CN109073213B - 用于氧载体协助的氧助燃流化床燃烧的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种氧助燃流化床燃烧器系统(Oxy‑FBC)。该系统提供了通过如下方式以高效率生产用于封存的几乎纯的二氧化碳流的装置：通过控制燃烧器某些区域内的氧含量来控制热量释放速率，从而允许将热量从燃烧器有效传递至锅炉管，同时避免将导致灰分熔化的过高温度；以及同时通过吸附剂(例如石灰石和白云石)从燃烧器将硫去除。本发明利用粗粒氧载体床物料将热量和氧气分布在整个Oxy‑FBC中，同时注入将被不断地从床中除去的细粒硫吸附剂。

Description

用于氧载体协助的氧助燃流化床燃烧的系统及方法
技术领域
本发明涉及氧助燃流化床燃烧系统(oxygen fired fluidized bed combustingsystem)。所述系统用于燃烧燃料以产生用于诸如蒸汽和电力生产等应用中的热量，同时产生可被地质隔离(geologically sequestered)的纯二氧化碳流，从而避免将温室气体和污染物(包括硫氧化物、氮氧化物、细颗粒物和微量元素)排放到大气中。本文公开的系统和方法并入了氧载体和硫捕集来增强燃烧性能。
背景技术
CO2排放的增加(例如化石燃料的燃烧)带来了气候变化。因此，需要减少二氧化碳排放的措施。已提出将碳捕集与封存(CCS)作为主要的气候变化缓解技术，该技术可捕集来自化石燃料燃烧设施中高达90％的二氧化碳排放。
CCS工艺由三个阶段组成：CO2捕集、运输和封存。由于目前可用技术的高成本，因此第一阶段是最具挑战性的。
氧燃料燃烧(oxy-fuel combustion)是一种用于从大型化石燃料燃烧设施捕集CO2的技术，具有减少CO2排放和满足CCS需求的潜能。在氧燃料燃烧中，燃料在O2/CO2气氛中燃烧，产生含有一些杂质(如SOx、NOx、Hg和H2O)的富含CO2的烟气(flue gas)。当用流化床系统进行燃烧(例如氧-FBC(流化床燃烧))时，具有固有优点，例如燃料适应性(flexibility)、燃烧温度适度和杂质生成低。此外，流化床构造能够通过脱硫吸附剂(例如石灰石或白云石)进行原位SO2捕集，使得减少对系统部件的腐蚀风险，该腐蚀风险由在高分压的SO2和蒸汽下形成SO3后的酸侵蚀造成。
氧燃料流化床燃烧已被证明是一种清洁能源技术，其可利用各种燃料来产生蒸汽和电能，而且现在已在30MWth的规模下得以证明，并且可用于在330MWe的规模下进行证明。纯二氧化碳流可被地质隔离，从而消除燃烧燃料所产生的温室气体的排放。
目前的氧燃料流化床燃烧技术仍然存在某些缺点。
一般而言，氧燃料燃烧器使用再循环烟气来提供流化气体并在燃烧器内提供温度缓和剂(temperature moderator)。该烟气流需要大量的资金投入并且使燃烧器设施遭受明显的寄生功率耗损。
使用床内置热交换器(位于流化床内)提取燃烧期间释放的大部分热量。常规的流化床燃烧技术使用惰性固体颗粒物质作为床物料或钙基硫捕集吸附剂。随着时间的推移，床物料磨损并形成被从流化床中吹出的更细的物料，而此时就需要床物料补给系统。
虽然认为流化床燃烧器展现出良好的混合特性，但是它们不能将气体径向混合至所期望的程度，在流化床中产生还原条件占优的区域。还原区导致一氧化碳和其它有害杂质的排放增加，并导致对锅炉部件(例如锅炉管、管支架和注入口)的腐蚀。例如，可存在氧气不足以使燃料完全燃烧的局部区域。不完全燃烧的产物包括完全燃烧的产物以及各种还原物质(包括氢气(H2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、甲烷(CH4)、高级烃和氨气(NH3))。这些物质在燃烧器的烟气中是不期望的。如果具有足够的量，这些物质可能之后与氧气混合，在下游设备内产生爆炸。用于燃烧器部件中的金属合金通常具有防止腐蚀的保护性氧化物层(由于该氧化物层，不锈钢是“不锈的”)；然而，这些物质能够还原金属氧化物层，从而消除保护层，造成部件的腐蚀。这些部件的腐蚀可导致增加的侵蚀率和部件失效。因为一部分燃料并没有燃烧，不完全燃烧减少了可从燃烧器回收的热量，并因此降低了系统的总体效率。脱硫吸附剂在硫氧化物和氧气存在时表现最佳。许多还原物质可降低CO2处理装置的效率，因为需要去除这些杂质以满足管道规格。
为了限制或避免氧气不足的局部区域，大型燃烧器并入了多个燃料和氧化剂注入点。随着注入点数目增加，燃烧系统的成本和复杂性也增加。
一些研究关注于使用反应性床物料来改进流化床燃烧过程。这些改进包括减少未燃烧烃类的排放、增强硫捕集、改善NOx还原、增加抗结块性(agglomeration resistance)和减少腐蚀问题。
例如，美国专利No.4,084,545(Nack等人)描述了一种操作流化床燃烧系统的方法，该系统包含细颗粒的夹带流化床(entrained fluidized bed)，该系统的一部分还包含粗颗粒的非夹带流化床部分。细颗粒随着流化气体从床中通过，经过气体-颗粒分离装置，然后再夹带至夹带床的下部。粗颗粒保留在流化床中。建议的细颗粒为赤铁矿矿石、石灰石、铝氧化物、镍或镍氧化物，它们的主要目的是将热量快速传递至锅炉部件。已经认识到，如果床物料含有铁或镍，则可能发生氧化还原反应，尽管并没有将物料选择为增强这一作用。同样已经认识到，可使用含钙化合物对硫物质进行捕集。该专利讨论了在约大气压下操作的空气助燃燃烧系统。指出流化气体在6-12米/秒的范围内，这超过了在流化床燃烧系统中为避免锅炉管侵蚀所需的合理限度(小于约1.2米/秒的速度是最合适的)。由于细颗粒的尺寸相当大(420微米-841微米)，因此在某种程度上规定了高流化速度。假设细颗粒将被再循环至夹带床中，但该专利并没有提供将燃料灰分组分与用于热传递的预期的细颗粒分离的方法。粗床颗粒的目的是限制煤颗粒在空气流的主要方向上的移动，从而得以增加煤颗粒的停留时间。规定粗颗粒为化学稳定的(即惰性的)。
美国专利No.4,154,581(Nack等人)提供了对美国专利No.4,084,545的延伸，所述延伸通过如下方式进行：将挡板纳入密相床区域来将床分隔成在不同温度下操作的两个单独区域，从而在一个温度下促进钙基吸附剂对硫的吸附，同时在第二温度下促进燃烧速率；然而这并没有解决上面指出的‘545专利的其它缺点。
I Adanez-Rubio等人(Fuel Processing Technology，2014，124，104-114)描述了一种通过使用双流化床的化学循环来氧化生物质的系统，其中一个床用作氧载体氧化器(空气反应器)而一个床使生物质气化(燃料反应器)。
Thunman等人(Fuel，2013，113，300-309)发现，通过将钛铁矿(Fe-Ti基氧载体)导入用于生物质燃烧的12MWth循环流化床(CFB)锅炉，显著降低了CO、NO和烃类的浓度。这归因于通过对钛铁矿间歇性还原和氧化引起燃烧器不同区域中的氧分压变化，使得整个床中的氧分布增强。
