RU2290428C2 - Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2290428C2
RU2290428C2 RU2002120963/04A RU2002120963A RU2290428C2 RU 2290428 C2 RU2290428 C2 RU 2290428C2 RU 2002120963/04 A RU2002120963/04 A RU 2002120963/04A RU 2002120963 A RU2002120963 A RU 2002120963A RU 2290428 C2 RU2290428 C2 RU 2290428C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
coal
feo
cao
caco
Prior art date
Application number
RU2002120963/04A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2002120963A (ru
Inventor
Ричард К. ЛАЙОН (US)
Ричард К. ЛАЙОН
Original Assignee
Дженерал Электрик Компани
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дженерал Электрик Компани filed Critical Дженерал Электрик Компани
Publication of RU2002120963A publication Critical patent/RU2002120963A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2290428C2 publication Critical patent/RU2290428C2/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/725—Redox processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/005—Separating solid material from the gas/liquid stream
    • B01J8/0055—Separating solid material from the gas/liquid stream using cyclones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/24—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique
    • B01J8/26—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with two or more fluidised beds, e.g. reactor and regeneration installations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/24—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique
    • B01J8/38—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with fluidised bed containing a rotatable device or being subject to rotation or to a circulatory movement, i.e. leaving a vessel and subsequently re-entering it
    • B01J8/384—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with fluidised bed containing a rotatable device or being subject to rotation or to a circulatory movement, i.e. leaving a vessel and subsequently re-entering it being subject to a circulatory movement only
    • B01J8/388—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with fluidised bed containing a rotatable device or being subject to rotation or to a circulatory movement, i.e. leaving a vessel and subsequently re-entering it being subject to a circulatory movement only externally, i.e. the particles leaving the vessel and subsequently re-entering it
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/463—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension in stationary fluidised beds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
    • C10J3/56—Apparatus; Plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00265—Part of all of the reactants being heated or cooled outside the reactor while recycling
    • B01J2208/00292—Part of all of the reactants being heated or cooled outside the reactor while recycling involving reactant solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00513—Controlling the temperature using inert heat absorbing solids in the bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/02—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles
    • B01J2208/023—Details
    • B01J2208/024—Particulate material
    • B01J2208/025—Two or more types of catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/042—Purification by adsorption on solids
    • C01B2203/0425—In-situ adsorption process during hydrogen production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/093—Coal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0956—Air or oxygen enriched air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0983—Additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0983—Additives
    • C10J2300/0996—Calcium-containing inorganic materials, e.g. lime
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/164—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with conversion of synthesis gas
    • C10J2300/1643—Conversion of synthesis gas to energy
    • C10J2300/1646—Conversion of synthesis gas to energy integrated with a fuel cell
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99008—Unmixed combustion, i.e. without direct mixing of oxygen gas and fuel, but using the oxygen from a metal oxide, e.g. FeO
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Abstract

Использование: изобретение относится к способам конверсии угля в присутствии воздуха и водяного пара. Сущность изобретения: уголь подвергают конверсии путем сжигания. При этом используют совокупность двух реакторов с псевдоожиженным слоем и третьего передаточного линейного реактора. В первый реактор подают частицы угля или «полукокс» и псевдоожижают высокотемпературным водяным паром, второй реактор псевдоожижают водяным паром высокой температуры, а третий реактор псевдоожижают сжатым воздухом. Твердые частицы, циркулирующие между этими тремя реакторами, включают в себя смесь материалов, содержащую соединения кальция (присутствующие в виде СаО, СаСО3 и их смесей) и соединения железа (присутствующие в виде FeO, Fe2О3 и их смесей). Уголь газифицируют водяным паром в первом реакторе в присутствии СаО для получения СаСО3 и водорода. Во втором реакторе проводят реакцию СаСО3 для восстановления до СаО и реакцию угля и/или полукокса из угля с Fe2О3 для образования FeO и диоксида углерода. В третьем реакторе окисляют FeO до Fe2О3 и получают воздух, обедненный кислородом. Описывается аппарат для осуществления способа. Технический результат: упрощение технологии процесса. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.

Description

Предпосылки создают изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и аппаратам для конверсии угла, воздуха и водяного пара высокой температуры с получением трех отдельных газовых потоков, один из которых состоит из влажного, по существу, чистого водорода, второй содержит диоксид углерода, «готовый к утилизации», т.е. CO2, который является относительно чистым и находится под повышенным давлением, что делает его удаление менее трудным, а третий поток состоит из воздуха, обедненного кислородом.
Более конкретно, изобретение относится к способу, при котором осуществляют циркуляцию смесей угла, соединений кальция и железа между несколькими реакторами, загруженными либо водяным паром высокой температуры, либо сжатым воздухом и вырабатывающими, по существу, чистый водород для использования в топливных элементах как продукт управляемой реакции газификации. Способ согласно изобретению позволяет получить отработанный поток отделимого и, по существу, чистого диоксида углерода, содержащий остаточные количества диоксида серы, и поток воздуха, обедненного кислородом, обладающий теплом высокой температуры, которое можно использовать, например, в подсистемах генерирования энергии, включенных в последующую технологическую цепочку. Окислительно-восстановительные реакции согласно настоящему изобретению имеют гораздо больший термодинамический кпд, чем системы для сжигания, осуществляемого со смешиванием обычных ископаемых топлив, и позволяют получить значительные преимущества защиты окружающей среды над известными способами, при которых используется уголь или другие ископаемые топлива или топлива на основе биомассы для выработки тепла и горючих газов с целью их использования в газотурбинных двигателях.
