CN116867565A - 包含化学链工艺的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及一种用于容纳化学链工艺的设备，该设备包括至少一个流化床燃烧器反应器、至少一个夹带上升管、至少一个颗粒分离器、任选地至少一个颗粒容纳反应器、至少一个移动床反应器、至少一个竖管、用于固体流量控制的至少一个L‑阀系统和互连区段。

Description

包含化学链工艺的设备
发明领域和背景
1.技术领域
本发明总体涉及一种用于容纳化学链工艺的设备，该设备包括至少一个流化床燃烧器反应器、至少一个夹带上升管(riser)、至少一个颗粒分离器、任选地至少一个颗粒容纳反应器、至少一个移动床反应器、至少一个竖管(standpipe)、用于固体流量控制的至少一个L-阀系统和互连区段。
2.相关领域描述
在不受任何一种定义约束的情况下，化学链技术是指不使用"游离"氧，而是使用一种或多种金属载氧体或催化剂将氧化剂传递到燃料中进行完全或部分转化的技术。这种工艺通常在连接有空气反应器的流化床系统中进行，在空气反应器中还原的金属被氧化。空气反应器的产物通常是氮气，其中含有几个百分比的氧气。通常将氧化的金属转移到燃料反应器，在燃料反应器中使用燃料来还原金属氧化物。燃料反应器的气态产物通常是蒸汽和CO2的混合物，该混合物可以在下游处理并封存或利用。世界各地都在开发化学链工艺以作为生产氢气、合成气、蒸汽、热能和电力的替代方法。已知用于煤、天然气、石油、生物质和其他烃燃料的化学链的系统。
近来，世界各地都在开发化学链工艺以作为生产氢气、合成气、蒸汽、热能和电力的替代方法。例如，美国专利号4,343,624公开了一种利用蒸汽氧化工艺的三阶段氢气生产方法和设备。在第一阶段中，由原料(例如煤)形成含有H2和CO的低Btu气体。根据以下反应，低Btu气体随后在第二阶段与氧化铁(Fe3O4)反应，形成铁(Fe)、二氧化碳(CO2)和蒸汽(H2O)：
Fe3O4+2H2+2CO→3Fe+2CO2+2H2O
蒸汽和铁随后在第三阶段反应，通过以下反应形成氢气：
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
专利权人教导氧化铁可回收到第二阶段用于氧化铁还原反应，例如通过进料管道将氧化铁连续返回到第二阶段反应器。至少一个阶段发生在流化床反应器中。
美国专利5827496、6007699和6667022描述了一种使用在两个流化床反应器之间循环的石灰石和氧化铁的混合物将合成气(主要包含H2和CO的气体)和其他气体燃料分离成湿H2和CO/CO2的单独流的方法和设备。美国专利6669917描述了使用一组三个流化床反应器的类似方法。
美国专利6663681、6685754和6682714均涉及一种使用低成本碳原料(包括高硫煤)和蒸汽生产H2气体的方法。两步工艺将蒸汽注入熔融金属(Fe)浴反应器中。蒸汽中的氧与铁反应形成H2和FeO。在第二步骤中，输入碳燃料，将FeO还原为其金属态，并释放CO2。然而，该过程必须在高于约1100℃至约1300℃的非常高的温度下在专门设计的陶瓷反应器(例如在冶炼操作中使用的反应器)中进行。
美国专利号5447024教导了一种用于发电厂的化学链燃烧工艺，其包括在第一反应器中使烃燃料与金属氧化物反应以释放含有二氧化碳和水蒸气的气体，从而运行涡轮机，同时还原一部分金属氧化物。在第二反应器中反应还原的金属氧化物，在第二反应器中用空气将其氧化以产生也用于运行涡轮机的第二气流。向空气中加入少量蒸汽主要是为了改善床内的传热，而不是为了产生任何氢气。在一个实施方式中，金属氧化物是与钇稳定的锆混合然后在高温下烧结以形成固体无孔颗粒的镍氧化物。据教导，颗粒可以在两个反应器之间循环使用。
美国专利号7767191公开了一种生产氢气的方法，该方法包括在碳基燃料和金属氧化物的还原反应中还原金属氧化物以提供还原金属或具有较低氧化态的金属氧化物，以及将还原的金属或金属氧化物氧化以产生氢气和具有较高氧化态的金属氧化物。金属或金属氧化物以包含金属或金属氧化物的陶瓷材料的多孔复合材料的形式提供。该多孔复合材料可以包括整料、粒料或颗粒。
目前的化学链系统通过部件的壁损失热量，使得无法实现绝热操作。因此，本领域需要一种改进的具有更好的热管理特性的化学链系统或设备，更优选地一种能够回收通过部件的壁损失的热量的系统或设备设计。
发明内容
本发明总体涉及一种用于容纳化学链工艺的设备，该设备包括至少一个流化床燃烧器反应器、至少一个夹带上升管、至少一个颗粒分离器、任选地至少一个颗粒容纳反应器、至少一个移动床反应器、至少一个竖管、用于固体流量控制的至少一个L-阀系统和互连区段。
根据本发明的一个方面，提供了一种化学链系统，该系统包括流化床燃烧器反应器的元件，其包括风箱、换热表面和氧化剂分配格、颗粒、颗粒分离器和上升管，其中流化床反应器氧化颗粒，产生载气，上升管将氧化的颗粒和载气输送至颗粒分离器。