Corcoran等人(Energy Fuels，2014，28，7672-7679)注意到，由于钾从灰分扩散至钛铁矿颗粒的中心，注入用于生物质燃烧的CFB锅炉中的钛铁矿颗粒的结构经历结构变化和化学变化。发现这可改善床物料的抗结块性并减少腐蚀问题。
D.R.Chadeesingh等人(Fuel，2014，127，169-177)讨论了向利用空气用于CH4燃烧的鼓泡流化床中导入铁基氧载体也显示出加快了CH4、CO和H2的燃烧。
仍存在解决汇总在下表1中的与现有技术相关的缺点和风险的需求。
表1.氧流化床燃烧系统的风险和缓解措施
Figure BDA0001809993770000041
本领域技术人员可容易理解的是，基于系统传递足够的氧气以在整个燃烧区域进行完全燃烧的能力，系统的技术性能和经济性能面临权衡。
因此，期望开发满足该目的而基本上不影响系统成本或可靠性的技术。
虽然在大气压下操作的oxy-FBC技术已获得技术成功，但电力成本仍被视为开展该技术的障碍。
为了降低氧燃料系统的成本并提高效率，正在开发加压氧燃烧技术，该技术将具有比它们的大气压同等技术高15％-25％的效率，使CCS发电的功率成本降低至少20％。
其结果是，仍然留下了减小再循环流的尺寸的需求，这将提高开展氧固体燃料燃烧器技术的经济前景。
发明内容
本发明所公开的氧助燃流化床燃烧器系统(Oxy-FBC)提供了通过如下方式以高效率产生用于封存的几乎纯的二氧化碳流的装置：通过控制燃烧器某些区域内的氧含量来控制热量释放速率，从而允许将热量从燃烧器有效传递至锅炉管，同时避免将导致灰分熔化的过高温度；以及同时通过吸附剂(例如石灰石和白云石)从燃烧器将硫去除。这通过将Oxy-FBC中的还原区与锅炉管分离，在流化床中进行湍流混合，多个燃料注入口和降低再循环烟气的流速来实现。
本发明利用粗粒氧载体床物料将热量和氧气分布在整个Oxy-FBC中，同时注入将被不断地从床中除去的细粒硫吸附剂。
在本发明中，Oxy-FBC中使用了两种尺寸和类型的床物料：
(1)粗粒物料(coarse material)-氧载体类型：这一类型的物料用于将氧气分布至整个流化床，以减少或消除流化床内还原区的存在，从而减少金属腐蚀和烟气杂质(例如一氧化碳，其它杂质在上文列出)排放的产生。在氧含量高的区域，氧载体将被氧化。在还原区域，氧载体将被还原。氧化反应和还原反应促使热量分布至整个流化床。如下所述，这一类型的粗粒物料具有比细粒物料更高的最小输送速度，并且在流化床内保留延长的时间段，从而允许氧载体的长期使用。
(2)细粒物料(fine material)-硫吸附剂类型：这一类型的物料可为微细的石灰石、白云石或其它合适的吸附剂。它们用于去除流化床内的硫物质。这一类型的硫化细粒物料被从床中淘析(elutriated)出来，并随后被从烟气中除去，由此减少在冷却和冷凝步骤期间在PFBC烟气中具有高硫浓度的有害影响。
本发明进一步公开了一种用于从在燃烧室中燃烧烃类燃料获得热量的方法，所述燃烧室包含流化床物料(fluidized bed material)。该方法包括将烃类燃料和氧气导入燃烧室；将吸附剂导入所述燃烧室，其中所述吸附剂能够吸附含硫化合物；由烃类燃料燃烧产生主要由二氧化碳和水组成的气流；以及将由烃类燃料燃烧产生的热量传递出所述燃烧室。
根据本发明的一方面，本发明涉及一种用于从燃料燃烧获得热量的方法，所述方法包括以下步骤：
i)提供燃烧室和用于将热量传递出所述燃烧室的装置，所述燃烧室包含流化床物料；
ii)将所述燃料和气体导入所述燃烧室；
iii)将吸附剂导入所述燃烧室，其中所述吸附剂能够吸附含硫化合物；
iv)由所述燃料的燃烧产生主要包含CO2和H2O的气流；以及
v)将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室，
其中，所述床物料包含至少第一物料和第二物料，所述第一物料包含具有第一最小输送速度的颗粒，所述第二物料包含具有第二最小输送速度的颗粒；并且其中，所述第一物料的颗粒的最小输送速度大于所述第二物料的颗粒的最小输送速度；
其中，所述第一物料包含氧载体，所述氧载体能够将氧气传递至所述燃烧室中的气体以及从所述燃烧室中的气体传递氧气，所述气体由所述燃料的局部性或分布式部分氧化产生；
其中，所述第二物料包含所述吸附剂；
其中，导入所述燃烧室的所述气体包含氧气和缓冲气体(moderating gas)；以及
其中，将所述气体导入所述燃烧室中使所述床物料流化并淘析所述吸附剂的一部分。
根据本发明的另一方面，本发明涉及一种用于燃烧燃料的设备，所述设备包含：
i)燃烧室；
ii)床物料，所述床物料包含至少第一物料和第二物料；
iii)在有或没有缓冲气体的情况下用于将氧气导入所述燃烧室的装置；
iv)用于将所述燃料导入所述燃烧室的装置；
v)用于对所述燃烧室中产生的二氧化碳气体进行捕集的装置；
vi)用于将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室的装置；
vii)用于将所述第一物料和所述第二物料导入所述燃烧室的装置；以及
viii)用于将所述第二物料的一部分去除的装置，所述第二物料的一部分经导入所述燃烧室的气体淘析，
其中，所述第一物料包含具有第一最小输送速度的颗粒，所述第二物料包含具有第二最小输送速度的颗粒；并且其中，所述第一物料的颗粒的最小输送速度大于所述第二物料的颗粒的最小输送速度；
其中，所述第一物料包含氧载体，所述氧载体能够将氧气传递至所述燃烧室中的气体以及从所述燃烧室中的气体传递氧气，所述气体由烃类燃料的局部性或分布式部分氧化产生；
其中，所述第二物料包含能够吸附含硫化合物的吸附剂；以及
其中，将用于导入氧气和任选的缓冲气体的装置布置为使得将氧气和任选的缓冲气体导入所述燃烧室中使所述床物料流化并淘析所述第二物料的一部分。
与现有技术相比，本发明使用氧助燃方法而不是简单的空气助燃方法，并且可在大气压下和高压下操作(而不是仅在大气压下)。对本发明中使用的粗粒床物料进行选择以快速进行氧化还原反应。在流化速度方面，实现了较低的流化速度(<3米/秒)。此外，不使细颗粒再循环，从而使得能够将灰分组分从保留的物料中分离，而无需额外的处理步骤。
以下详细描述和附图以示例的方式说明了本发明的原理，基于这些详细描述和附图，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
仅作为示例，下面参考附图对本发明的优选实施方式进行描述，其中：
图1为本发明的一个实施方式的示意图。
图2为对加压流化床燃烧系统的床内置部分的描绘。
图3为Oxy-FBC系统的一个实施方式的示意图。
图4为用砂床燃烧Highvale煤时床区域中的温度曲线。
图5为用砂床燃烧Highvale煤时提升管(riser)区域中的温度曲线。
图6示出了在各种烟气氧浓度下用砂床燃烧Highvale煤时O2、CO2、CO、SO2和NOx的浓度曲线。