В течение 21-го века Соединенные Штаты по-прежнему будут полагаться главным образом на ископаемые топлива, такие как природный газ, нефть и нефтяные дистилляты, в качестве основного источника топлива для газотурбинных двигателей, используемых для выработки электроэнергии. В последнее время обнаружено, что использование, по существу, чистого водорода в топливных элементах более эффективно и фактически не вызывает загрязнение по сравнению с другими обычными технологиями сжигания смесей ископаемого топлива и воздуха. Водородные топливные элементы могут стать идеальным разрешением многих потребностей государства в топливе и сыграть роль источника чисто сгорающего топлива. Вместе с тем существует потребность в обеспечивающем достаточный термодинамический кпд и экономичном способе, дающем возможность получения больших количеств чистого водорода из легкодоступных и недорогих энергетических ресурсов, таких как уголь.
Существуют различные обычные системы для окисления (сжигания) угля с целью образования свободного водорода помимо выработки тепла для образования водяного пара. В любом случае такие системы создают значительные проблемы защиты окружающей среды, потому что велика вероятность выброса оксидных соединений углерода и серы в атмосферу из горящего угля. Обычные способы получения водорода также обуславливают большие затраты на оборудование, поскольку попыткам восстановления и выделения водорода из других продуктов сгорания ископаемого топлива и воздуха присуща неэффективность реализации.
Кроме того, хорошо известно, что диоксид углерода, получаемый из систем для сжигания угля, вносит вклад в парниковый эффект в атмосфере, а также в потенциальное глобальное потепление. Другие типы загрязнений воздуха, обуславливаемых сжиганием угля, включают в себя выбросы частиц, таких как мелкие частицы золы, в результате сгорания угольной пыли, а также выброс нежелательных оксидов азота, главным образом NO и NO2.
Таким образом, существует настоятельная потребность в получении относительно чистого водорода для использования при выработке электроэнергии экономичным и обеспечивающим достаточный термодинамический кпд способом, но без загрязнения атмосферы. Также существует потребность в борьбе с выбросами любого характера и степени диоксида углерода и диоксида серы, происходящими во время сжигания угля, путем изоляции и удаления оксидных загрязняющих веществ без выброса их в атмосферу. В идеальном случае уголь и другие ископаемые топлива можно было бы использовать для выработки тепла таким образом, который обеспечивает простое и экономичное восстановление побочных продуктов сгорания, в частности CO2, при повышенном давлении и в относительно чистом состоянии, т.е. обеспечивает получение CO2, «готового к утилизации».
В прошлом предложен ряд разных способов удаления СО2, например перекачивание сжиженного СО2 в глубинные части океана. Однако при удалении СО2 возникает сопутствующая проблема, касающаяся чистоты самого сточного потока. Поскольку большинство вариантов удаления обуславливает наличие сжиженного СО2, то обычно допустимо, чтобы CO2 был «готовым к утилизации» и не мог бы содержать более чем малые количества загрязняющих примесей или других газов, которые не сжижаются под давлением.
Помимо проблем загрязнения воздуха сжигание угля для запуска газотурбинных двигателей имеет те же ограничения термодинамического кпд, которые присущи всем системам, основанным на сжигании, осуществляемом со смешиванием (с использованием воздуха) угля в качестве основного источника тепла. Газовые турбины относят к числу существующих систем выработки электроэнергии, для которых нужны наименьшие капитальные вложения. Однако их термодинамический кпд заметно ниже, чем у других систем. Хотя этот кпд растет с увеличением температуры воздухозаборника турбины, горячие газы, получаемые за счет сгорания угля, содержат летучую золу, которая может вызывать эрозию лопаток турбины. Отходящие пары повышенной температуры могут также вызывать коррозию ввиду наличия кислотных побочных продуктов сгорания угля, таких как диоксид серы и HCl. Следовательно, максимальная температура воздухозаборника турбины, которую можно допустить для сгорания угля, значительно ниже, чем температура, связанная с «чистым» топливом, таким как нефть или природный газ.
Нововведения последних лет в области газотурбинной металлургии позволили увеличить температуры воздухозаборников, которые можно было бы допустить в связи с системами для сжигания угля. По определению некоторые технологические достижения служат цели увеличения температур воздухозаборников для более чистых топлив, таких как природный газ. Таким образом, недостатки угля по сравнению с более чистыми топливами все же остаются независимо от достижений газотурбинной металлургии и препятствуют тому, чтобы рассматривать уголь, несмотря на его меньшую стоимость, как привлекательное топливо для газовых турбин. В газотурбинной промышленности уже давно признали, что если бы удалось разработать способ сжигания угля таким образом, который позволил бы получать большие количества относительно «чистых» горячих газов, которые не вызывали бы эрозию или коррозию, то уголь мог бы стать гораздо более экономически жизнеспособным источником топлива для использования при выработке электроэнергии.
