CN104203374B - 用于处理未燃烧物的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理在化学环路燃烧系统的烟道流9中的未燃烧物的方法和设备。在气体处理单元13中从烟道流除去CO2之后，处理存在于烟道流9中的未燃烧物。如图2所示，在空气1存在下，主要在空气反应器2中发生未燃烧物的氧化，允许系统保持CO2捕集有效性，并且除去需要产生富集的或纯的氧11。
Description
发明领域
本公开涉及在化学环路燃烧中处理未燃烧物。更具体地，本公开涉及氧化未燃烧物、同时降低能耗或能量损失的有效方法和设备。
发明背景
某些过程(例如燃烧含碳燃料)产生二氧化碳(CO2)的气态排放。CO2已被鉴定为"温室"气体，其看起来引起全球变暖。由于其作为"温室"气体的状态，已开发多种技术来防止由于使用化石燃料而导致的大量CO2被释放至大气中。
化学环路燃烧(CLC)为一种提供有效的CO2捕集和处理的燃烧技术。CLC提供在氧化含碳燃料期间产生的CO2的内在分离，从而产生更浓的CO2流。通过提高在烟道流中的CO2的浓度作为燃烧技术的一部分，基本上降低了在燃烧后分离CO2用于捕集和储存所需的能量和资金费用。
CLC技术通常涉及使用氧载体，其将氧从空气转移至燃料，从而避免空气与燃料之间的直接接触。在过程中使用两个相互连接的反应器(通常为流化床)：燃料反应器和空气反应器。在燃料反应器中引入燃料，其含有氧载体，例如金属氧化物MeO。取决于燃料和金属氧化物，燃料和金属氧化物可根据以下反应来反应：
(2n+m)MeO+CnH2m→(2n+m)Me+mH2O+n CO2(氧化燃料)
来自燃料反应器的出口气体流主要含有来自燃料的氧化的产物H2O和CO2。通过冷凝包含在燃料反应器的出口气体流中的H2O，随后可得到由高浓度的CO2组成的流。
可将作为燃料氧化反应的一部分形成的还原的金属氧化物Me转移至空气反应器，在这里其可根据以下反应来氧化：
Me+½O2 → MeO(氧化金属氧化物)
离开空气反应器的烟道流主要由空气的非反应性组分(例如氮气)、金属氧化物和一些未使用的氧组成。通过使用氧载体来将氧递送至燃料反应器，当它们离开空气反应器时，空气的非反应性组分从系统逐出，并且绝不引入到燃料反应器中。因此，燃烧的产物(主要为CO2和H2O)不被在燃料反应器的烟道流中的空气的非反应性组分稀释。
取决于所用的条件和材料，在燃料反应器中燃烧燃料可能不完全。不完全燃烧可引起未燃烧物(例如氢、甲烷和一氧化碳)存在于燃料反应器的烟道流中。为了降低或消除来自烟道流的未燃烧物，在燃料反应器中燃烧后，未燃烧物通常在后燃烧单元中被氧化。未燃烧物不应完全返回至燃料反应器用于燃烧，因为这可导致在燃烧系统内非反应性物质的累积。
使用CLC的困难之一在于，后燃烧单元需要纯氧或富含氧的气体用于氧化未燃烧物。如果将空气加入到离开燃料反应器的烟道流用于后燃烧氧化的目的，将失去CLC的益处，因为空气的非反应性组成将加入到烟道流。因此，后燃烧氧化需要加入纯氧或富含氧的气体，这在能耗和资金成本两个方面均昂贵。此外，取决于需要氧化的未燃烧物的量，在纯氧或富含的氧中燃烧可导致强烈升高的温度，需要冷却。因此，需要一种更有效处理未燃烧物的改进的方法和设备。
发明概述
根据本文说明的各方面，提供了一种在化学环路燃烧系统中氧化未燃烧物的方法，所述方法包括将燃料反应器的烟道流传输至气体处理单元，在气体处理单元中从烟道流除去CO2，将一部分气体处理单元的烟道流传输至空气反应器，和在空气反应器中用空气氧化包含在一部分气体处理单元的烟道流中的未燃烧物。
根据本文说明的其它方面，提供了一种氧化在烟道流中的未燃烧物的方法，所述方法包括将含有未燃烧物的烟道流传输至化学环路燃烧系统的空气反应器，和在空气存在下，在空气反应器中氧化未燃烧物。