图3的实施方式涉及一种用于发电应用的蒸汽产生的化学链系统，该系统包括以下元件中的一个或多个：流化床型燃烧器102，该流化床型燃烧器具有至少一个床内换热表面104和耐火衬里膜壁106；至少一个管束110(图4A)，其中所述至少一个管束(图4A–110)位于流化床型燃烧器102中；至少一个L-阀112，所述至少一个L-阀112操作性地连接到流化床型燃烧器102，使得所述至少一个L-阀112被布置成将进入固体(incoming solid)提供到所述至少一个管束(图4A–110)，所述管束被定向为直列(in-line)管(例如，蛇形管、错列管等)或其他具有向来自至少一个L-阀的进入固体开放的通道的管束；风箱114，其形成在流化床型燃烧器102的底部，风箱114被设计成允许燃烧空气通过风箱114和至少一个分配格116引至流化床型燃烧器的底部以供应氧化空气；至少一个还原器反应器140，其通过至少一个上升管122操作性地连接到流化床型燃烧器102，其中进入固体通过膨胀区段126从上升管122排出，进入固体的载气的速度经由膨胀区段126得以降低；以及至少一个颗粒接收器128，其中所述至少一个颗粒接收器128被设计成进一步减慢进入固体的速度并使其掉落。
在用于蒸汽和电力产生的图3的一个替代性实施方式中，该系统可以包括移动床还原器反应器的元件，其中天然气通过端口148进入还原器的底部，与固体逆流流动并与之反应，产生能够通过端口138离开还原器顶部的CO2和H2O。
在图1所示的一个替代性实施方式中，提供了一种由天然气产生合成气的系统，该系统包括以下一个或多个元件：流化床燃烧器、将固体从燃烧器输送到至少一个颗粒分离区的至少一个上升管、逆流移动床还原器反应器、并流移动床重整器反应器，以及逆流移动床氧化器反应器、竖管和L-阀。其中，并流和逆流的性质描述了固体和气体物质在反应器内的相对运动。
在合成气产生的一个替代性实施方式中，该系统可包括一种元件，其中天然气通过一系列类似于图3中所示的端口148的端口从反应器系统的顶部进入，其与颗粒并流移动，并在反应器底部以CO和H2的形式通过类似于图3中所示138的端口离开反应器。
在合成气产生的一个替代性实施方式中，该系统可包括组合重整器反应器和氧化器反应器元件。
在氢气产生的一个替代性实施方式(未示出)中，该系统可包括移动床氧化器的元件，其中蒸汽通过类似于图3中148所示的端口从反应器底部进入，其逆流移动以H2形式通过类似于图3中所示138的端口离开氧化器。
本发明的各种新颖性特征在所附权利要求中具体指出并构成本公开内容一部分。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过其使用所获得的具体益处，参考附图和描述性说明，其中阐述了本发明的示例性实施方式。
附图简要说明
图1是根据本发明一个实施方式的用于从天然气产生合成气的化学链系统的示意图；
图2是基础化学链设备系统的示意图；
图3是根据本发明的一个实施方式的用于从煤产生蒸汽和电力的化学链设备的示意图；
图4A至4C是沿着图3的各标注线的图3的化学链设备的示意图；以及
图5是与本发明的系统/设备相关的示例性蒸汽循环的示意图。
发明内容
本发明总体涉及一种用于容纳化学链工艺的设备，该设备包括至少一个流化床燃烧器反应器、至少一个夹带上升管、至少一个颗粒分离器、任选地至少一个颗粒容纳反应器、至少一个移动床反应器、至少一个竖管、用于固体流量控制的至少一个L-阀系统和互连区段。
本发明提供了一种系统、设备和方法，用于使用具有燃料源的化学链以及使用金属(例如铁)的蒸汽还原，以生产用于发电的合成气(CO+H2)、氢气和/或蒸汽。燃料可以包括固体、液体或气体碳基燃料。可用于实施本发明的实施方式的碳基燃料的示例包括但不限于煤、煤焦、石油焦、石油、油页岩、油砂、生物质、富甲烷气体、来自燃料电池或分离工艺的富含燃料的废气，以及其衍生物和混合物。如果使用固体或液体燃料，则可以任选地在还原反应之前使用例如热解、蒸发、部分氧化、氢化、二氧化碳、蒸汽、氧气或这些技术的组合将其气化。
在本发明的各种其他实施方式中，提供了用于再氧化金属氧化物的富氧源(如空气)，并且复合金属氧化物是颗粒形式，以适用于碳基燃料的气化、部分氧化或完全燃烧从而产生分离的富一氧化碳或富二氧化碳烟气流。
常规地，储存在煤中的化学能是通过与O2燃烧，以CO2和H2O为产物来利用的。如果使用载氧体代替氧气，也可以进行类似的反应。金属氧化物(例如Fe2O3)可以作为合适的载氧体。然而，与燃料与空气的燃烧不同，在与金属氧化物载体的燃烧中产生了相对纯的待封存(sequestration-ready)的CO2流。然后，还原形式的金属氧化物可以与空气反应来产生加热的气流以产生用于发电的蒸汽，或者与蒸汽反应以形成相对纯的氢气流，该氢气流可以用于各种目的。
金属氧化物载氧体是坚固的多孔陶瓷复合材料，其中可以放置金属/金属氧化物载氧体。这样的复合材料可以在氧化还原化学链反应中重复使用，而活性或载氧能力几乎没有降低或没有降低。根据所用反应器的类型，金属/金属氧化物载氧体可以包括单片结构、粒料或颗粒。例如，如果使用流化床反应器，则多孔陶瓷复合材料(或进入固体)的颗粒尺寸可为约50微米至约1毫米。如果使用移动床反应器，多孔陶瓷复合材料(或进入固体)的颗粒尺寸可为约1毫米至约50毫米。如果使用固定床反应器，金属/金属氧化物载氧体(或进入固体)的颗粒尺寸可为约1mm到更大的整体结构。在本发明的至少一个实施方式中，移动床还原器反应器与流化床燃烧器反应器连接，并且循环颗粒的尺寸为约50微米至约2mm。
由于本发明某些实施方式中使用的多孔陶瓷颗粒尺寸相对较大，因此使用颗粒分离器可以很容易地从碳基燃料的灰烬和燃烧产物中分离和回收颗粒。较小的金属/金属氧化物载氧体颗粒经由如图3所示的颗粒脱离料斗气体出口端口130离开，并在高效下游颗粒收集器(未示出)中被捕获，以返回颗粒制造商进行再处理。较小的灰烬颗粒和一些小金属/金属氧化物载氧体颗粒经由如图3所示的还原器出口气体出口端口138离开系统，并在下游的高效颗粒分离器(未示出)中被捕获，以到批准的填埋场中处置。在天然气燃烧或其他不含灰烬的燃料的情况下，通过端口138排出的小金属氧化物颗粒可以在下游的高效颗粒分离器(未示出)中被捕获，并返回颗粒制造商进行再处理。