Одним предложенным решением проблемы использования угля для мощных газовых турбин является способ, который известен под названием «газификация» и при котором уголь и водяной пар подают в высокотемпературный реакционный сосуд и обеспечивают их реакцию с образованием смеси Н2, СО и CO2. Поскольку реакция газификации является эндотермической, нужно каким-то образом подводить тепло. Так, в большинстве установок газификации воздух смешивают с водяным паром высокой температуры таким образом, что часть угля сгорает, а его остаток реагирует с водяным паром, образуя H2, CO и CO2. В других установках часть твердых частиц топлива нагревают за счет горения, а затем смешивают с углем и водяным паром для подвода тепла, необходимого для стимулирования протекания реакции газификации.
В литературе описан способ газификации угля, при котором обеспечивают циркуляцию акцептора CO2 (либо известняка, либо доломита) между парой кипящих слоев, один из которых псевдоожижен водяным паром, а другой - воздухом. См. Г.П.Курран, К.Э.Финк и И.Горин (Глава 10 в работе «Газификация топлива», Достижения Американского химического общества, в серии «Химия», 69, 1967 г. (G.P.Curran, C.E.Fink, and E.Gorin (Chapter 10 in FUEL GASIGICATION, ACS Advances in Chemistry series 69, 1967). Температура в слое, псевдоожиженном водяным паром, остается достаточно низкой, так что реакция СаО+СО2=СаСО3 обеспечивает газификацию угля с получением практически чистого водорода. Однако лишь часть углерода в угле газифицируется в реакторе со слоем, псевдоожиженным водяным паром. Остаток перемещается в слой, псевдоожиженный воздухом, где он окисляется («сжигается»), выделяя тепло и снова разлагая СаСО3 с получением СаО. Поскольку СО находится в равновесии с СО2 за счет хорошо известной реакции конверсии водяного пара, то удаление последнего вызывает удаление первого. Базовый способ газификации обладает преимуществом получения относительно чистого водорода, но имеет тот недостаток, что происходит выброс СО2 непосредственно в атмосферу наряду с воздухом и другими окисленными побочными продуктами сгорания угля, такими как диоксид серы.
В патентах США №№5339754, 5509362 и 5827496 (упоминаемых здесь для ссылки) описан способ сжигания топлив с использованием катализатора, который можно легко восстановить, когда он находится в окисленном состоянии, а затем легко окислить, когда он находится в восстановленном состоянии. Топливо и воздух попеременно вступают в контакт с катализатором. Топливо восстанавливает катализатор и окисляется до СО2 и водяного пара. После этого воздух окисляет катализатор и обедняется кислородом. Таким образом, сжигание осуществляется без потребности в смешивании топлива и воздуха либо перед процессом сжигания, либо во время его. Если предусмотрены средства, с помощью которых СО2, водяной пар и воздух, обедненный кислородом, направляются в разных направлениях, когда они покидают процесс сжигания, то можно полностью избежать смешивания. Этот последний способ сжигания называют «сжиганием, осуществляемым без смешивания».
Суммарный объем газообразных продуктов сгорания, получаемых посредством сжигания, осуществляемого без смешивания, сравним с объемом газообразных продуктов сгорания при обычном сжигании, но с одним существенным различием. Объем совокупности CO2 и водяного пара представляет лишь малую часть суммарного объема. Специалисты в данной области техники поймут, что затраты на удаление кислых газов из отходящих газообразных продуктов сгорания посредством очистки увеличиваются с увеличением объема очищаемого газа. Таким образом, если можно провести сгорание без смешивания таким образом, что кислые газы покидают процесс сгорания в виде совокупности CO2 и водяного пара, объем газа, который нужно очищать, можно значительно снизить, из чего вытекает соответствующее снижение производственных затрат. Как подробно описано ниже, осуществление сгорания без смешивания таким образом, что эти кислые газы покидают камеру сгорания в виде совокупности СО2 и водяного пара, требует надлежащего выбора канализатора и точного управления первоначальной реакцией сгорания и последующей реакцией разложения.
Объект изобретения из патента США №5509362 подробно рассмотрен в докладе, представленном на собрании Секции западных штатов Института горения, проведенном 26-27 октября 1998 г. (доклад №98F-36). В этом докладе рассмотрен гипотетический способ использования угля для энергоснабжения газовой турбины, и в нем сообщалось о серии предварительных экспериментов с использованием псевдоожиженного слоя под атмосферным давлением, содержащего порошкообразный химически чистый оксид железа (т.е. FeO/Fe2О3). Газ, используемый для псевдоожижения слоя, можно подавать из воздуха до достижения баланса в виде 5% SO2+95% N2 и снова возвращать в воздух. Эксперименты предусматривали два основных технологических этапа. На первом этапе слой, полностью окисленный до Fe2O3, псевдоожижали смесью, содержавшей 5% SO2+95% N2, при температуре 857°С. Затем нагнетали в этот слой малое количество угля и одновременно проводили непрерывный анализ газов, выходящих из слоя. На втором этапе псевдоожижающий газ выводили в воздух, продолжая анализировать газы, выходящие из слоя.
В этом докладе Института горения также предложено концептуальное воплощение способа использования угля для энергоснабжения газовой турбины. Как показано на фиг.4 этого доклада, использовали катализатор на основе FeO/Fe2O3 в качестве псевдоожиженного порошка, циркулирующего между первым кипящим слоем, который псевдоожижен водяным паром, и вторым слоем, псевдоожиженным сжатым воздухом из компрессорной секции газовой турбины. В пределах этого слоя FeO окисляется до Fe2O3 в ходе жесткой экзотермической реакции, которая вызывает обеднение сжатого воздуха кислородом и одновременный нагрев этого воздуха. Нагретый сжатый воздух (который теперь обеднен кислородом) можно впоследствии использовать для приведения в действие секции детандера газовой турбины. В этом докладе Института горения подразумевается использование угольной пыли в качестве основного источника топлива. См. фиг.4.