根据本文说明的其它方面，提供了一种用于氧化未燃烧物的设备，所述设备包括空气反应器、与空气反应器连接的燃料反应器和与燃料反应器连接的气体处理单元。将燃料反应器的烟道流传输至气体处理单元。未燃烧物存在于气体处理单元的烟道流中。将一部分气体处理单元的烟道流注入空气反应器。
附图简述
现在参考图，其为示例性实施方案，并且其中同样的元件同样地编号：
图1为典型的化学环路燃烧系统的示意性流程图。
图2为本公开的一个示例性实施方案的示意性流程图。
图3为本公开的另一个示例性实施方案的示意性流程图。
图4为本公开的另一个示例性实施方案的示意性流程图。
发明详述
根据本公开的一个示例性实施方案，提供了一种用于在化学环路燃烧(CLC)系统中处理未燃烧物的有效方法。提供了一种在将烟道气排放至大气之前降低氧化未燃烧物的能量要求的方法。CLC用于在燃料反应器中氧化燃料。通过使燃料与在空气反应器中形成的金属氧化物接触，完成燃料氧化。在燃料反应器中氧化燃料可留下一部分不完全氧化的燃料，在燃料反应器的烟道流中留下未燃烧物。通过在气体处理单元(GPU)中从烟道流除去CO2，随后将至少一部分含有未燃烧物和空气的非反应性组分(惰性气体)的烟道流传输至空气反应器，未燃烧物可被有效氧化，而无需低温生产的氧，显著降低了从CLC系统去除未燃烧物的能量要求。
根据本公开的一个示例性实施方案，提供了一种用于氧化在烟道流中的未燃烧物的方法。可将含有未燃烧物的烟道流传输至CLC系统的空气反应器。在空气存在下，在空气反应器中发生未燃烧物的氧化。通过在空气反应器中氧化未燃烧物，基本上保持CLC对CO2捕集的益处，并且避免生产纯氧或富含氧的气体所需的能量，提高系统的效率。
根据本公开的一个示例性实施方案，提供了一种用于氧化未燃烧物的设备。提供了一种设备，所述设备具有空气反应器、与空气反应器连接的燃料反应器和与燃料反应器连接的气体处理单元。燃料反应器的烟道流设置用于传输至气体处理单元，用于在进一步部分传输至空气反应器之前的CO2去除。在空气存在下，在空气反应器中，部分发生未燃烧物的氧化。
通过有效氧化可能存在于CLC中的未燃烧物，本公开的实施方案降低CLC的能量和资金成本。传输燃料反应器的烟道流，使得首先除去CO2，并且捕集用于储存，将CO2降低的烟道流传输至空气反应器，用于完全燃烧，而无需加入纯氧或富含氧的气体。或者，将CO2降低的烟道流传输至后燃烧单元，其可供应有空气。在将CO2降低的烟道流传输至空气反应器之前，可在后燃烧单元中发生未燃烧物的氧化。在空气反应器中可回收在后燃烧单元中产生的任何热量。在另一个备选中，可将一部分CO2降低的烟道流传输至燃料反应器，所述部分小于CO2降低的烟道流的100%，并将CO2降低的烟道流的剩余部分传输至空气反应器。在另一个实施方案中，可将CO2降低的烟道流处理成为两个流，一个进入燃料反应器，另一个进入空气反应器。可将来自GPU的CO2降低的烟道流加压，促进分离过程。例如，膜可用于将CO2降低的烟道流分离成为一个由较高百分比的未燃烧物组成的流(可将其传输至燃料反应器)和一个由较高百分比的惰性气体组成的流(可将其传输至空气反应器)。
参考图1，CLC通常包括空气反应器2和燃料反应器5，其可为流化床反应器，其中将燃料7注入燃料反应器5，并且其中燃料反应器5还注射有在空气反应器2中形成的金属氧化物3。燃料的一个实例为煤。其它实例包括但不限于天然气、合成的气体(合成气)和石油精炼厂气体。采用的金属氧化物可为用于CLC的任何典型的金属氧化物，作为实例，包括氧化镍、氧化钙、氧化铁、氧化铜、氧化锰、氧化钴和它们的混合物。
在燃料反应器5中燃烧燃料7产生烟道流9。烟道流9含有燃烧的产物CO2和H2O，并且还可包括未燃烧物，例如一氧化碳、氢或甲烷。未燃烧物可在后燃烧单元10中被氧化，其可进一步接受纯氧或富含氧的气体流11。将纯氧或富含氧的气体流11而不是空气供应至后燃烧单元10，以防止在到达气体处理单元(GPU) 13之前稀释在烟道流9中的CO2浓度。在后燃烧氧化后，可将后燃烧单元10的烟道流12传输至GPU 13。GPU 13冷凝和液化存在于烟道流12中的CO2，并且可将CO2传输14用于使用或储存。在去除CO2之后，CO2降低的烟道流15可经由排气烟囱排放。