图7示出了在各种温度下在钛铁矿床中燃烧Poplar River煤得到的床区域中的曲线。
图8示出了在各种浓度的O2、CO2、CO、SO2和NOx下在钛铁矿床中燃烧Poplar River煤得到的曲线。
图9为示出来自燃烧Highvale煤的CO排放的图。
图10为示出来自燃烧Poplar River煤的CO排放的图。
图11为示出CO排放随烟气中O2浓度变化的图。
图12示出了来自用钛铁矿矿石床物料和用石灰石(用于硫捕集)燃烧PoplarRiver煤的原位床物料固体样品的XRD图谱。
具体实施方式
本文公开了一种加压流化床燃烧系统(本发明可应用于大气压燃烧器和高压燃烧器两者)。所述系统用于燃烧燃料以产生用于诸如蒸汽和电力生产等应用中的热量，同时产生可被地质隔离的纯二氧化碳流，从而避免将温室气体和污染物(包括硫氧化物、氮氧化物、细颗粒物和微量元素)排放到大气中。
根据本发明，本技术的投料为燃料、氧气、脱硫吸附剂、惰性床物料以及可在燃烧器内反复氧化和还原的物料(氧载体)。
如上文所述，本发明利用第一物料(其为粗粒氧载体床物料)将热量和氧气分布在整个Oxy-FBC中，同时注入将被不断地从床中除去的第二物料(例如细粒硫吸附剂)。
根据本发明，流化床物料包含至少(1)第一物料，所述第一物料包含具有第一平均尺寸的颗粒；和(2)第二物料，所述第二物料包含具有第二平均尺寸的颗粒；并且其中，所述第一物料的颗粒的平均尺寸大于所述第二物料的颗粒的平均尺寸。
所述第一物料包含金属氧载体，所述金属氧载体能够将氧气传递至燃烧室中的气体以及从燃烧室中的气体传递氧气，所述气体由烃类燃料的局部性或分布式部分氧化产生；以及所述第二物料包含吸附剂。
其中，导入燃烧室的气体包含氧气和缓冲气体，所述气体使床物料流化并淘析吸附剂的一部分。
用于本发明的物料的非限制性说明实例示于表2中。
表2.用于本发明的物料的非限制性说明实例
Figure BDA0001809993770000091
关于氧载体，优选在将其还原时的反应是吸热的。
在另一个优选的实施方式中，所述氧载体是耐磨损的。
在另一个优选的实施方式中，所述氧载体对燃料成分(包括灰分和硫物质)的毒害具有抵抗力。
在大气压或高压下，使用动力气体或缓冲气体将燃料和脱硫吸附剂注入氧助燃流化床燃烧器中，所述动力气体或缓冲气体经由多个注入器以空气作用的方式运送燃料和脱硫吸附剂。动力气体或缓冲气体可以是在CO2处理装置内产生的经纯化的二氧化碳。
在大气压或高压下，氧气(O2)与主要由二氧化碳(CO2)构成的再循环烟气合并。将O2与再循环烟气混合是为了避免燃烧器内的局部热点；在没有缓冲气体的情况下注入纯氧可能产生高于物料和工艺设备熔点的温度，从而造成工艺失败。
氧气和再循环烟气的混合物通过位于氧助燃加压流化床燃烧器的流化床底部的分布器。
燃料和氧气在燃烧器内混合使得在该过程中燃烧燃料释放热量。通常而言，所述燃料完全燃烧的产物为二氧化碳(CO2)、水(H2O)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)和一氧化二氮(N2O)。
当在氧气存在下与水合并时，硫物质可形成硫酸(H2SO4)。
希望除去燃烧器内的硫物质，以避免由酸侵蚀引起的部件腐蚀。这可部分地通过使用脱硫吸附剂来实现。
在本发明中，使用钙基物料来在氧气存在下与硫物质反应，以形成硫酸钙(CaSO4)。
在一个优选的实施方式中，将脱硫吸附剂粉碎来提高反应速率并将局部硫物质保持在低水平，从而避免局部腐蚀。由于脱硫吸附剂的粒径很小，因此它将被连续不断地吹入自由空域(freeboard)并因此从燃烧器中吹出。
该技术中使用的许多燃料都含有灰分；这种灰分的粒径非常小，且随同硫吸附剂一起被吹入自由空域并从燃烧器中吹出。
本发明使用流化床在燃烧器内和与热交换设备实现高传热率和传质率。
当足够的流体流向上通过一定量的固体颗粒物质使固体/流体混合物表现为流体时，形成流化床。这使得介质具有许多正常流体的性质和特性，例如在重力下自由流动的能力或者使用流体式技术被泵送的能力。
本发明利用燃料与氧气的快速混合，同时足够快地将热量从系统中除去来避免局部高温(局部高温将导致工艺失败)。
本发明将氧载体并入基于粉碎燃料和粉碎硫吸附剂的氧-流化床燃烧器中，以减少或消除存在的氧气不足的区域来进行完全燃烧。
在本发明的一个优选实施方式中，使用高加压系统(elevated pressurizedsystem)。
本发明需要氧载体足够粗粒以使其保留在流化床内。
参考图1，示出了本发明的系统的一个实施方式。
附图标记列表
1 燃料料斗
2 吸附剂料斗
3 燃料和吸附剂运送气体
4 燃料和吸附剂注入器
5 主要氧供应
6 来自再循环烟气鼓风机的再循环烟气
7 分布器
8 含有氧载体和可能的惰性床物料的流化床
9 床内置热交换器-将热量传递至传热介质(例如水、蒸汽、超临界CO2、工艺流体、空气、二醇混合物)
10 床内置氧化剂注入器
11 惰性床物料料斗
12 氧载体料斗
13 惰性床物料和氧载体混合器
14 惰性床物料和氧载体注入料斗
15 自由空域
16 自由空域对流式热交换器
17 FBC容器(FBC vessel)
18 去除床固体
19 常规颗粒物分离装置(例如旋风分离器、惯性分离器、过滤器、袋式过滤器)
20 去除飞灰和/或降低压力
21 烟气冷却器-直接冷却(例如喷水)或间接冷却(例如热交换器)
22 烟气冷凝物去除容器-与21联合或为单独的
23 待处理的烟气冷凝物
24 CO2处理装置
25 CO2产物管道
26 去除的杂质流(取决于技术为气体流、液体流或固体流)
27 再循环烟气送至再循环烟气鼓风机
28 再循环烟气鼓风机
参考图1，通过包括闭锁料斗系统和固体泵的常规装置之一将粉碎燃料(通常直径小于约100微米)进料至燃料料斗容器1。燃料料斗1用作燃料流冲击缓冲器(surgedampener)，其使燃料流向燃烧器的变化最小化。
通过与将燃料进料至1类似的装置将粉碎硫吸附剂(通常直径小于约100微米)进料至吸附剂料斗2。动力气体或缓冲气体3(例如由流化床燃烧系统产生的二氧化碳)以空气作用的方式将从1和2计量的燃料和吸附剂运送至一个或多个注入器4并运送至流化床8内。
流化床8由含有载氧物料(即氧载体)的流体床物料构成，并且任选地一部分由惰性床物料构成。
在一个优选的实施方式中，在闭锁料斗14中进行加压之前，将来自惰性床物料料斗11的惰性床物料和来自氧载体料斗12的氧载体在混合器13中混合。
使用基本上纯的氧供应5和再循环烟气6的混合物经由气体分布系统7使床物料流化，其中再循环烟气主要由二氧化碳、水和氧气组成(小于约4vol％的O2)，气体分配系统7可为多孔板、喷嘴、鼓风口或其它装置的形式。
注入流化床8的动力气体或缓冲气体3(含有燃料和硫吸附剂运送气体)在流化气体5和6的存在下进行燃烧，形成二氧化碳、水、硫氧化物和氮氧化物。