Таким образом, в технической литературе можно найти отдельные сведения о средствах достижения цели окисления угля с получением СО2, готового к утилизации, и о средствах достижения цели газификации угля с получением относительно чистого водорода. Однако в технической литературе нет сведений, иллюстраций или предложений, касающихся достижения обеих этих целей в одном способе. Существует определенная потребность в усовершенствованном способе сжигания (окисления) угля с использованием сжигания, осуществляемого без предварительного смешивания, для получения CO2, готового к утилизации, и относительно чистого водорода с одновременным созданием потока горячего газа для использования при выработке электроэнергии путем расширения через газотурбинные двигатели.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предложен новый способ сжигания угля для получения водорода для топливных элементов, воздуха, обедненного кислородом, для энергоснабжения газовых турбин и CO2, готового к утилизации. Способ реализуют в таких условиях, что все сопутствующие химические реакции термодинамически эффективны и легко осуществимы, так что способ имеет тепловой баланс, совместимый с практическим промышленным применением.
В предпочтительном возможном конкретном варианте осуществления изобретения совместно используются два реактора с кипящим псевдоожиженным слоем и передаточный линейный реактор. Первый реактор с псевдоожиженным слоем (именуемый далее «реактором для газификации угля», см. табл.1) работает при 800°С, и в него подают частицы угля или «полукокс» и псевдоожижают водяным паром высокой температуры, например перегретым водяным паром при давлении около 7 атм. Второй реактор с псевдоожиженным слоем (именуемый далее «реактором для разложения СаСО3») также псевдоожижен водяным паром и работает при температуре около 1040°С и давлении около 7 атм. В третьем «реакторе для окисления FeO» используется сжатый воздух под давлением около 7 атм, и в нем достигается рабочая температура около 1525°С. Твердые частицы, циркулирующие между этими тремя реакторами, включают в себя смесь материалов, содержащих соединения кальция (присутствующие в виде СаО, СаСО3 и их смесей) и соединения железа (присутствующие в виде FeO, Fe2O3 и их смесей).
В первом реакторе с псевдоожиженным слоем уголь газифицируется водяным паром в присутствии СаО с получением СаСО3 и относительно чистого водорода (для использования, например, в топливных элементах) в течение вышеописанного процесса, при котором используется акцептор CO2. Однако только часть полукокса, подаваемого в реактор для газификации, сжигается для подвода тепловой энергии, необходимой для восстановления СаСО3 снова до СаО. Твердые частицы циркулируют между реактором для газификации и средним реактором с псевдоожиженным слоем, где они смешиваются с твердыми частицами из передаточного линейного реактора. Углерод в среднем реакторе с псевдоожиженным слоем реагирует с Fe2О3 в передаточном линейном реакторе, а температура в среднем реакторе с псевдоожиженным слоем является достаточно высокой для разложения СаСО3 снова с получением СаО.
Таким образом, твердые частицы, рециркулируемые из среднего реактора с псевдоожиженным слоем, состоят главным образом из СаО и FeO, тогда как газообразный CO2 и минимальные количества SO2 удаляются в виде отдельного потока. Некоторые из смеси твердых частиц возвращаются в первый реактор с псевдоожиженным слоем, предназначенный для газификации, а остальные проходят в передаточный линейный реактор (реактор для окисления FeO). В последнем FeO реагирует с воздухом в ходе эндотермической реакции для выделения тепла. Горячий воздух, обедненный кислородом, покидает передаточный линейный реактор и подается в газовую турбину, а горячие твердые частицы возвращаются в средний псевдоожиженный слой.
Поскольку реакция между FeO и горячим воздухом является быстрой и экзотермической (в диапазоне 292 кДж/моль) температура загрязненного воздуха увеличивается до такой величины, что горячий газ может расширяться через турбину, сообщая приводную мощность для выработки электроэнергии и/или приведения в действие воздушного компрессора. Избыточную энтальпию расширившегося загрязненного воздуха также можно восстановить с помощью котла, который выдает водяной пар высокого давления для использования при псевдоожижении.
Газовый поток, покидающий реактор для окисления FeO, обычно пропускают через циклон или другую систему очистки горячего газа для удаления золы и отмученных оксидов железа перед расширением через турбину. Горячие газы из реактора для разложения СаСО3 можно также пропускать через теплообменник, а затем - через конденсатор для удаления воды и остаточных мелких твердых частиц. Остающиеся газы состоят из CO2 и SO2 под повышенным давлением с малыми количествами других загрязняющих веществ и продуктов неполного сгорания. SO2 и другие загрязняющие вещества можно удалять посредством влажной очистки или другой обработки, оставляя, по существу, чистый поток сжатого CO2 для утилизации или выпуска.
Поэтому изобретение в его расширенных аспектах относится к способу конверсии угля с получением качественного водорода для топливных элементов и, по существу, чистого, т.е. готового к утилизации, диоксида углерода значительно более термодинамически эффективным образом с использованием смесей твердых частиц, содержащих уголь, соединения кальция и соединения железа, циркулирующих между тремя реакторами с псевдоожиженным слоем, работающими одновременно.