在另一个实施方式中，只要一种或多种金属氧化物载氧体化合物能够进行氧化还原反应，任何一种或更多种合适的金属氧化物化合物都可以代替金属/金属氧化物陶瓷使用，或者与金属/金属氧化物陶瓷组合使用。合适的金属氧化物化合物是那些选择的各种过渡金属氧化物化合物，例如但不限于一种或多种铁氧化物、一种或多种铜氧化物、一个或多种铝氧化物等。虽然不限于此，但这样的金属氧化物通常以粒料或颗粒形式使用，以增加可用于反应的表面积。
本发明的实施方式利用称为化学链的反应顺序。化学链是碳基燃料燃烧分两步进行的工艺。如图3所示，在第一步骤中，碳基燃料(例如煤)还原载氧体(例如Fe2O3)。任选地在该第一阶段中加入氧气、蒸汽、二氧化碳、一氧化碳和/或富含氢气流。在本发明的实施方式中，载氧体是多孔复合材料的形式。在第二步骤中，用空气氧化载氧体(例如Fe或FeO)以再氧化和再加热颗粒。热再氧化颗粒返回到还原器反应器的顶部(成环)以再次开始循环。
因此，在第一阶段，随着燃料转化过程中原子氧的消耗，载氧体的氧化态降低。在使用氧化铁(Fe2O3)的实施例中，铁的氧化态从+3降低到+2.66(Fe3O4)、+2(FeO)或0(Fe)。第一阶段反应可以表示为：
CxHy+MOp→MOq(q<p)+xCO2+y/2H2O,
其中CxHy表示碳基燃料，M是金属，并且MOp是金属氧化物，MOq是还原的金属氧化物。
如图3所示，通过排气端口138从还原器反应器140去除二氧化碳、水蒸气和其他污染物，例如二氧化硫(未具体示出)。在去除水蒸气和任选地去除污染物之后，富含二氧化碳的气态流可以被送去进行封存操作。可以从热产品气流中回收热量以产生用于发电的蒸汽。一部分二氧化碳可以通过区域152中的端口(未示出)再循环到反应器以促进还原反应。再循环的二氧化碳在返回还原器反应器时被称为增强气体(enhancer gas)。由于增强气体和燃烧产物的显著逆流，一些非常小的磨损的还原的金属氧化物载氧体颗粒和燃料灰(在天然气被煤或生物质等含灰的固体烃燃料取代的情况下)被向上吹扫通过较大颗粒的向下移动床，并通过反应器顶部的端口138离开还原器反应器。返回颗粒接收器的颗粒温度为约800℃至约1100℃。该温度范围远低于金属/金属氧化物载氧体或陶瓷复合基质的熔点，并且远低于在远高于1100℃的温度(接近数种金属和金属氧化物的熔化或烧结温度)下操作的一些现有技术工艺。
在如图1所示的替代性实施方式中，金属或金属氧化物载氧体在移动通过还原器反应器和重整器反应器时被依次还原，并在氧化器反应器中被部分氧化。
在还原器反应器中，金属氧化物被部分还原，并与燃料逆流反应。还原器反应可以表示为：
CxHy+MOp→M/MOq(q<p)+xCO2+y/2H2O
其中CxHy表示碳基燃料，M是金属，MOp是处于其最高氧化态的金属氧化物，MOq是处于经还原的氧化态的金属氧化物。
在重整器反应器中，金属氧化物颗粒与燃料并流反应而进一步被还原。重整器反应可以表示为：
CxHy+MOq→M/MOb(b<q)+xCO+y/2H2
其中CxHy表示碳基燃料，M是金属，MOb是处于中间氧化态的金属氧化物，MOb是还原的金属氧化物。
此外，对于图1的反应，任选地，也可以将氧气、蒸汽、二氧化碳、富含一氧化碳的物流加入到上述还原器和重整器反应器中。因此，可任选地将天然气与蒸汽一起引入，以在重整器反应器中将天然气重整为一氧化碳和氢气。
在氧化器反应器中，金属氧化物被蒸汽部分氧化以具有更高的氧化态。氧化器中的反应可以表示为：
M/MOb+H2O(蒸汽)→H2+MOq(q>b)
该氧化反应产生相对纯的湿氢气流，该湿氢气流随后可以以多种方式使用，如下文将关于最终用途的具体示例更详细地解释的。
在燃烧器反应器中，还原或部分还原的金属氧化物载氧体在空气存在下部分或完全氧化。这是一个放热反应，还用于重新加热颗粒以使其返回还原器反应器的顶部。热颗粒通过上升管和颗粒脱离分离器返回到还原器顶部。颗粒分离区的分离效率被设置为允许低于推荐切割尺寸的小颗粒通过燃烧器出口端口与热贫氧空气一起离开系统。从热颗粒和气体中回收热量，以产生用于本工艺的蒸汽和/或与任何一个或多个工业工厂工艺相关的蒸汽。从燃烧器废气中夹带的细颗粒可以被冷却并收集在高效颗粒收集器中，例如袋式除尘器或静电除尘器，然后返回载氧体制造商进行再处理。
在一个替代性实施方式中，图1中的系统可以在压力下操作。
至于一种系统或设备，在一个实施方式中，包括流化床燃烧器和夹带流上升管的化学链设备被设计成使得整体蒸汽发生表面必须与所使用的特定金属氧化物的热释放情况(profile)相匹配。在一个实施方式中，该设备包括水夹层壳体，其中燃烧器和上升管壁是耐火衬里的。燃烧器的表面与体积比和可选的床内表面使得热吸收和热环境沿着燃烧器高度与热产生相匹配，并保持均匀的温度分布，并确保不会发生可能损坏金属氧化物颗粒的温度偏离。