由5和6组成的料流中氧气的容许浓度受到如下限制：必须保持燃料灰分组分或者(在没有燃料灰分组分的情况下为)流体床物料的温度低于灰分组分或流体床物料开始熔化而导致床结块(这最终将产生燃烧器不可接受的操作)的温度。
根据本发明，可对氧载体进行选择，其中氧载体与氧的反应是释放热量的放热反应，而与还原物质的反应可为吸收热量的吸热反应。此外，当与游离氧和燃料的情况相比时，每单位质量基准的反应热更低，产生更低的局部峰值温度。
参考图2，对密相流化床区域8和床内置锅炉9的部分(加压流化床燃烧系统的床内置部分)进行描绘。
随着流化气体从床内置部分的底部流向顶部，将多个区域标记为图2中的A至D。
在区域A中，氧气和再循环烟气通过与床物料接触而被加热。当存在处于还原态的氧载体时，部分氧气与其反应形成具有相对较高氧化态的金属氧化物。该放热反应有助于将气体快速加热至期望的温度。
在区域B中，使用动力气体将燃料和硫吸附剂注入床中。通常而言，形成喷射流(jet)，该喷射流中每单位体积基准的床物料的比例低于床的其它部分。在该区域中，取决于其类型，燃料经过包括干燥、热解及最后的焦炭氧化的一系列阶段。这些阶段在区域B内的多个位置重叠。在干燥阶段，将燃料中存在的水分析出(evolved)。在热解阶段，将包含H2、CO、CO2、H2O、H2S、CH4和高级烃的物质从燃料颗粒或液滴中析出。如果这些物质在被氧化之前到达区域C，那么它们可去除区域C内的热交换管上的保护性氧化物层，导致腐蚀以及随后的侵蚀。氧载体存在于区域B外围，并且在某种程度上存在于区域B内，在这些地方氧化这些物质。由于这些反应的吸热性质，降低了峰值燃料温度，使得形成液体灰分的风险降低，并因此降低床结块的风险。床结块是固体颗粒物合并成较大的颗粒，其可生长至足够大，从而使流化床去流化。这可能导致严重的工艺异常并损坏燃烧系统。
根据本发明，多个燃料注入器4可存在于给定高度(elevation)，并且燃料注入器可存在于多个高度。
在区域C中，热交换管9浸入在氧化的氧载体中，氧化的氧载体在该区域氧化还原物质。在该区域，氧载体和惰性床物料将热量传递至热交换管。该区域的特征在于优异的气体/固体接触，然而，区域与不同气体组成的接触可能是不良的。当通过固体氧载体可获得氧气时，还原性气体流通过该区域而没有被氧化的可能性降低。
根据本发明，在燃烧器中可存在多个热交换管束。
在区域D中，描绘了任选的次级氧气注入器10。
根据本发明，可并入次级氧气注入以增强整个流化床中的氧气分布。这可能对避免区域A中过高的氧分压(这导致区域B附近的局部燃料颗粒或液滴温度高)而言是必要的。氧载体可在区域D中被氧化而释放热量。
根据本发明，多个氧化剂注入器可存在于给定高度，并且氧化剂注入器可存在于多个高度。
再次参考图1，随着时间的推移，氧载体磨损并形成更细的物料，其经由自由空域区域15而被从密相流化床8中吹出，因此需要氧载体补给系统，所述氧载体补给系统可与惰性床物料补给系统11、13或14相联合，与燃料和吸附剂注入相联合或保持为单独存在。
氧载体的磨损速率可大于惰性床物料的磨损速率，因此仅流化床物料的一部分由氧载体组成而剩余部分为惰性床物料可以是有益且足够的。
根据本发明的一个实施方式，为了限制氧载体颗粒彼此之间的冲击力和对系统部件的冲击力，使流化气体表面速度(superficial velocity)保持低于约1.2m/s，由此对磨损速率进行限制。这可通过在高通量装置中对燃烧器加压而实现，要求将燃烧器和热交换设备置于容器17内。
在大气压下，许多对燃料灰分组分的毒害具有抵抗力且无毒的氧载体的反应速率(还原反应和可能的氧化反应)是相对较低的。反应速率随反应物分压而变化，因此在高压下反应速率增加。
在高压下，可降低流化床中鼓泡的大小，使传质阻力降低，并因此改善氧载体与待氧化和待还原的气体物质的接触。
在流化床上加压的益处是燃料和氧化剂喷射流渗透至流化床中的深度增加，从而增加了反应物在燃烧器中的分布。
从流化床向上流动的烟气和细颗粒物料进入所谓的自由空域区域15。简单地说，自由空域是在流化床上方但仍在燃烧室内的区域。该区域通常将含有对流式热交换器16，对流式热交换器16用于在颗粒物去除装置19之前从烟气和固体中提取热量，在颗粒物去除装置19中将燃料灰分、硫吸附剂和磨损的氧载体20从烟气中除去。
颗粒物去除装置之后是烟气冷却器(例如热交换器)21，其可与冷凝物去除容器22联合或为单独的，冷凝物去除容器22将冷凝水和杂质23与烟气分离。然后烟气通过CO2处理装置24，在经由CO2产物管道25对CO2进行压缩和输送之前，在CO2处理装置24中将进一步的杂质流和水26与CO2分离。经由再循环气体鼓风机28将一部分CO2从冷凝物去除容器22或CO2处理装置24中的任一者再循环至燃烧器27。
在减少或消除燃烧器中的还原区时，可减少燃料和/或氧化剂注入器的数量，从而降低燃烧器的成本和复杂性。
或者，该系统可用较少的过量氧气进行操作。
通常而言，燃烧系统注入比完全燃烧所需的氧气更多的氧气，以减少还原条件占优的区域的存在，或者至少使还原物质的排放最少化。在吹气式燃烧器中，由于鼓风机功率需求降低而减少了寄生电损耗，因此可出现对性能的微小改进。然而，在设计用于碳捕集和封存的氧助燃装置中，减少过量的氧气需求更为重要。
通常，使用低温空气分离装置产生氧气，该装置兼具大功率需求和高投资成本-减少过量氧气减少了对完全燃烧而言非必要的氧气生产。此外，为了满足管道规格，CO2产物的氧含量必须处于低ppm范围内。这可通过催化脱氧或蒸馏工艺来实现，这两者都增加了工艺成本并且取决于技术可能增加温室气体的排放。用减少的过量氧气进行操作可降低与从CO2产物中除去氧气相关的成本和排放。
燃烧技术中固有的风险是氧化剂供应中断或燃料流量突然增加而产生可用于完全燃烧的氧气不足的短暂时期的可能性。如果发生这种情况，则可能存在足够比例的还原性气体物质存在于烟气中而在下游设备中产生爆炸性气氛的时期，如果将其引爆，则可能导致对系统的灾难性损坏。
应当认识到，流化床中氧化的氧载体的存在在流化床内提供了对氧供应的缓冲，这可减少与气态氧供应中断或燃料流量突然增加相关的风险。该缓冲的程度取决于氧载体的载氧能力和总量。
实施例
使用了两种类型的煤粉，即Highvale煤和Poplar River煤。Highvale煤是在Keephills和Sundance发电站燃烧的来自加拿大亚伯达的次烟煤；而Poplar River煤是目前正在Poplar River发电站燃烧的来自加拿大萨文喀彻温的褐煤。
表3中提供了燃料工业分析(proximate analyses)(ASTM D7582、ISO 62)、元素分析(ultimate analyses)(ASTM D5373、ASTM D4239)、熔度性质(fusibility properties)(ASTM D1857)和热值(ISO 1928)；而表4中提供了主要和次要氧化物分析(ASTM D4326)。
表3.所分析的粉碎燃料的工业性质、元素性质、熔度性质和热值