В другом аспекте изобретение относится к новому способу достижения сжигания, осуществляемого без смешивания, угля для получения качественного водорода для топливных элементов и стока диоксида углерода, готового к утилизации, с использованием первого, второго и третьего реакторов, при этом первый реактор принимает загрузки угля и водяного пара для получения выходного газового потока влажного газообразного водорода, второй реактор выдает выходной поток влажного диоксида углерода, а третий реактор принимает входной поток и выдает выходной поток воздуха, обедненного кислородом.
В еще одном аспекте изобретение относится к новому аппарату для проведения сжигания, осуществляемого без смешивания, угля с получением, по существу, чистого водорода, диоксида углерода и воздуха, обедненного кислородом, состоящему из первого, второго и третьего реакторов, при этом твердые частицы циркулируют между этими реакторами, поддерживающими тщательно регулируемый баланс соединений кальция и их смесей и соединений железа и их смесей.
И в еще одном аспекте изобретение относится к новому аппарату для сжигания, осуществляемого без смешивания, выполненному с возможностью получения выходного газового потока влажного качественного газообразного водорода для топливных элементов, по существу, чистого, т.е. «готового к утилизации» диоксида углерода и воздуха, обедненного кислородом, значительно более термодинамически эффективным образом, чем в обычных системах для сжигания, осуществляемого без смешивания. Краткое описание чертежей
На чертеже представлена условная схема, иллюстрирующая основные элементы конструкции и способ согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
На чертеже условно показан возможный конкретный вариант осуществления изобретения, предусматривающий конверсию входных потоков угля, водяного пара и сжатого воздуха с получением отдельных выходных потоков относительно чистого водорода для использования, например, в топливных элементах, CO2, готового к утилизации, и высокотемпературного воздуха, обедненного кислородом, для использования при энергоснабжении газовой турбины с целью выработки электроэнергии. В этом конкретном варианте осуществления два реактора 10, 12 с кипящим псевдоожиженным слоем используются вместе с передаточным линейным реактором 14. Первый реактор 10 с псевдоожиженным слоем (реактор для газификации угля), показанный слева на чертеже, псевдоожижен газом, состоящим главным образом из перегретого водяного пара высокого давления, поступающим через впускной патрубок 16, находящийся на дне реактора.
Реактор 12 с кипящим слоем (реактор для разложения СаСО3), показанный в центре на чертеже, тоже псевдоожижен газом, состоящим из перегретого водяного пара, поступающего через впускной патрубок 18, или рециркулированного CO2, или их смесей. Передаточный линейный реактор 14 (реактор для окисления FeO) псевдоожижен сжатым воздухом, поступающим через входной патрубок 20. Твердые частицы, которые циркулируют между этими тремя реакторами, включают в себя смесь твердых частиц, причем некоторые из них имеют высокое содержание СаСО3, когда находятся в необожженном состоянии, например частицы известняка и доломита, а некоторые из них имеют высокое содержание железа, например частицы железной руды, очищенного оксида железа, красного шлама и дробленого чугунного скрапа.
В крайнем левом из трех реакторов, показанных на чертеже, уголь 22 попадает в псевдоожиженный слой в месте, обозначенном позицией 24, и претерпевает газификацию водяным паром в присутствии СаО с получением СаСО3 и относительно чистого водорода во время вышеописанного процесса использования акцептора СО2. Водород покидает первый реактор с псевдоожиженным слоем в виде потока 26 для использования в водородных топливных элементах.
Важно, что в процессе использования акцептора СО2 только часть полукокса, вводимого в реактор 10 для газификации, газифицируется с получением водорода. Остальная часть сгорает с обеспечением подвода тепловой энергии, необходимой для восстановления СаСО3 снова до СаО. То есть, тепло сгорающей части угля используется для разложения СаСО3 снова до СаО, однако сжигание происходит не прямым образом. Твердые частицы циркулируют между реактором 10 для газификации и средним реактором 12 с кипящим слоем, предназначенным для разложения СаСО3, где они смешиваются с твердыми частицами из передаточного линейного реактора 14. Углерод, находящийся в первом из них, реагирует с Fe2О3, находящимся в последнем. Температура в среднем или втором реакторе 12 с псевдоожиженным слоем остается достаточно высокой, так что СаСО3 разлагается снова с получением СаО. Таким образом, твердые частицы, рециркулируемые из среднего реактора с псевдоожиженным слоем, состоят главным образом из СаО и FeO, тогда как СО2, «готовый к утилизации» (и любой присутствующий остаточный SO2), покидают средний реактор с псевдоожиженным слоем в виде потока 28.
Часть смеси твердых частиц возвращается в реактор 10 для газификации, а остальные попадают в передаточный линейный реактор 14. В передаточном линейном реакторе 14 FeO реагирует с воздухом для выделения тепла. Горячий воздух, обедненный кислородом, выходит из линейного реактора 14 в виде потока 30 и может быть подан в газовую турбину, тогда как горячие твердые частицы возвращаются в средний реактор 12 с псевдоожиженным слоем.
Пример 1
Проводили вычислительные эксперименты с использованием программы HSC. Процедура вычислений является итеративной, и для ее проведения делаются допущения относительно первоначальных температур в обоих реакторах с псевдоожиженным слоем и в передаточном линейном реакторе. Просчитываются равновесные составы продуктов при этих температурах. Затем просчитываются тепловой баланс и баланс массы для получения нового набора рабочих температур и процесс повторяется для получения результатов, взаимно соответствующих друг другу в целесообразных пределах ошибки.