至于图2，图2示出了根据本发明的化学链系统的一个可能的实施方式，其中该系统包括被设计成接收合适气体(如空气)的燃烧器10，其中该燃烧器10操作性地连接到上升管12，其中上升管12也操作性地连接到分离器14。如图2所示，分离器14操作性地连接到储罐16，其中储罐16还操作性地连接到一个或多个(在图2中用"括号n"表示)移动床反应器18，其中一个或多个移动床反应器18中的最后一个操作性地连接到竖管20，其中竖管20还操作性地连接到L-阀22。L-阀22也被设计成接收合适的气体，包括但不限于蒸汽或空气，并且还操作性地连接到燃烧器10。每个移动床反应器18包括至少一个进口端口和至少一个出口端口(如图2所标记)以用于接收一种或多种合适的气体，包括但不限于蒸汽、甲烷、天然气、空气、二氧化碳等。
Babcock&Wilcox公司(B&W)设计了商业循环流化床锅炉，该锅炉配有床内换热器(IBHX)管束(参见，例如，美国专利号6532905，其完整内容通过引用整体纳入本文)。如图3中104所示的换热器表面的目的是在燃烧器中产生过热蒸汽，其中总传热系数比对流通道的典型位置高一个数量级，由此允许使用显著更少的高合金金属来制造过热蒸汽发生表面，并因此降低了高等级合金的成本。IBHX还具有在循环流化床的过渡工况期间提供高调节能力和控制的优点。床内表面也可以被分配为生成表面或过热、再热或发生表面的组合。
至于图3和图4，这些图说明了根据本发明的系统100的一个实施方式。如图所示，在一个实施方式中，燃烧器102是具有床内换热表面104的流化床型燃烧器。燃烧器容器102包括耐火衬里的膜壁结构106。耐火衬里的容器，例如那些用于各种设计的容器，容易发生显著的热膨胀。此外，通常用于连接单个耐火材料部件的法兰连接件容易产生与热扭转法兰螺栓相关的危险。在一个实施例中，膜壁结构的使用减少了发生的热膨胀。可以使用本领域技术人员已知的常规技术来提供结构支撑108。根据B&W在2.5MWt(热单位)循环流化床试验设备方面的经验，系统的最小热输入和相关尺寸为0.75MWe(电单位)当量或2.5MWt，以实现代表性的热环境和反应环境。尽管图3和图4的系统不是绝热的，但是使用这种设计可以实现自动热操作。
燃烧器102的设计为金属氧化物氧化并优选完全氧化提供了足够的停留时间。由于燃烧器102的表面积体积比相对小于试验设备，因此壁的热损失相对小于由还原的金属氧化物的氧化产生的总热。
床内换热表面104提供冷却以将床温度限制在低于金属氧化物额定温度的峰值温度。床内换热表面可用作发生管束表面(generating bank surface)，即水冷、再热或过热蒸汽表面，即蒸汽冷却。管束(见图4，视图J-J，附图标记110)被布置为直列蛇形管，其中通道对来自L-阀112的进入固体开放。在一个实施方式中，蛇形管最靠近进入固体的前方前缘从一个或多个L-阀112排放口向后设置，以允许固体在遇到管束110之前有足够的距离进行均匀混合并达到均匀温度。在另一种情况下，管(无论是蛇形还是其他定向)都可以被设计成不具有任何偏移或回缩，使得这样的管可以覆盖一个或多个L-阀112的整个宽度。该距离通过多阶段建模设置，因此可以改变。燃烧空气通过风箱114和分配格116引至燃烧器102的底部。通过调节燃烧器102的平面面积来设定通过流化床燃烧器102的空气的表观速度，以确保该速度足够低以减少管束110的任何不期望的侵蚀，但又足够高以提供良好的热传递。此外，分配器上方的最低管路的高度被设置为最大限度地减少气体/固体对管下侧的冲击，以限制侵蚀和/或允许进行适当的维护。
在一个实施方式中，膜壁106的外壁可以是隔热的，由此减少工艺的热损失，并最大化预热膜壁中的水或产生蒸汽的燃烧器102中产生的总热量的百分比。
在一种情况下，进入的氧化空气可以通过泡罩型分配器116均匀地分布在燃烧器102的底板。应注意，本发明并不局限于仅仅泡罩分配器。而是可以使用其他类型的空气分配系统。在低负荷运行时，可以通过气体喷枪(gas lance)或专用泡罩引入天然气以改善调节或加快启动速度。管道燃烧器(未显示)预热进入的氧化空气，使床层温度达到约1100°F(约593℃)。在该温度下，直接引入燃烧器102下部的天然气会自燃。风箱114是用型背衬耐火衬里的，以允许使用低温合金形成风箱114的壳体。或者，风箱114可以用这样的风箱设计来代替，其中风箱壳体包括耐火衬里的水冷膜壁结构。
新鲜的补充颗粒可以通过流化床燃烧器102的倾斜顶118的顶部添加或加入竖管158中。先前替代系统的设计利用了这样的设计，其中颗粒补充通过Iso-Kinetic进料器(例如美国专利号4825706号公开的一种，其完整内容通过引用全文纳入本文)添加到竖管中，以提供补充材料并同时测量金属氧化物通过L-阀112的循环速率。然而，这个过程是缓慢的。因此，本发明的设计/系统提供了一种添加补充材料的更快、更方便的方式。
提供了人孔(manway)120，便于接近燃烧器102以检查分配器116、换热器管束110、颗粒接收器128和还原器反应器140。一个或多个床排放位置和管线(未示出)可以通过风箱114和分配器116安装，以允许去除团聚颗粒或床存量以进行维护。在一些实施方式中，流化床冷却器(未示出)(参见，例如，美国专利号5797334和CA 2585400，其完整内容通过引用全文纳入本文)可以被安装在床排放管线上以冷却颗粒，从而消除了对水冷螺杆去除床材料的需要，由此节省了相当大的床排放系统成本。或者，可以使用水冷螺杆来控制排放速率并冷却排放的固体。这些技术还可用于控制固体的排放速率并冷却从L-阀112排放的固体。