Highvale煤 Poplar River煤
工业性质
水分TGA wt％ 4.25 4.20
灰分 wt％ 23.14 16.64
挥发物 wt％ 29.32 38.20
固定碳 wt％ 43.29 40.96
元素性质
碳 wt％ 53.0 54.9
氢 wt％ 3.27 3.42
氮 wt％ 0.76 0.77
总硫 wt％ 0.32 1.03
氧差 wt％ 15.26 19.01
总热值，HHV MJ/kg 20.39 21.34
熔度，氧化
初始 ℃ 1321 1235
球状 ℃ 1341 1249
半球状 ℃ 1343 1254
流体 ℃ 1368 1302
熔度，还原
初始 ℃ 1252 1171
球状 ℃ 1349 1199
半球状 ℃ 1357 1252
流体 ℃ 1413 1313
使用的氧载体是UKTO钛铁矿矿石，这是一种由原料钛铁矿矿石通过重力分离除去其大部分煤矸石物质(gangue material)后生产的经改性处理的块状岩石。这一升级的岩石钛铁矿在900℃-1000℃于氧化气氛下进行焙烧，以改善其磁性能并除去所有的硫化物和磺酸盐(sulphosalts)。
钛铁矿矿石由加拿大魁北克的Rio Tinto Iron&Titanium提供。
将物料压碎并筛分至粒径为425μm-869μm。通过X射线荧光(XRF)分析(ASTMD4326)测量的矿石化学组成可见于表4中。
将砂(99.8wt％的SiO2)筛分至粒径为600μm-1040μm，将这些砂用作参考床物料。对SO2捕集而言，使用粉碎的本地石灰石(KK Karson)。
在表4中提供了通过XRF测量的石灰石的组成。
表4.测试燃料、石灰石和钛铁矿的主要和次要氧化物分析
Figure BDA0001809993770000171
通过X射线衍射(XRD)测量了存在于钛铁矿矿石中的相，并在表5中提供了化合物。
表5.UKTO钛铁矿的定量X射线衍射分析
相ID 化学式 ％
铁板钛矿，syn TiFe<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 40.7
赤铁矿，syn Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 26.9
金红石，syn TiO<sub>2</sub> 3.1
结晶度 70.7
非晶形 29.3
在这项工作中使用的测试设施是50kWth CanmetENERGY oxy-FBC设施，其在大气压下使用燃料和吸附剂的床底细粒进料(under bed fines feeding)进行操作。图3中示出了该系统的示意图。
附图标记列表
30 燃烧器
31 电加热器
32 加压进料料斗
33 旋风分离器
34 袋式除尘器
35 冷凝器
36 风箱
37 再循环鼓风机
参考图3，该系统由不锈钢燃烧器30组成，燃烧器30的内径为0.1m，且高度为5.0m。燃烧器30配备有能够达到上至1050℃的温度的电加热器31。加热器31在预热阶段期间使用，并且还用于沿着燃烧器30的整个长度进行温度控制。通过加压进料料斗32和穿过床底部的运送管线将煤(与石灰石混合)进料至燃烧器30。燃烧器30配备有多个气体取样口和固体取样口。气体样品从燃烧器30(床的顶部)和旋风分离器33(旋风分离器的出口)取出。床固体样品从位于分布器上方0.5m高度的端口处取出，同时飞灰从旋风分离器33和袋式除尘器34取出。
当与利用砂床的oxy-FBC相比时，为了评估在oxy-FBC中使用钛铁矿的氧载体辅助燃烧的影响，流化方式可能是确立钛铁矿和砂床之间性能差异的重要干扰。考虑到钛铁矿和石英砂之间的密度差异，不可能完全匹配流化行为。因此，规定对两种物料而言相等的最小流化速度(Umf)来提供相似的流化行为，这通过控制粒径和保持恒定的U/Umf来进行。
对于各测试，使燃烧器加载规定量的床物料来帮助分布热量，同时在650℃下将系统预热过夜。取决于床物料(砂、钛铁矿或两者50/50的混合物)，使膨胀床高度保持大致恒定。因此，装载至燃烧器的初始床存量由于不同的物料密度而变化，范围从～11.5kg(对于砂)至～13kg(对于钛铁矿)。在达到期望温度后，开始空气助燃条件下的煤进料(在具有SO2捕集的情况下与石灰石混合)，随后将燃烧器切换至氧燃烧条件。
在各种温度并利用各种O2烟气浓度的情况下进行初步测试以确认钛铁矿和石英砂床之间的性能差异(两者均随燃料注入或不注入额外的粉碎石灰石)。在加载至加压燃料和吸附剂料斗中之前，使用V型滚筒式混合器将燃料与石灰石充分混合。完成初步测试后，对石英砂和钛铁矿的混合进行研究以评估减少钛铁矿补给需求的可能性。
首先用Highvale煤进行了一系列测试(不添加石灰石)。通过将烟气中的O2浓度保持在三个水平(以干基(db)计大约为2vol％、5vol％和8vol％)来研究烟气中的氧气浓度对性能的影响，其中通过将氧气注入燃烧器的速率来控制O2浓度。同时，将床区域中的燃烧温度保持在850℃。
然后，对Poplar River煤进行了类似的一系列测试(添加石灰石)来研究硫捕集以及燃烧温度对性能的影响(使用钛铁矿作为床物料)。通过改变燃料进料速率以及外部电加热器输出来将床燃烧温度保持在三个水平(800℃、850℃和900℃)。
当燃烧Poplar River煤时，除了在850℃的温度下比较了两个O2水平(2vol％和5vol％db)之外，将烟气中的O2保持在5％左右。在表6中提供了完整测试矩阵(testmatrix)，而在表7中汇总了燃烧器操作参数。
表6.测试矩阵
Figure BDA0001809993770000191
表7.操作参数
Figure BDA0001809993770000201
在线气体分析仪持续监测来自于燃烧器排气的以下气体的浓度：O2(SiemensOxymat 61)、CO2(Horiba VIA-510)、CO(Horiba VIA-510)、SO2(Amatek 921)以及NOx(Thermo 32C)。还在流化床的顶部监测以下物质的浓度：O2(Siemens Oxymat 61)、CO2(Horiba VIA-510)、CO(Horiba VIA-510)、HCs等(Gasmet DX4000FTIR)。
图4和图5显示了在Highvale煤燃烧测试期间沿床(图4)和提升管(图5)的轴向长度的温度曲线。
图6显示了同一时期的排放曲线(O2、CO2、CO、NOx和SO2)。在9:30-11:00的测试的第一个1.5小时期间开始启动，而进入测试0.5小时开始燃烧器中的烟气再循环。在烟气再循环开始后大约15-20分钟，CO2浓度在燃烧器中达到所期望的水平(CO2＞90vol％)。在床达到规定操作温度(在分布器的1.2m内的密相床区域中平均为850℃)之后，将所有的设定值固定以建立稳定操作。