Вычислительные эксперименты этого типа дают три разных типа результатов. Процедура вычислений может не сойтись, показывая, что исследуемый способ не в состоянии обеспечить адиабатическую работу. В альтернативном варианте вычисления могут сойтись, показывая, что способ в состоянии обеспечить адиабатическую работу, но в условиях, при которых химическое равновесие не приведет к практически осуществимому процессу. В-третьих, вычисления могут сойтись к результату, показывающему, что исследуемый способ в состоянии обеспечить адиабатическую работу в условиях, при которых химическое равновесие приведет к практически осуществимому процессу.
При проведении вышеописанных вычислений компьютерная программа «предполагает», что СаО/СаСО3 и FeO/Fe2О3 действуют как идеальный катализатор, т.е. что все количество присутствующих СаО/СаСО3 и FeO/Fe2O3 вступает в реакцию для достижения равновесия. Вместе с тем хорошо известно, что катализаторы в общем случае имеют конечный срок службы, т.е. они медленно становятся инертными. Обычным приемом, которым пользуются, чтобы поддержать приемлемый уровень каталитической активности, является непрерывное удаление и замена малых количеств катализатора. При каталитических процессах, обуславливающих использование угля, существует дополнительное затруднение, заключающееся в том, что уголь содержит золу. Хотя можно откорректировать условия таким образом, что большая часть этой золы будет выходить из реактора в виде летучей золы, повлиять на часть золы все же не удастся. Это делает обязательным непрерывное удаление и замену малых количеств катализатора.
Таким образом, в практической работе реакторы в соответствии с изобретением будут содержать смесь активного катализатора и инертных твердых частиц. Чтобы учесть этот фактор, было выдвинуто допущение о том, что катализатором была смесь СаО/СаСО3, FeO/Fe2O3 и Al2O3, причем последний оксид является инертным, с хорошо известными тепловыми свойствами. Малую часть СаСО3 также учитывали при вычислениях как инертное вещество.
В нижеследующих табл.1, 2, 3, 4 и 5 приведены результаты вычислительного эксперимента.
Таблица 1
Баланс массы для конверсии угля, водяного пара и воздуха с получением несмешанных Н2, CO2 и воздуха, обедненного О2
Реактор для газификации угля, 800°С, 7 атм.
Вводимые реагенты: 3,2 H2O при 500°С и 1,79 С при 25°С
Вводимые твердые частицы из реактора для разложения СаСО3: 2,0 FeO, 1,5 Al2O3, 0,8 CaO
Выводимые твердые частицы из реактора для разложения СаСО3: 2,0 FeO, 1,5 Al2O3, 0,01 CaO, 0,79 СаСО3, 1,0 С
Выводимые продукты реакции: 1,58 H2, 1,62 Н2O, следы CO2, СО и СН4
Реактор для разложения СаСО3, 1042°С, 7 атм.
Вводимые реагенты: нет
Вводимые твердые частицы из реактора для газификации угля: 2,0 FeO, 1,5 Al2O3, 0,01 CaO, 0,79 СаСО3, 1,0 С
Вводимые твердые частицы из реактора для окисления FeO: 4,0 FeO, 3,0 Al2O3, 1,6 CaO
Выводимые твердые частицы из реактора для газификации угля: 2,0 FeO, 1,5 Al2O3, 0,8 CaO
Реактор для окисления FeO, 1526°С, 7 атм.
Вводимые реагенты: 1,0 О2, 4,0 N2
Вводимые твердые частицы из реактора для разложения СаСО3:
4,0 FeO, 3,0 Al2O3, 1,6 CaO
Выводимые твердые частицы из реактора для разложения СаСО3: 2,0 FeO, 3,0 Al2O3, 1,6 CaO
Выводимые продукты реакции: 4,0 N2
Таблица 2
Энергетический баланс для конверсии угля, воздуха и водяного пара с получением отдельных потоков Н2, СО2 и воздуха,
обедненного O2
Вводимые реагенты Измеряемое тепло, ккал -ΔН сгорания
С, 1,79 моля при 25°С 0 -168,339
Н2O, 3,2 моля при 500°С 12,966 0
O2, 1 моль при 500°С 3,628 0
N2, 4 моля при 500°С 13,581 0
Итого 30,175 -168,339
Выводимые продукты    
Н2, 1,58 моля при 800°С 8,652 -91,232
Н2O, 1,62 моля при 800°С 11,243 0
CO2, 1,79 моля при 1042°С 21,824 0
N2, 4 моля при 1526,3°С 46,819 0
Итого 88,538 -91,232
Энергетический баланс для конверсии угля, воздуха и водяного пара с получением отдельных потоков Н2, СО2 и воздуха,
обедненного O2
Тепло, выделенное и использованное для подъема -18,281
водяного пара во время газификации угля  
Тепло, выделенное и не использованное во время +0,021
разложения СаСО3  
Тепло, выделенное и не использованное во время -0,406
окисления FeO  
Суммарное вводимое тепло =198,514 ккал,
Суммарное выводимое тепло =198,436 ккал (эта небольшая разница отображает накопленные ошибки компьютера)
Энергия водорода =54,2% от ΔН сгорания углерода
Энергия, подводимая к газовой турбине =27,8% от ΔН сгорания углерода
Подъем водяного пара =10,9% от ΔН сгорания углерода
Разность между измеряемым теплом выводимых продуктов и вводимых реагентов =ΔН сгорания вводимых реагентов
Таблица 3
Равновесие для газификации угля в присутствии СаО при 800°С и 7 атм
Состав равновесной газовой фазы
Н2, молярные проценты, =41,10
Н2О, молярные проценты, =48,98
CO2, молярные проценты, =3,238
СО, молярные проценты, =2,553
СН4, молярные проценты, =0,1288
Таблица 4
Равновесие для окисления FeO при 1526,3°С и 7 атм
2Fe2О3=4FeO+O2, Р02 при равновесии =2,44×10-3 атм
Таблица 5
Равновесие для разложения СаСО3 при 1042°С и 7 атм
СаСО3=СаО+CO2, РCO2 при равновесии =7,024 атм
В табл.1 показан баланс масс, в табл.2 показан тепловой или энергетический баланс, а в табл.3, 4 и 5 показано равновесие, которое возникает в трех реакторах. В частности, табл.3 показывает, что реакция газификации в первом реакторе с псевдоожиженным слоем дает влажный, но, с другой стороны, почти чистый водород. Табл.4 показывает, что равновесие благоприятствует разложению СаСО3 во втором реакторе с псевдоожиженным слоем, а табл.5 показывает, что окислению FeO до Fe2O3 благоприятствует равновесие в передаточном линейном реакторе.