上升管122可以是耐火衬里的膜墙结构或耐火衬里的金属夹套。耐火衬里的膜墙结构如图3所示。在该实施方式中，使用了耐火衬里的膜壁结构。上升管122与还原器反应器140和颗粒接收器128共用壁124。这允许上升管122和还原器140壳体处于相同的壁温，从而以相同的速率膨胀。这减少了热膨胀的差异，这是先前的化学链布置(其中上升管是与还原器反应器140分开的单独的壳体)的一个问题。在一个实施方式中，上升管122是矩形的，如图4所示(参见例如视图A-A和顶视图H-H)。由于没有产生额外的热量，上升管122的耐火衬里可以由耐侵蚀耐火材料形成，以保护膜壁免受侵蚀。耐侵蚀耐火材料已成功用于循环流化床(CFB)翼墙的前缘、运输气化器和催化裂化器。
金属氧化物颗粒从上升管122以与上升管122的垂直部分成直角的方式通过膨胀段126(其中气体的速度大大降低)排出。排放开口配置有垂直定向的侧弯管，其中在图4、视图A-A和平面截面图D-D具有间隙。间隙的总开口面积允许输送颗粒的贫氧空气的速度降低到耐火涂层膜壁管的侵蚀极限以下。颗粒流进颗粒接收器128的大开放体积中，进一步减慢并掉落到颗粒接收器128中。基本上不含颗粒的贫氧空气通过颗粒接收器128背面的燃烧器排气口130离开系统。与包括脱离区的先前试验设施布置相比，这种布置导致金属氧化物颗粒与携带空气的优越分离。从上升管122到颗粒接收器128的过渡是按照商业循环流化床锅炉上的U形梁(U-beam)布置建模的。这种布置通过使用膜壁管来承载壁的负载，为上升管122、颗粒接收器128和还原器反应器140共用的共同壁提供了结构支撑。
颗粒接收器128包括耐火衬里的膜壁结构，该膜壁结构包括料斗132。颗粒接收器128作为移动床容器操作。理想情况下，在颗粒接收器128中不发生化学反应。由于移动床颗粒接收器128中颗粒向下的速度低，耐火材料可以是高度绝热的耐火材料，因为不需要耐侵蚀性能。颗粒接收器128配备有至少一个排放料腿134，以将完全氧化的金属氧化物转移到还原器反应器140的中心。排出的固体形成固体堆，该固体堆相对于延伸到顶部移动床136的前壁、后壁和侧壁的水平面具有大约25度的静安息角(angle of repose)。排放料腿134是正方形的，但也可以采用其他形状，例如矩形，以改善顶部移动床136进口处的固体分布。料腿134延伸至还原器反应器140背面上的还原器气体排放端口138下方，以提供在料斗132中的颗粒水平面上方的气体顶部空间，以允许来自还原器140的产物气体在还原器140顶部排放之前聚集。可以调节或调节料腿134的长度，以确保其提供足够的背压，使得产物气体的阻力最小的路径是离开排放端口138而不是由料腿134向上。产物气体主要包括二氧化碳、湿气和污染物，如二氧化硫、氮氧化物、HCl、汞，以及作为灰烬和磨损金属氧化物的颗粒。来自还原器140并通过端口138排出的废气可以由常规的下游环境控制设备处理。构成侧壁的膜管的一部分弯曲出平面以形成颗粒接收料斗132。
还原器反应器140包括耐火衬里的壁结构。膜壁管从位于还原器反应器料斗152顶部的所有四个侧面上的集管(header)142进料。同样，由于还原器反应器140中金属氧化物颗粒的缓慢速度，耐火衬里可以由高度绝热的耐火材料制成。还原器反应器140分为顶部移动床区136和底部移动床区144。同样地，膜壁管的一部分弯曲出平面以形成矩形漏斗料斗部分145，以将金属氧化物颗粒引导到底部移动床区144顶部的还原器反应器的中心，并产生可将燃料进料到其中的空隙。煤或其他合适的燃料在两个区域之间从移动床还原器140的前部和/或背部进料到由弯曲出平面的膜壁管产生的空隙中，并且其高度取决于燃料反应性。可以包括多个进料点148，以提供在反应器的平面区域上的到由弯曲的膜壁管产生的空隙中的燃料的均匀分布。在一个实施方式中，将最大颗粒尺寸约为500μm的燃料加入反应器中。燃料通过水冷进料喷嘴与再循环的二氧化碳一起注入，从而限制氧气注入或渗透到还原器反应器140中。
还原器反应器140的料斗132可以包括单个耐火衬里金属壳料斗或多个裤腿型(pant-leg-type)料斗，如图4B中150所示。料斗152的内壁应当相对于水平面(甚至料斗132的底部)形成至少约45度、至少约50度、至少55度、至少60度、至少65度或甚至至少70度的内角。这确保了底部移动床144内的金属氧化物颗粒的流动曲线(其可以具有相对宽的分布)是质量流料斗的流动曲线(即，在料斗的整个平面区域上均匀地向下流动)，并且不会发生金属氧化物固体的钻洞(ratholing)、旁通或短路。至于图4B，增强气体包括二氧化碳和/或蒸汽，并且在沿着料斗高度的任意点和多个位置引入，以确保增强气体在还原器反应器的整个流动区域上的良好分布。蒸汽是优选的增强气体，因为蒸汽在还原气氛中抑制焦炭在固体颗粒表面上的形成。在一定程度上金属氧化物被保护以防焦炭的形成，因为金属氧化物表面上的过量氧气可以氧化一氧化碳，从而抑制焦炭的形成。