稳定操作通常持续超过一个小时，其中仅进行微小调整以保持测试规格。在操作条件变化之前取出固体样品(包含床物料和旋风飞灰(cyclone fly ash))。对于第一条件，将烟气中的O2设定为大约8vol％，持续1.4h(10:20-11:40am)；然后对于第二条件，将其降至5vol％，持续1.2h(12:20-13:30pm)；最终，对于最后一个条件，将其进一步减少至2vol％(13:45-14:50pm)(图6)。通过降低O2的流速并同时增加再循环烟气的流速来降低烟气中的O2浓度，以维持给定的表面流化速度。
当用Poplar River煤进行测试时(图7和图8)，改变床温度以研究其对燃烧性能和硫捕集的影响。将新鲜石灰石与煤粉以Ca/S＝2.0的摩尔比进行预混合。在测试期间，增加燃料注入速率以升高温度，同时增加氧气注入速率来保持烟气中的O2浓度恒定。
图7显示了用Poplar River煤以钛铁矿床进行的测试的温度曲线。在将煤导入大约1小时后达到第一操作条件：T床＝800℃和O2＝5％，并且保持该条件～1小时(在10:00-11:00am之间)。对于第二条件，将床温度升高至850℃。在两个浓度下对O2水平进行测试，保持每个条件恒定超过一小时(在11:20am-13:40pm之间)。最后，对于第三操作条件，将床温度升高至900℃并且将O2水平恢复到参考水平(～5％)(在14:00-15:40pm之间)。在图8中提供了烟气中O2和杂质的相应浓度曲线。
对所有操作条件而言，在床的顶部测量未燃烧烃类的浓度，并在床上方的飞溅区和旋风分离器的涡流探测器处测量CO。表8示出了对燃烧两种煤而言修正为5vol％O2时烟气物质的相应测量浓度。
表8.用Highvale煤得到的测试结果的性能汇总
Figure BDA0001809993770000221
表8和表9还示出了钛铁矿矿石和石英砂之间的重量比为50:50的混合床物料的性能。
对于混合床而言，其排放(包含HCs、CO和SO2)通常低于石英床，但高于全钛铁矿矿石床。50:50混合床的性能更倾向于来自全氧载体床的结果，而不是全石英床。
表9.用Poplar River煤得到的测试结果的性能汇总
Figure BDA0001809993770000231
与涡流探测器中检测到的浓度相比，飞溅区内的烟气含有显著更高浓度的未燃烧烃类。
当燃烧Highvale煤时，与石英砂床相比，钛铁矿矿石床表现出更好的燃烧，在飞溅区具有更低的烃类浓度；CH4和C2H4均减少～40％(表8)。
对Poplar River煤而言，未燃烧烃类的减少甚至更大；CH4减少65％并且C2H4完全消除(表9)。
如表8和表9所示，在比较石英砂与钛铁矿矿石时，床区域中的CO浓度具有与烃类类似的趋势，因为OC床物料减少了床中的CO浓度。
在使用OC床物料时，燃烧Highvale煤时CO浓度降低了44％，但燃烧Poplar River煤时仅降低了15％。
图9比较了床温度为850℃时旋风分离器的涡流探测器处和床的飞溅区中的CO浓度随氧气浓度的变化。
随着烟气中O2的增加，CO排放显著降低。当使用钛铁矿矿石作为床物料时，对燃烧性能的改善在较低的O2浓度下更明显。
在烟气中的O2为2.5vol％时，当将床物料从石英砂转换为钛铁矿矿石时，CO浓度降低了50％。在5vol％的O2下，CO浓度降低了40％；而最后在烟气中的O2为8vol％时，几乎没有降低CO浓度，这可归因于OC物料的有效性相对于床中O2浓度的水平，即，增加床中O2的可用性使得OC的作用减弱，直到O2的浓度足够高。
图10比较了在燃烧Poplar River煤时，在5vol％的O2下，旋风分离器的涡流探测器处和床的飞溅区中的CO排放随床温度的变化。随着温度升高，CO浓度降低，并且，当在低温(～800℃)下使用钛铁矿床物料时，CO减少显著增强。随着温度升高，这种增强较不明显。
在图11中，就CO浓度相对于烟气中的O2浓度对两种煤进行了比较。CO排放在低O2浓度下高得多，并且随着烟气中O2的增加而大大地降低，尤其是在燃烧Highvale煤时。钛铁矿床物料表现出对改善煤燃烧具有卓越的成效，特别是在低O2浓度下。钛铁矿床物料的益处随着燃烧温度升高而减少，并且当烟气中的O2浓度增加至8％时完全消失。
图11示出了对两种煤而言，使用砂床物料的烟气中的CO浓度处于相同的水平(～800ppm，2.0-2.5vol％O2)。相比于Poplar River煤(仅～13％的降低)，对Highvale煤(～38％的降低)而言，钛铁矿床物料测试在降低CO浓度方面表现出更多改善。
图12示出了来自用钛铁矿矿石床物料和用石灰石(用于硫捕集)燃烧PoplarRiver煤的原位床物料固体样品的XRD图谱。该图谱对应于下表10中的测试#4，其中化合物处于结晶相。
表10示出了铁主要包含在下列化合物中：铁板钛矿(TiFe2O5)、钛铁矿(FeTiO3)和赤铁矿(Fe2O3)。钛主要与铁板钛矿、钛铁矿和金红石(TiO2)关联。
在所有样品中都发现了少量镁铁矿(MgFe2O4)，但是仅在燃烧Poplar River煤时才存在钙铝黄长石(Ca2(Al(AlSi)O7))，这是由于将石灰石与煤一起进料用于对硫进行捕集。由于床固体样品是原位采取并被快速冷却，因此所分析的化合物应当能代表床物料的原位组成。
表10.不同床样品的XRD分析
Figure BDA0001809993770000251
如表10所示，当烟气中的O2从低浓度(测试#1中的2.5％)变至高浓度(测试#2中的5.0％)时以及当燃烧温度从809℃(测试#3)升至901℃(测试#4)时，由分别氧化FeTiO3和FeO而得到的TiFe2O5和Fe2O3的含量高得多。这些结果与未燃烧HCs和CO的浓度趋势相对应，即，当在低O2浓度或在低燃烧温度下对床进行操作时，钛铁矿床物料在增强煤燃烧方面发挥了更显著的作用。
在测试期间没有床结块的迹象。同样，在燃烧器中没有观察到热点，也没有观察到去流化。床物料通过位于床底部的排出口顺利排出。应当指出的是，Highvale煤具有很高的Na含量，但是床固体样品中不存在与Na相关的化合物，如果这些化合物位于床灰分的表面上，则可能促使结块。SEM图像证实了来自原位操作或运行之后的床物料处没有结块。
表11汇总了对在位于烟气再循环系统的烟气冷却器中收集的烟气冷凝物进行分析的结果。所有冷凝物样品均是酸性的，pH值处于2.32-2.62的范围内。酸度主要归因于溶解的硫酸盐和氯化物。硫酸盐(SO4)是主要的溶质，浓度范围为180mg/l-270mg/l。溶解的氯化物(作为Cl)是显著的并处于10mg/l-51mg/l的范围内。相比石英砂床测试或混合床测试中的情况，来自钛铁矿测试的冷凝物中Cl以较低的浓度存在。较低的Cl浓度对应于这些冷凝物较低的酸度。
表11.不同冷凝物的液体分析
Figure BDA0001809993770000261
当使用钛铁矿床物料时变得明显的另一个值得注意的改善是密相床中的燃烧温度曲线。
本文显示的是用六个热电偶(图4和图7中的T101-T106)(它们之间的间距为0.13m)得到的从床底部至顶部(在分布器上方0.13m-0.89m)的曲线。
