载流床（entrainedbed)反应器、传送床反应器或机械 输送系统。任选地，为了给金属氧化物陶瓷复合物再生提供足够的时间，可以对第三反应器 24采用两级设计。对于这样的设计，以鼓泡或湍流流化状态操作第三反应器的位于底部的 级I以提供足够的固体和气体停留时间。当使用这样的设计时，级I的直径通常大于级II。
[0083] 使用燃烧器24以将金属氧化物基陶瓷复合物基本上完全氧化回到其较高氧化 态。在该燃烧器中可以使用空气或其它含氧气体。来自燃烧器的气态产物是温度比入口气 体温度高得多的贫氧气体。该气体产物还可以含有SOjPNOx。当使用Fe203基陶瓷复合物 时，固体产物中的铁相主要为Fe203。灰分也将随同由磨耗产生的细陶瓷复合物粉末一起出 来。部分灰分可以从还原器的气体出口尚开。
[0084] 燃烧器24中产生明显量的热。在一种配置中，气体产物和固体产物都将热从燃烧 器带走。通过管线42将固体产物直接注入回到还原器12。其结果是，使用固体产物中携带 的显热来补偿还原器12中所需的热。此外，还可通过换热将废气中所含的显热传递到还原 器。
[0085] 可使用机械方法例如旋风分离器分离灰分和废陶瓷复合物。对于15秒的机械分 离，证明灰分分离效率为至少75. 8%，这对应于当使用烟煤作为固体燃料时陶瓷复合物中 小于1 %的灰分含量。
[0086]
[0087] 现参照图6,图6例示了燃料转化系统的替代配置。在该配置中，其中相似的附图 标记表示相似的要素，第一反应器12集成了还原器和燃烧器的功能（例如图1中所示的配 置）。第一反应器12具有壳程13和管程15。通过管线14将固体或气体含碳燃料引入到 壳程13中，另外在该壳程中将由容器16供给的陶瓷复合颗粒进行转化（即还原）。通过管 道19将来自壳程的还原固体的一部分直接再循环回到管程并用空气使其燃烧。燃烧中释 放的热补偿壳程中所需的热。此外，来自第三反应器24(燃烧器）的热固体也将部分补偿 还原器12中所需的热。通过端口 40将蒸汽和C02供给到氧化器22,而通过管线23移出氢 气料流。将具有再生金属氧化物的陶瓷复合颗粒从燃烧器24送回到容器16。可以捕集来 自这些颗粒的热并将其用于产生蒸汽或电（管线35所示）。通过管线37除去灰分和废颗 粒。
[0088] 现参照图7,其中相似的附图标记表示相似的要素，图7描述了该方法的一般化热 集成方案。在这样的方案中，燃烧器24中产生的热用于：1)补偿还原器12中的热需要，和 2)产生电用于寄生式（parasitic)能量消耗。热集成的目的是使系统中产生的过量热最小 化，从而使燃料到产物的能量转化最大化。如所示，在还原器12中还原金属氧化物颗粒，同 时通过管线94和96将还原的颗粒送到氧化器22和燃烧器24。将氧化的颗粒98从氧化器 22送到燃烧器24,并同时将再生的颗粒92再循环回到还原器12。使用箭头H所示反应产 生的热将任何所需的热供给到还原器12和用于生产蒸汽或电力（在100处）。
[0089] 现参照图8,其中相似的附图标记表示相似的要素。图8描述了将气体/液体含碳 燃料进行转化的一般化系统。液体含碳燃料可以包括汽油、油类（oil)、石油、柴油、喷气燃 料、乙醇等；气态含碳燃料包括合成气、甲烧、一氧化碳、氢气、气态经气体（C1-C6)、经蒸气 等。
[0090] 在图8所描述的实施方案中，将气态燃料例如合成气燃料或甲烷进行转化，并且 可将该系统分成两个反应器：氢气发生反应器80和燃烧器86。可将该氢气发生反应器进 一步分成两级：还原器级82和氧化器级84。氢气发生反应器中的每级还可认为是单独的 反应器。
[0091] 氢气发生反应器的优选设计包括具有一级或多级的移动床反应器、多级流化床反 应器、级段式反应器、回转窑炉或本领域技术人员已知的任何合适的反应器或容器。在任何 反应器设计中，使用固体和气体之间的逆流型式来提高气体和固体转化。逆流型式使固体 和气体二者的返混最小化。此外，其提高了气体和固体的热力学转化。固体的停留时间通 常为约15分钟-约4小时。还原器停留时间典型地为约7. 5分钟-约2小时，氧化器停留 时间也通常为约7. 5分钟-约2小时。
[0092] 在还原器82中，在位于或接近还原器底部处引入气体燃料，并然后使其相对于陶 瓷复合颗粒逆流移动。当使用合成气作为燃料，可能的反应包括：