Тепловой или энергетический баланс, показанный в табл.2, иллюстрирует незначительную часть энергосодержания угля, покидающую процесс, в виде разности между измеряемым теплом продуктов и реагентов, т.е. лишь незначительная часть вводимой энергии становится отходящим теплом. Более половины энергосодержания угля покидает процесс в виде водорода, т.е. в виде энергии, подводимой к газовой турбине. Из оставшегося энергосодержания часть идет на подъем водяного пара (использование меньшей величины), и лишь малое количество становится отходящим теплом.
Хотя изобретение описано в связи с тем, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный конкретный вариант осуществления, понятно, что изобретение не сводится к описанному конкретному варианту осуществления, а наоборот, должно считаться охватывающим различные модификации и эквивалентные конструкции, находящиеся в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.
Перечень основных частей аппарата
Реактор 10 с псевдоожиженным слоем
Реактор 12 с псевдоожиженным слоем
Передаточный линейный реактор 14
Входной патрубок 16
Входной патрубок 18
Входной патрубок 20
Уголь 22, 22
Псевдоожиженный слой в месте, обозначенном позицией 24
Поток 26
Поток 28
Поток 30

Claims (10)

1. Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных элементов и диоксида углерода, готового к утилизации, с обеспечением сжигания, осуществляемого без смешивания, включающий в себя этапы, на которых
загружают первый реактор с псевдоожиженным слоем углем и водяным паром высокой температуры, который окисляет часть угля, и получают, по существу, чистый газообразный водород и диоксид углерода,
осуществляют циркуляцию между первым, вторым и третьим реакторами, содержащими смесь псевдоожиженных твердых частиц, смеси твердых псевдоожиженных частиц, содержащей уголь, соединения кальция, присутствующие в виде СаО, СаСО3 и их смесей, и соединения железа, присутствующие в виде FeO, Fe2О3 и их смесей,
проводят реакцию СаО, присутствующего в первом реакторе, с диоксидом углерода для образования СаСО3,
проводят реакцию СаСО3 во втором реакторе для восстановления СаО и одновременно проводят реакцию угля и/или полукокса из угля с Fe2O3 для образования FeO и диоксида углерода,
окисляют FeO, присутствующий в третьем реакторе, для восстановления Fe2О3 и получают воздух, обедненный кислородом, при повышенной температуре, и
удаляют, по существу, чистый водород, диоксид углерода и обедненный воздух в виде отдельных потоков из первого, второго и третьего реакторов.
2. Способ по п.1, при котором твердые частицы во втором реакторе псевдоожижают с использованием водяного пара высокой температуры, а твердые частицы в третьем реакторе псевдоожижают с использованием сжатого воздуха.
3. Способ по п.1, при котором температура в первом реакторе находится в диапазоне от 650 до 850°С.
4. Способ по п.1, при котором температура во втором реакторе находится в диапазоне от 1000 до 1100°С.
5. Способ по п.1, при котором температура в третьем реакторе находится в диапазоне от 1400 до 1600°С.
6. Способ по п.1, при котором давление в системе реакторов в целом находится в диапазоне от 2 до 20 атмосфер.
7. Способ по п.1, при котором отношение атомов кальция, присутствующих в виде СаО и СаСО3, и железа, присутствующих в виде FeO и Fe2О3, в твердых частицах, циркулирующих между псевдоожиженными слоями, находится между 1,5 и 2.
8. Способ по п.1, при котором скорость твердых частиц, циркулирующих между вторым и третьим реакторами, такова, что отношение FeO, попадающего в третий реактор, к кислороду в воздухе, попадающем в третий реактор, больше, чем 4 моль FeO к 1 моль Оз, но меньше, чем 5 моль FeO к 1 моль кислорода.
9. Способ по п.1, при котором давление перегретого водяного пара составляет около 7 атмосфер.