燃烧器在湍流流化方式下操作，如果进料粗粒燃料，床温度将相当均匀。然而，在这些测试中燃烧粉碎燃料时，温度梯度是显而易见的。
与石英砂床(图4)相比，使用钛铁矿矿石作为床物料的温度曲线表现出较小的变化(图7)。在参考条件(850℃，5vol％O2)下，当使用石英砂时床中的温度变化为+/-20℃；而对于钛铁矿矿石，温度变化仅为+/-12℃，这是由于钛铁矿的反应或者是因为物料的热容量不同。
上文描述的实验使用两种加拿大煤借助床底燃料和吸附剂注入在中试规模的oxy-FBC中研究了钛铁矿床物料对燃烧性能、烟气中的CO浓度的影响。
正如烟气中较低的SO2浓度所示的，结果表明硫捕集得以改善。NOx浓度增加，这证明钛铁矿(作为氧载体)减少或消除了流化床内还原区的存在。在与常规砂床相比时，使用氧载体作为床物料时在烟气中观察到较少的未燃烧烃类和一氧化碳，这给氧气增强燃烧提供了进一步的证据。
研究了烟气中的氧气浓度(2.0vol％-8.0vol％)和床区域中的燃烧温度(800-900℃)对改善燃烧性能的影响。结果表明，通过用钛铁矿矿石替代惰性床物料，显著降低了CO浓度(燃烧Highvale煤和Poplar river煤时，分别显示出多达30％和13％的CO减少)。尤其是在烟气中含有低O2(2vol％-8vol％)或者床温度低(800-900℃)的条件下，床区域中增强的燃烧甚至更为明显。
由于加压FBC提供改进的反应物混合、更长的停留时间以及氧载体与氢气、一氧化碳和烃类更高的反应速率，因此，在氧加压流化床燃烧中，流化床中存在氧载体的有益效果在较高压力下会更为明显。
尽管已经参考本发明的某些优选实施方式对本发明进行了相当详细的描述，但是其它实施方式和修改也是可能的。因此，所附权利要求的范围不应受到实施例中所列优选实施方式的限制，而是应当给予与将说明书作为整体相一致的最广义的解释。

Claims (18)

1.一种用于在单个反应器中从燃料燃烧获得热量的方法，所述方法包括以下步骤：
i)提供燃烧室和用于将热量传递出所述燃烧室的装置，所述燃烧室包含流化床物料；
ii)将所述燃料和气体导入所述燃烧室；
iii)将吸附剂导入所述燃烧室，其中所述吸附剂能够吸附含硫化合物；
iv)由所述燃料的燃烧产生主要包含CO2和H2O的气流；以及
v)将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室，
其中，所述床物料包含至少第一物料和第二物料，所述第一物料包含具有第一最小输送速度的颗粒，所述第二物料包含具有第二最小输送速度的颗粒；并且其中，所述第一物料的颗粒的最小输送速度大于所述第二物料的颗粒的最小输送速度；
其中，所述第一物料包含氧载体，所述氧载体能够将氧气传递至所述燃烧室中的气体以及从所述燃烧室中的气体传递氧气，所述气体由所述燃料的局部性或分布式部分氧化产生；
其中，所述第二物料包含所述吸附剂；
其中，所述氧载体选自于由以下氧载体所组成的组：钛铁矿，以及由Ni、Cu、Mg、Fe或Mn构成的合成物料，或它们的混合物；
其中，导入所述燃烧室的所述气体包含氧气和缓冲气体；以及
其中，将所述气体导入所述燃烧室中使所述床物料流化并淘析所述吸附剂的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料选自于由煤、石油焦炭、生物质、废品和气态烃类所组成的组。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一物料进一步包含所述氧载体的支撑材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述氧载体的支撑材料为氧化铝和氧化硅中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲气体包含选自于由CO2、H2O和再循环烟气所组成的组中的一种或多种气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸附剂选自于由石灰石、石灰、氢氧化钙和白云石所组成的组。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室的步骤通过所述燃烧室中的热交换器来进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，导入所述燃烧室的所述气体对由所述燃料的燃烧形成的灰分进行淘析。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述燃烧室加压至压力在1bar至50bar之间。
10.一种用于燃烧燃料的设备，所述设备包含：
i)燃烧室，所述燃烧室包含流化床物料，其中，所述流化床物料包含至少第一物料和第二物料；
ii)在有或没有缓冲气体的情况下用于将氧气导入所述燃烧室的装置；
iii)用于将所述燃料导入所述燃烧室的装置；
iv)用于对所述燃烧室中产生的二氧化碳气体进行捕集的装置；
v)用于将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室的装置；
vi)用于将所述第一物料和所述第二物料导入所述燃烧室的装置；以及
vii)用于将所述第二物料的一部分去除的装置，所述第二物料的一部分经导入所述燃烧室的气体淘析，
其中，所述第一物料包含具有第一最小输送速度的颗粒，所述第二物料包含具有第二最小输送速度的颗粒；并且其中，所述第一物料的颗粒的最小输送速度大于所述第二物料的颗粒的最小输送速度；
其中，所述第一物料包含氧载体，所述氧载体能够将氧气传递至所述燃烧室中的气体以及从所述燃烧室中的气体传递氧气，所述气体由烃类燃料的局部性或分布式部分氧化产生；
其中，所述第二物料包含能够吸附含硫化合物的吸附剂；
其中，所述氧载体选自于由以下氧载体所组成的组：钛铁矿，以及由Ni、Cu、Mg、Fe或Mn构成的合成物料，或它们的混合物；以及
其中，将用于导入氧气和任选的缓冲气体的装置布置为使得将氧气和任选的缓冲气体导入所述燃烧室中使所述床物料流化并淘析所述第二物料的一部分。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述燃料选自于由煤、石油焦炭、生物质、废品和气态烃类所组成的组。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述第一物料进一步包含所述氧载体的支撑材料。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述氧载体的支撑材料为氧化铝和氧化硅中的至少一种。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述缓冲气体包含选自于由CO2、H2O和再循环烟气所组成的组中的一种或多种气体。