还原器反应器140中颗粒流的大致方向是从进料点向下。当燃料遇到热颗粒时，燃料的挥发性部分以气态物质的形式迅速释放。挥发性气体物质的总体流动方向是从燃料供给点向上。挥发性气体物质容易与向下流动的完全氧化的金属氧化物颗粒反应，以形成二氧化碳、水和部分还原的金属氧化物颗粒。二氧化碳和水通过顶部移动床区域136背面的还原器气体排放端口138离开顶部移动床还原器区域136。部分氧化的金属氧化物颗粒继续向下流入底部移动床区域144。随着固体燃料在热金属氧化物颗粒的向下流动床内开始氧化，单个燃料颗粒的尺寸开始缩小。增强气体的大致流动方向是向上通过还原器反应器140。当主要由煤焦组成的收缩燃料颗粒向下移动通过底部移动床反应器区阈144的外环形流动区域时，其遇到在移动床反应区下方区域中引入的向上流动的增强气体。增强气体(例如二氧化碳和/或蒸汽)将煤焦转化为一氧化碳和氢气。一氧化碳和氢器可以容易地与金属氧化物颗粒中的剩余氧反应以形成二氧化碳、水和/或残余灰。二氧化碳、水和残余灰移动到底部移动床区域144的中心。在底部移动床区144的中心内二氧化碳和水与增强气体容易地向上流动，朝向顶部移动床区136(即，与向下流动的金属氧化物颗粒逆流)。随着煤焦从各个燃料颗粒中燃烧掉，残余灰颗粒达到这样的尺寸，所述尺寸使得还原的金属氧化物颗粒的向下流动床区144内的向上间隙气体速度超过残余灰颗粒的淘析速度并且残余灰颗粒开始向上流动(即逆流通过还原的金属氧化物颗粒的移动床朝向还原器排放端口138)。在向下流动的金属氧化物颗粒到达还原器料斗152的排出圆锥体的地方，颗粒在氧化状态下被主要还原为FeO。当然，根据平衡规则，还将存在一部分其他氧化形式的金属氧化物，例如Fe3O4、Fe2O3和Fe，或以上公开的任何其他金属、金属氧化物或金属化合物。
离开一个或多个还原器料斗152的还原金属氧化物颗粒排放到耐火材料衬里的组合竖管/L-阀154中。在一种情况中，竖管/L-阀154是耐火衬里的非隔热金属管。在一个实施方式中，耐火衬里包括至少两层，由绝热耐火材料第二层背衬热面耐侵蚀第一层。竖管/L-阀154具有伸缩接头156。由氮气或二氧化碳组成(但不仅限于此)的区域密封气体被引入竖管/L-阀154的中段往下，以确保来自还原器140的产物气体不会通过在竖管中产生背压而进入燃烧器102。除了增强气体之外，区域密封气体还确保气体向上(逆流)流过还原器140的顶部移动床区域136和底部移动床区域144。通过位于水平支腿160的中心线上方的水平支腿160的内径上的位置处的端口(未示出)引入充气气体(通常为氮气，但不仅限于此)，以控制金属氧化物循环速率。
L-阀112配备有排放管线162，该排放管线162充满L-阀112的整个内径，以使得或允许去除团聚体。竖管的内径和L-阀112的垂直部分不必与L-阀的水平支腿的直径相同。上升管122和还原器反应器140通过共用的共同壁124的紧密连接以使得或允许L-阀112与燃烧器102的紧密连接，相比于具有L阀112的倾斜水平部分以帮助金属氧化物返回到燃烧器102，这简化了L-阀112设计。如果L-阀112的垂直支腿从排放开口到燃烧器反应器102中的水平位移太远，则固体的压头不足以迫使固体通过L-阀12并实现所需的固体循环速率。通常，为了克服这个问题，将竖管158制作得更高，以获得所需的固体的静压头。更高的竖管提高了所有上游部件的高度，这增加了制造和构造成本，并且由于在燃烧器102的底部需要更高的压力以将固体传送回颗粒接收器128的顶部而增加了寄生功率损失。
鉴于上述情况，在一种情况下，竖管/L-阀154包含至少一个适当设计的伸缩接头156，其允许由于温度和/或散热的变化而膨胀和收缩。在一个实施方式中，伸缩接头156可以位于竖管/L-阀154中的合适的点位并且处于任何合适的方位，以允许竖管/L-阀154响应温度和/或散热的变化而经历一个或多个尺寸变化。虽然不希望局限于任何一个实施方式，但是各种合适的伸缩接头是本领域技术人员已知的，并且因此许多类型的伸缩接头可以设计成与本文所述的系统和设备一起工作。
膜壁部件的冷却回路位于底部集管142/164中，和位于膜壁部件166的顶部外。燃烧器102和上升管122在与还原器140不同的回路上。在另一种情况下，可以使冷却水进入燃烧器102并转移到还原器140的底部。离开膜壁回路的冷却水被输送到立式分离器或汽包(未示出)，以允许饱和水和饱和蒸汽的分离。饱和蒸汽然后可以被输送到对流通道进行额外的预热。
至于图5，如图5所示，用于进料水加热的冷凝和蒸汽提取类似于传统的蒸汽循环。预热的进料水通过两个节热管束(economizer bank)后，过冷液体进入蒸汽分离器。将来自蒸汽分离器底部的过冷液体进料(自然循环)或泵送(强制循环)到燃烧器的膜壁，或燃烧器中的发生表面和/或可能地到还原器的膜壁。或者，可以通过来自燃烧器顶部的过冷液体来冷却还原器的膜壁，如图5所示。来自燃烧器和/或还原器的膜壁顶部的两相流体返回蒸汽分离器。虽然有两个单独的气流需要单独的对流通道，但两者的蒸汽路径显示是串联的(见图5)。这允许壳体和过热器部件内的可接受的蒸汽质量通量。对流通道可包含节热器(economizer)、一级和二级过热器以及再热器部件或任意组合。蒸汽从蒸汽分离装置通过燃烧对流通道的壳壁。这些壁是多通道的，以允许可接受的蒸汽侧质量流量，从而实现更高的低负荷蒸汽膜传热和更低的材料成本。蒸汽从壳体通向还原器对流通道的壳体。同样，这些壁是多通道的。可以安装从蒸汽分离装置到过热器的蒸汽旁路，以降低在蒸汽侧质量通量和传热系数高于要求的高负荷下的压降。蒸汽从还原器壳体通向位于燃烧器连接通道(如图所示)中的主过热器，在主过热器中添加额外的热量。过热降温器或减温器位于主过热器的下游，以控制蒸汽的整体吸收并将最终蒸汽温度保持在设定点附近。最后，蒸汽通过燃烧器对流通道中的二级过热器，在二级过热器中，对蒸汽施加热量平衡以实现所需的最终蒸汽温度。可选地，过热降温器或减温器可位于二级过热器的下游，以控制蒸汽的整体吸收并将最终蒸汽温度保持在设定点附近。或者，离开二级过热器的蒸汽可以通过位于燃烧器中的热表面以达到最终过热度(FSH)。