中煤和氧载体的转化的图表；
[0017] 图6是将含碳燃料转化为氢气、可封存（sequestrable)的C02和热的系统的替代 实施方案的示意性图解；
[0018] 图7描述了含碳燃料转化系统的实施方案的热集成方案；
[0019] 图8是将气体燃料例如合成气、甲烷和其它烃转化为氢气和/或电的系统的示意 性图解；
[0020] 图9是显示在移动床还原器中合成气和氧化铁的转化的图；
[0021] 图10是显示在移动床还原器中甲烷和氧化铁的转化的图；
[0022] 图11是显示由移动床氧化器产生的氢气的浓度的图；
[0023] 图12是显示根据本发明实施方案制得的Fe203基金属氧化物复合颗粒的抗碎强度 的图；
[0024] 图13是显示在多个氧化还原循环后氧载体颗粒的磨耗率的图；
[0025] 图14是显示氧载体颗粒的还原-氧化速率相对于氧化还原循环数目的图；
[0026] 图15是显示氧载体颗粒在与煤反应4个还原-氧化循环，与合成气反应3个还 原-氧化循环和与天然气反应1个还原-氧化循环后的反应性的图；
[0027] 图16是描述还原器的一个实施方案的期望工作线的图。
[0028] 图17是由生物质发电的实施方案的示意性图解；
[0029]图18是由天然气或其它富含甲烷的气体产生氢气/电的实施方案的示意性图 解；
[0030]图19是使用非机械气体密封件和固体流动控制装置的氧化还原系统的设计的示 意性图解；和
[0031]图20描述了非机械气体密封和固体流动控制的替代设计。
【具体实施方式】
[0032] 总体上参考图1和8,本文所述主题的实施方案涉及通过金属氧化物陶瓷复合物 的氧化还原反应将含碳燃料转化为无碳能量载体例如氢气、热和电的系统和方法。图1描 述了当直接使用固体含碳燃料作为原料时系统配置方式的一个实施方案，而图8描述了当 使用气体含碳燃料作为原料时系统配置方式的一个实施方案。
[0033] 在图1所描述的实施方案中，系统10包括第一反应器12 (在本文中也称作还原 器），其经配置以将来自燃料源14的固体含碳燃料氧化为C02和蒸汽并同时将系统中充当 氧载体的金属氧化物基陶瓷复合颗粒还原。固体燃料可以通过使其夹带入气体（例如含氧 气体）流中来供给。如所示，将金属氧化物复合颗粒供给物储存在容器16中并且在需要使 将其供给到还原器12。如图1中所示可以视需要通过管道（conduit) 11加入额外的复合颗 粒。通过金属氧化物氧载体颗粒至少部分地提供或除去还原器12中所需或产生的热。通 过管线18将燃料的燃烧产物（C02和蒸汽）从还原器12除去。如所示，通过使气态料流穿 过给加有来自管线21的冷却剂例如水的换热器19使蒸汽冷凝。C02料流在任选于分离器 20中除去污染物例如汞后送去封存。典型地，由还原器12产生相对纯（即>95% )的C02 料流。
[0034] 第二反应器22 (在本文中也称作氧化器）经配置以用蒸汽和/或C02将部分或全 部还原的金属氧化物氧载体颗粒（部分地）氧化并且产生基本上纯的氢气料流。通过管线 23将氢气从氧化器22移出。如所示，可以使用换热器25用热的氢气料流加热管线40中的 进入蒸汽。可以通过分离器27除去氢气料流中的任何污染物例如硫化氢气体。氢气可以 用于例如产生电力、液体燃料合成或其它用途。第三反应器24(在本文中也称作燃烧器） 使用例如通过可选的压缩机28经由管线26供给的含氧气体如空气燃烧来自氧化器22的 被部分氧化的金属氧化物氧载体颗粒和来自还原器12的剩余被还原的金属氧化物氧载体 颗粒。在当还原器12需要另外的热的情形中，将由燃烧器24产生的热的至少一部分集成 到该还原