15.根据权利要求10所述的设备，其中，所述吸附剂选自于由石灰石、石灰、氢氧化钙和白云石所组成的组。
16.根据权利要求10所述的设备，其中，所述用于将由所述燃料的燃烧产生的热量传递出所述燃烧室的装置是所述燃烧室中的热交换器。
17.根据权利要求10所述的设备，其中，导入所述燃烧室的所述气体对由所述燃料的燃烧形成的灰分进行淘析。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，将所述燃烧室加压至压力在1bar至50bar之间。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110064342B (zh) * 2018-04-10 2024-02-09 新能能源有限公司 直角蝶阀
US20200009521A1 (en) * 2018-07-03 2020-01-09 The Babcock & Wilcox Company Systems and methods for controlling bed agglomeration in fluidized-bed boilers
CN109737390B (zh) * 2019-01-18 2020-07-28 清华大学 一种煤粉燃烧产生的气态矿物质组分炉内控制方法
US11142717B2 (en) * 2019-03-22 2021-10-12 General Electric Company Hybrid boiler-dryer and method
CN112394013B (zh) * 2020-10-16 2024-04-23 复旦大学 一种工业源排放的气溶胶前体物在线测量系统及方法
CN113372938B (zh) * 2021-06-03 2022-03-08 中南大学 一种基于铁基载氧体的石油焦脱硫方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4084545A (en) * 1975-10-21 1978-04-18 Battelle Development Corporation Operating method

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3066017A (en) 1953-07-28 1962-11-27 Exxon Research Engineering Co Control of flow of particulate solids
US3508506A (en) 1968-06-13 1970-04-28 Us Interior Process and apparatus for reduction of unburned combustible in fly ash
US4579070A (en) * 1985-03-01 1986-04-01 The M. W. Kellogg Company Reducing mode circulating fluid bed combustion
US5535687A (en) 1994-08-25 1996-07-16 Raytheon Engineers & Constructors Circulating fluidized bed repowering to reduce Sox and Nox emissions from industrial and utility boilers
US6505567B1 (en) * 2001-11-26 2003-01-14 Alstom (Switzerland) Ltd Oxygen fired circulating fluidized bed steam generator
US20090020405A1 (en) * 2007-07-20 2009-01-22 Foster Wheeler Energy Corporation Method of and a plant for combusting carbonaceous fuel by using a solid oxygen carrier
US20090031967A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Alstom Technology Ltd Integral waterwall external heat exchangers
US8356992B2 (en) * 2009-11-30 2013-01-22 Chevron U.S.A. Inc. Method and system for capturing carbon dioxide in an oxyfiring process where oxygen is supplied by regenerable metal oxide sorbents
FR2959239B1 (fr) * 2010-04-23 2016-12-23 Inst Francais Du Petrole Procede integre de traitement et de gazeification de charges bitumineuses en combustion en boucle chimique
US20140369908A1 (en) * 2013-06-14 2014-12-18 John P. Reardon Apparatus and Method for Optimized Acid Gas and Toxic Metal Control in Gasifier Produced Gases
US9810146B2 (en) * 2014-07-17 2017-11-07 Saudi Arabian Oil Company Calcium sulfate looping cycles for sour gas combustion and electricity production

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4084545A (en) * 1975-10-21 1978-04-18 Battelle Development Corporation Operating method

Also Published As

Publication number Publication date
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CA3016349A1 (en) 2017-09-28

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