或者，燃烧器中的表面可用于再加热来自蒸汽涡轮机的中间段(如果存在)的蒸汽。过热蒸汽通过常规方式输送至蒸汽涡轮机。或者，可以在蒸汽分离器(图5中的立式分离器)的液体排放口之间安装循环泵，以将液态水再循环回第一节热器的入口用于启动。这是为了在初始启动期间用冷却水保护传热表面。或者，可以用来自蒸汽分离器的蒸汽而不是来自燃烧器膜顶部的过冷液体来冷却还原器膜壁，这将减少从还原器到膜壁的热传递，从而允许还原器的操作更接近于绝热。或者，可以从一级、二级、再热或最终过热流抽取的过热蒸汽的一部分可以作为增强气体(带有或不带有CO2)引入还原器。或者，系统可以包括如"#"所示的多对燃烧器和还原器或者不同数量的燃烧器和还原器的任何组合以产生蒸汽(例如，一个燃烧器可能服务两个还原器)，而不是一个还原器和燃烧器。这将具有使燃烧器的上升管更大并且更容易维护小型模块化单元的优点。
鉴于上述情况，本发明的系统和/或设备产生了以下优点中的一个或多个：(i)可以通过竖管154的单个伸缩接头来适应热膨胀，因为两侧共用共同壁；(ii)相比于具有较厚耐火材料的重耐火衬里容器，耐火衬里的膜壁提供更快的启动。此外，由于移动床还原器中较低的表面积体积比以及通过填充移动床的较差的热传递，基于热输入的百分比，耐火衬里膜壁的壁的热损失要小得多；(iii)燃烧器102/上升管122和移动床还原器中的冷却回路在反应器顶部产生饱和蒸汽，该饱和蒸汽可被送至汽包或立式分离器以进行蒸汽分离并重新送至下游过热表面或再循环回饱和水冷却表面或其他工厂工艺；(iv)膜板管在煤进料高度附近的布置容易允许多个均匀间隔的进料点以实现每个平面区域的输入，该输入提供了燃料的完全转化和无团聚的操作；(v)可以使用具有膜墙结构的传统技术以用于提供结构支撑，例如加强件和支柱(buck stay)；(vi)该设计可以是顶部支撑的，这使得适应热膨胀和提供结构支撑更容易；(vii)可以通过将膜壁管弯曲出平面而容易地制造料斗和流动通道，而不是用耐火材料难以浇注和成型；(viii)因为耐火衬里更薄，可以在更短的时间内实现耐火材料在目标操作温度下的干燥和固化；(ix)壁和部件的形状是直的和矩形的，而不是圆形的，这使得更容易扩展到更大尺寸的模块；(x)竖管/L-阀154和燃烧器102的紧密连接导致L-阀112的短水平支腿，这意味着对于目标循环速率而言更低的压降，并且因此导致提供所需的原动力(固体的静压)所需的更短的竖管154，以及更低的制造/构造成本以及更低的寄生功率成本；(xi)逆流移动床还原器提供了更高的转化效率，并将最高温度的气体输送到还原器140和燃烧室102出口的对流通道部件，以实现高效蒸汽发生；(xii)燃料进料点几何形状的布置允许低成本的多个进料点，这提高了转化效率，同时最小化进料器成本。美国专利号3204942(其完整内容通过引用全文纳入本文)分配瓶为单个失重或容积式进料器的多个进料点提供了选择；(xiii)颗粒接收器燃烧器气体排放端口和顶部移动床还原器气体排放端口的位置可以位于(居中)后壁上，以确保燃烧器102、上升管122或还原器140内的气体不短路或金属氧化物和/或灰烬颗粒不旁通；(xiv)在黑电厂跳闸(black planttrip)的情况下，可以关闭到L-阀112的充气气体，并将燃烧器中的金属氧化物向上输送到颗粒接收器料斗中用于热存储，直到电力恢复并且系统可以重新启动。燃烧器140中的残余金属氧化物可以在床内管束的存在下随着强制通风机和ID风扇的向下滚动而冷却；(xv)顶部移动床料腿是矩形的，以提供热金属氧化物颗粒沿着底部移动床的整个轴线的分布；(xvi)允许使用多个料斗(裤腿料斗设计)，降低了设备的总高度，减少了与金属氧化物循环相关的寄生功率，并降低了构造成本；(xvii)通常，在膜壁组件上使用较薄的耐火层会导致层不太容易断裂和在壳体上产生热点。此外，如果耐火材料断裂成碎片的可能性较小，那么下游通道(如竖管/L-阀或排放管线)被耐火材料碎片堵塞的可能性也较小。
鉴于上述情况，可以替换性地以各种方式修改系统100，其中每种方式本质上都被视为非限制性的，并且可以与下面列出的一个或多个其他替代方式适当地组合。以上公开的各种实施方式的可能替代方式包括但不限于，使用焦炭作为燃料源；使用煤焦作为燃料源；使用生物质和/或生物质衍生物作为燃料源；使用任何固体燃料源；使用气体燃料源，包括但不限于天然气、合成气、火炬气、焦炉煤气等；使用本文公开的任何燃料源中的两种或多种的任意组合作为燃料；对于每个还原器反应器，其中有一个或多于一个料斗(多个)——进料，一个或多于一个(多个)竖管/L-阀组合；使用蒸汽作为增强气体；使用二氧化碳作为增强气体；使用湿气饱和的再循环二氧化碳作为增强气体，因为湿气抑制焦炭的形成；一个实施方式，其中上升管是耐火衬里的而不是膜壁结构；一个实施方式，其中颗粒接收器是耐火衬里的金属外壳而不是膜壁结构；一个实施方式，其中上升管和竖管可以分段制造以便于维护，特别是耐火材料的维修或更换；一个实施方式，其中充气气体是二氧化碳；一个实施方式，其中充气气体是空气；一个实施方式，其中充气气体是蒸汽；一个实施方式，其中床内换热器104包括发生表面、过热表面、再热表面或所有表面的组合；一个实施方式，其中床内换热器管束(参见例如104/110)包括交错布置的管；一个实施方式，其中竖管/L-阀154可以用环形密封件、J-阀或其它类型的非机械阀代替；以及一个实施方式，其中风箱114壳体包括耐火衬里的膜壁结构。