参考示于图2的示例性实施方案，可将离开燃料反应器的烟道气流9直接传输至GPU，而不是首先在后燃烧单元10中氧化未燃烧物。GPU 13除去存在于烟道流9中的CO2，并且可将CO2传输14用于使用或储存。在GPU 13中CO2捕集之后，可将可含有未燃烧物的CO2降低的烟道流15传输至空气反应器2。空气反应器2进一步注射有空气1，使得可在空气反应器2中发生未燃烧物的氧化。由氧化未燃烧物产生的热量可用于产生电力。空气反应器2还接受来自燃料反应器5的还原的金属氧化物8。还原的金属氧化物8可被在空气反应器2中的空气1氧化，形成金属氧化物3。可将金属氧化物3传输至燃料反应器5，其可在不同的纯化阶段(9，12，14)进一步接受蒸汽6或部分再循环的烟道气，用于流化目的。可将可包括来自氧化未燃烧物的氧化产物的空气反应器2的废气排放至大气4。
为了保存CLC的CO2捕集益处，典型的CLC系统的后燃烧单元10必须供应有纯氧或富含氧的气体11，需要能量和资金费用。通过在空气反应器中氧化至少一部分未燃烧物而不是采用后燃烧单元来完成氧化，本公开避免操作后燃烧单元所需的成本和能量要求。因此本公开提供一种用于处理未燃烧物的有效的方法，用于与CLC技术结合使用。
进一步参考示于图2的示例性实施方案，可将CO2降低的烟道流15的一部分19直接递送至燃料反应器5。可在燃料反应器5中发生包含在部分19中的未燃烧物的氧化。部分19必须小于烟道流15的100%，使得可通过空气反应器从系统清除惰性气体。将部分19递送至燃料反应器可提高系统的CO2捕集效率。
参考示于图3的示例性实施方案，可将可含有未燃烧物的CO2降低的烟道流15传输至供应有空气流18的后燃烧单元10，使得在传输至空气反应器2之前，在空气存在下，发生未燃烧物的氧化。在该示例性实施方案中，后燃烧单元不需要纯氧或富含氧的气体，因为在GPU 13中已发生捕集和去除CO2。可将来自后燃烧单元10的烟道流17传输至空气反应器2。或者，可将来自后燃烧单元10的烟道流17的一部分23排放至大气。还可将由在后燃烧单元10中氧化未燃烧物产生的热量传输至空气反应器2或间接传输至燃料反应器5，使得可更精确保持系统的温度，并且热量可用于生产电力。
参考示于图4的示例性实施方案，可将可含有未燃烧物的CO2降低的烟道流15传输至处理系统20(其可为膜系统)。处理系统20可产生两个流。处理系统20的第一流22可富含未燃烧物和CO2，并且可传输至燃料反应器5。处理系统20的第二流21可具有较高浓度的惰性气体(特别是氮气)，并且可传输至空气反应器2或被排放23。将第一流22传输至燃料反应器允许在燃料反应器中氧化未燃烧物和在GPU 13中回收CO2。将第二流21排放或传输至空气反应器2允许系统驱除惰性气体。当氧化后，在流21和22二者中的未燃烧物释放能量，产生热量，可回收该热量，用于发电。
在CO2去除后，通过将CLC技术的燃料反应器的烟道流至少部分传输至空气反应器或单独的空气-操作的后燃烧单元，本公开提供一种用于氧化未燃烧物的有效方法。在一方面，本公开利用空气反应器来提供未燃烧物的氧化，从而消除需要供应有纯氧或富含氧的气体的后燃烧单元。在另一方面，通过将热量传输返回至仅空气反应器或传输至空气反应器和燃料反应器二者，本公开回收在后燃烧单元中氧化未燃烧物期间产生的热量。在另一方面，本公开从惰性气体(主要为氮气)分离未燃烧物和CO2，并且将未燃烧物和CO2传输至燃料反应器，同时将惰性气体传输至空气反应器。因此，本公开的各方面提供了一种用于在CLC技术中处理未燃烧物的有效方法，所述方法通过降低用于氧化未燃烧物通常所需的纯氧或富含氧的气体产生的资金和能量要求，因此提高CO2捕集的效率，或者通过回收由氧化未燃烧物释放的热量。