[0093] Fe203+C0/H2- 2Fe0+C0 2/H20
[0094] Fe0+C0/H2-Fe+C0 2/H20
[0095] 当使用天然气或其它富含甲烷的气体作为燃料时，可能的反应包括：
[0096] 4Fe203+CH4- 8Fe0+C0 2+2H20
[0097] 4FeO+CH4- 4Fe+C0 2+2H20
[0098] CH4+H20 -C0+3H2
[0099] CH4+C02- 2C0+2H 2
[0100] Fe203+C0/H2-2Fe0+C0 2/H20
[0101] Fe0+C0/H2- Fe+CO 2/H20
[0102] 还可将燃料转化增强剂例如C02、蒸汽和/或氢气引入到还原器级82中以基于类 似于图3中所示机制提高甲烷转化。用于甲烷和其它气态/液体含碳燃料转化的热集成方 案类似于固体燃料转化方案中所说明的那种。图18描述了甲烷转化的实施方案。
[0103]图16中所示的固体工作线是合成气转化的期望工作线。甲烷和其它燃料转化 的工作线显示出与图16类似的性质。虽然在各种工作温度、燃料组成和压力下工作线 的斜率会改变，但是金属氧化物复合颗粒和气体燃料之间的化学计量比通常维持在约 3:1-1. 18:1。其结果是，金属氧化物转化率通常为33% -85%并同时大于95%的气体燃料 被转化为C0jPH20。例如，当使用甲烷时，金属氧化物转化率通常为35%-70%。当使用 Fe203基陶瓷复合颗粒时，来自还原器的产物为铁和氧化亚铁的混合物。
[0104] 可将气态燃料预处理以使其含有小于750ppm的H2S、C0S和一些单质汞。还原器 配置和陶瓷复合颗粒将允许H2S、C0S和汞离开还原器而不与陶瓷复合物反应。其结果是， 这些污染物质可随同C02-起被封存。
[0105] 图9描述了当使用合成气作为气态燃料时移动床还原器级中合成气和氧化铁的 转化率。图10描述了当使用甲烷作为气态燃料时移动床还原器级中甲烷和Fe203的转化率。 在这两种情形中均使用Fe203基陶瓷复合物。如所可看出的，对于~50%Fe203转化率，可 获得大于99. 8%的燃料转化率。
[0106] 然后将还原的陶瓷复合物的一部分引入到氧化器84。在氧化器中，蒸汽和/或C02 在位于或接近底部处引入并且相对于固体以逆流方式流动。氧化器配置以及气体和固体转 化率与先前所讨论的固体燃料转化系统中还原器的类似。
[0107] 图11显示了在移动床氧化器工作期间氢气产物浓度。获得的平均氢气纯度 >99 % 〇
[0108] 图8中所示的燃烧器类似于燃料转化系统中的燃烧器。优选的热集成方案利用来 自燃烧器的热来提供还原器中的热需要。在优选的配置中，使用旋风分离器或其它机械分 离技术将废陶瓷复合物与其它颗粒分离。
[0109] 图12显示了陶瓷复合物的抗碎强度。在通过还原-氧化循环进行处理后，陶瓷复 合颗粒显示出约20MPa的平均抗压强度。
[0110] 图13显示了陶瓷复合颗粒的磨耗率。陶瓷复合颗粒的平均磨耗〈0. 6 % /还原-氧 化循环。
[0111] 图14显示了陶瓷复合颗粒的再循环能力。当使用合成气作为燃料时，陶瓷复合颗 粒可维持大于100次还原-氧化循环而不丧失它们的反应性。
[0112] 图15显示了陶瓷复合颗粒的再循环能力。陶瓷复合颗粒可以与各种等级的煤、合 成气和烃反应持续多个循环而不丧失它们的反应性。
[0113] 当还原器和氧化器为移动床而燃烧器为载流床时，陶瓷复合颗粒的优选尺寸为约 200ym-约40mm。这样的颗粒尺寸允许在燃烧器中流化而不使其在还原器和氧化器中流 化。
[0114] 用于将固体燃料和烃转化为无碳能量载体的系统和方法所述的实施方案就氢气 生产而言可按约65-80%的典型能量转化效率达到高达约90%的HHV能量转化效率。用于 将合成气燃料进行转化的系统和方法所述的实施方案就氢气生产而言可按约55-70%的典 型能量转化效率达到高达约85%的HHV能量转化效率。表3显示了用于电（power)和H2 联产的生物质设备（plant)的性能。
[0115] 表3用于电和H2联产的生物质设备的性能
[0116]
[0117] 在一种配置方式中，可将还原器与流化催化裂化单元进行集成。还原器将气态烃 在加