在本文的各种实施方式中，颗粒可以具有不同的尺寸以适应各种反应速率以及上升管和燃烧器的设计。该设备可以适于容纳25微米至2.5毫米的颗粒尺寸。
虽然已经详细显示和描述了本发明的具体实施方式以说明本发明的应用和原理，但应该理解，本发明并不局限于此，本发明可以在不偏离这些原理的情况下以其他方式实施。在本发明的一些实施方式中，本发明的某些特征有时可以被有利地使用而不相应地使用其他特征。因此，所有这样的变化和实施方式都恰当地落入以下权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种化学链系统，其包括：
流化床燃烧器反应器，其包括风箱、换热表面和氧化剂分配格，
颗粒，
颗粒分离器；和
上升管，其中流化床反应器将颗粒氧化，产生载气，并且所述上升管将氧化的颗粒和载气输送到颗粒分离器。
2.如权利要求1所述的化学链系统，其还包括：
颗粒接收器；和
移动床反应器，其中所述颗粒接收器接收来自颗粒分离器的氧化颗粒，以及在碳基燃料的存在下所述移动床反应器将氧化的颗粒还原。
3.如权利要求2所述的化学链系统，其还包括：
氧化器反应器，其中在流化床燃烧器上游的蒸汽流存在的情况下所述还原的颗粒被部分氧化以产生氢气流，以及部分氧化的颗粒被输送到流化床燃烧器反应器。
4.如权利要求2所述的化学链系统，还包括：
竖管，和
L-阀，其中所述竖管和L-阀将还原的颗粒从移动床反应器输送到流化床燃烧器反应器，以及流化床反应器将还原的颗粒再氧化。
5.如权利要求4所述的化学链系统，其中，所述上升管和移动床反应器共用共同壁。
6.如权利要求6所述的化学链系统，其中所述共同壁是膜壁。
7.如权利要求6所述的化学链系统，其中所述膜壁是绝热的。
8.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述分配格是能够供应氧化剂、燃料或氧化剂/燃料混合物的泡罩型分配器。
9.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述换热器表面是蛇形床内换热表面。
10.如权利要求9所述的化学链系统，其中蛇形床内换热器管的前缘从L-阀向后设置。
11.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述碳基燃料选自以下中的一种或多种：煤、石油、油页岩、油砂、生物质、富甲烷气体、火炬气、来自燃料电池的富含燃料的废气，或其两种或多种的混合物。
12.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述上升管的形状为矩形。
13.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述颗粒接收器包括膨胀区段，由此氧化颗粒的载气的速度降低并且氧化颗粒从悬浮物中掉出。
14.如权利要求13所述的化学链系统，其中颗粒分离器还包括载气和侵蚀氧化颗粒的出口端口。
15.如权利要求4所述的化学链系统，其中颗粒分离器的至少一个壁是膜壁，并且膜壁从所述系统移除热能。
16.如权利要求4所述的化学链系统，其中将碳基燃料引至反应器的底部，并且所述反应器以逆流操作。
17.如权利要求4所述的化学链系统，其中将碳基燃料引至反应器的中部。
18.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述移动床反应器包括一个或多个进料端口，所述进料端口将气态流引至移动床反应器的底部。
19.如权利要求4所述的化学链系统，其中移动床反应器是重整器反应器，将燃料引至反应器的顶部，所述反应器以并流操作。
20.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述移动床反应器包括一个或多个进料端口，并且所述进料端口将气态流引至移动床反应器的顶部。
21.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述竖管包含固体的移动床，所述固体的移动床阻碍了流化床型燃烧器反应器和移动床反应器之间的气体混合。
22.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述L-阀控制到所述移动床反应器的固体流。
23.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述颗粒的宽度为约25微米至约2.5毫米。
24.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述系统在压力下操作。
25.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述系统以一个或多个平行元件操作。
26.如权利要求6所述的化学链系统，其中水、蒸汽、二氧化碳或空气中的一种流过所述膜壁。
27.如权利要求26所述的化学链系统，其中所述共同壁还包括颗粒分离器的膜壁。
28.如权利要求4所述的化学链系统，其中将CO2流作为增强气体引入所述系统中。
29.如权利要求4所述的化学链系统，其中所述移动床反应器还包括出口气体端口，所述出口气体端口的高度高于氧化颗粒进入移动床反应器的高度。
30.如权利要求12所述的化学链系统，其中所述上升管还包括排放料腿。
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