虽然已参考各种示例性实施方案描述了本发明，但是，本领域技术人员应理解的是，可进行各种变化并且可用等同要素替代其要素，而不会偏离本发明的范围。此外，可进行许多修改，使得具体的情况或材料适应本发明的教导，而不会偏离其基本范围。因此，本发明并不打算局限于具体的实施方案，此类具体的实施方案是作为为实施本发明所考虑的最佳方式公开，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。
Claims (14)
1.一种在化学环路燃烧系统中氧化未燃烧物的方法，所述方法包括：
将含有未燃烧物的燃料反应器的烟道流传输至气体处理单元；
在所述气体处理单元中从所述烟道流除去CO2；
将所述气体处理单元的烟道流传输至后燃烧单元，
将所述后燃烧单元的一部分烟道流传输至空气反应器；和
在所述空气反应器中，用空气氧化包含在所述后燃烧单元的一部分烟道流中的未燃烧物。
2.权利要求1的方法，所述方法还包括：将所述气体处理单元的一部分烟道流传输至所述燃料反应器。
3.权利要求1的方法，所述方法还包括：将空气注入所述后燃烧单元，以氧化未燃烧物。
4.一种在化学环路燃烧系统中氧化未燃烧物的方法，所述方法包括：
将含有未燃烧物的燃料反应器的烟道流传输至气体处理单元；
在所述气体处理单元中从所述烟道流除去CO2；
将所述气体处理单元的烟道流首先传输至处理系统；
将所述处理系统的一部分烟道流传输至空气反应器；和
在所述空气反应器中，用空气氧化包含在所述处理系统的一部分烟道流中的未燃烧物。
5.权利要求4的方法，其中所述处理系统为膜系统。
6.权利要求4的方法，所述方法包括：将所述气体处理单元的烟道流分离成为两个流，使得第一流具有较高浓度的未燃烧物，而第二流为较高浓度的惰性气体。
7.权利要求6的方法，所述方法包括：将所述第一流从所述处理系统传输至所述燃料反应器。
8.权利要求6的方法，所述方法包括：将所述第二流从所述处理系统传输至所述空气反应器。
9.一种氧化在烟道流中的未燃烧物的方法，所述方法包括：
在将烟道流传输至空气反应器之前，在气体处理单元中从含有未燃烧物的烟道流除去CO2，
将含有未燃烧物的所述气体处理单元的烟道流传输至后燃烧单元，
将所述后燃烧单元的含有未燃烧物的烟道流传输至化学环路燃烧系统的空气反应器；和
在空气存在下，在所述空气反应器中氧化未燃烧物。
10.权利要求9的方法，所述方法包括：将含有未燃烧物的烟道流的一部分传输至化学环路燃烧系统的燃料反应器。
11.一种氧化在烟道流中的未燃烧物的方法，所述方法包括：
在将烟道流传输至空气反应器之前，在气体处理单元中从含有未燃烧物的烟道流除去CO2，
将含有未燃烧物的所述气体处理单元的烟道流传输至处理系统；
将所述处理系统的含有未燃烧物的烟道流传输至化学环路燃烧系统的空气反应器；和
在空气存在下，在所述空气反应器中氧化未燃烧物。
12.一种用于氧化未燃烧物的设备，所述设备包含：
空气反应器；
与所述空气反应器连接的燃料反应器；
与所述燃料反应器连接的气体处理单元；其中所述燃料反应器的烟道流被传输至所述气体处理单元；
与所述气体处理单元连接的后燃烧单元，其中所述后燃烧单元与所述空气反应器连接，且其中所述气体处理单元的一部分烟道流被注入所述空气反应器；和
其中所述未燃烧物存在于所述气体处理单元的烟道流中。
13.权利要求12的设备，其中所述后燃烧单元与所述燃料反应器进一步连接，使得所述气体处理单元的一部分烟道流传输至所述燃料反应器。
14.一种用于氧化未燃烧物的设备，所述设备包含：
空气反应器；
与所述空气反应器连接的燃料反应器；
与所述燃料反应器连接的气体处理单元；其中所述燃料反应器的烟道流被传输至所述气体处理单元；和
与所述气体处理单元连接的处理系统；其中所述处理系统与所述空气反应器连接，且其中所述气体处理单元的一部分烟道流被注入所述空气反应器；且其中所述未燃烧物存在于所述气体处理单元的烟道流中。
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