10. Аппарат для проведения сжигания угля, осуществляемого без смешивания, с получением отдельных потоков, по существу, чистого газообразного водорода, диоксида углерода, готового к утилизации, и воздуха, обедненного кислородом, состоящий из первого, второго и третьего реакторов, содержащих смесь псевдоожиженных твердых частиц, циркулирующих между всеми тремя реакторами, причем упомянутые твердые частицы содержат уголь, соединения кальция, присутствующие в виде СаО, СаСО3 и их смесей, и соединения железа, присутствующие в виде FeO, Fe2O3 и их смесей, при этом проводят реакции СаО, присутствующего в первом реакторе, с диоксидом углерода для образования СаСО3, проводят реакции СаСО3 во втором реакторе для восстановления СаО и одновременно проводят реакцию угля и/или полукокса из угля c Fe2O3 для образования FeO и диоксида углерода, проводят окисление FeO, присутствующего в третьем реакторе, для восстановления Fe2О3 и получения воздуха, обедненного кислородом, при повышенной температуре.
RU2002120963/04A 2001-07-31 2002-07-30 Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления RU2290428C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/917,801 US6669917B2 (en) 2001-07-31 2001-07-31 Process for converting coal into fuel cell quality hydrogen and sequestration-ready carbon dioxide
US09/917,801 2001-07-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002120963A RU2002120963A (ru) 2004-02-20
RU2290428C2 true RU2290428C2 (ru) 2006-12-27

Family

ID=25439349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002120963/04A RU2290428C2 (ru) 2001-07-31 2002-07-30 Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления

Country Status (5)

Country Link
US (2) US6669917B2 (ru)
EP (1) EP1281747A3 (ru)
JP (1) JP2003236366A (ru)
KR (1) KR100694367B1 (ru)
RU (1) RU2290428C2 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103062910A (zh) * 2013-01-11 2013-04-24 东南大学 一种集成化学链燃烧与co2捕集的方法和装置
RU2516651C1 (ru) * 2012-11-01 2014-05-20 Леонид Анатольевич Ярыгин Способ газификации угля
RU2615690C1 (ru) * 2015-10-27 2017-04-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала
RU2738120C1 (ru) * 2020-02-28 2020-12-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала

Families Citing this family (66)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6669917B2 (en) * 2001-07-31 2003-12-30 General Electric Co. Process for converting coal into fuel cell quality hydrogen and sequestration-ready carbon dioxide
US6667022B2 (en) * 2001-08-14 2003-12-23 General Electric Co. Process for separating synthesis gas into fuel cell quality hydrogen and sequestration ready carbon dioxide
US7118721B2 (en) 2002-11-26 2006-10-10 Alstom Technology Ltd Method for treating emissions
US7618606B2 (en) * 2003-02-06 2009-11-17 The Ohio State University Separation of carbon dioxide (CO2) from gas mixtures
US7282189B2 (en) * 2003-04-09 2007-10-16 Bert Zauderer Production of hydrogen and removal and sequestration of carbon dioxide from coal-fired furnaces and boilers
US7083658B2 (en) 2003-05-29 2006-08-01 Alstom Technology Ltd Hot solids gasifier with CO2 removal and hydrogen production
US7267811B2 (en) * 2003-11-26 2007-09-11 Cabot Corporation Fuel reformer catalyst and absorbent materials
WO2005053831A2 (en) * 2003-11-26 2005-06-16 Cabot Corporation Fuel reformer catalyst and absorbent materials
US7767191B2 (en) * 2003-12-11 2010-08-03 The Ohio State University Combustion looping using composite oxygen carriers
US7678351B2 (en) * 2005-03-17 2010-03-16 The Ohio State University High temperature CO2 capture using engineered eggshells: a route to carbon management
CN101273114A (zh) * 2005-04-29 2008-09-24 海塞特有限责任公司 用于转化烃物质的体系和方法
US20070072949A1 (en) * 2005-09-28 2007-03-29 General Electric Company Methods and apparatus for hydrogen gas production
US7713642B2 (en) * 2005-09-30 2010-05-11 General Electric Company System and method for fuel cell operation with in-situ reformer regeneration
US7461693B2 (en) * 2005-12-20 2008-12-09 Schlumberger Technology Corporation Method for extraction of hydrocarbon fuels or contaminants using electrical energy and critical fluids
EP1973992A4 (en) * 2006-01-12 2012-04-04 Univ Ohio State SYSTEMS AND METHOD FOR CONVERTING FUEL
US7980056B2 (en) 2006-02-07 2011-07-19 General Electric Company Methods and apparatus for controlling air flow within a pulse detonation engine
US7562708B2 (en) * 2006-05-10 2009-07-21 Raytheon Company Method and apparatus for capture and sequester of carbon dioxide and extraction of energy from large land masses during and after extraction of hydrocarbon fuels or contaminants using energy and critical fluids
ES2822323T3 (es) * 2006-09-25 2021-04-30 Ohio State Innovation Foundation Proceso de ciclado de calcio para la producción de hidrógeno de alta pureza
US7648566B2 (en) * 2006-11-09 2010-01-19 General Electric Company Methods and apparatus for carbon dioxide removal from a fluid stream
US20080134666A1 (en) * 2006-12-11 2008-06-12 Parag Prakash Kulkarni Systems and Methods Using an Unmixed Fuel Processor
US7780749B2 (en) * 2006-12-11 2010-08-24 General Electric Company Unmixed fuel processors and methods for using the same
US7966829B2 (en) * 2006-12-11 2011-06-28 General Electric Company Method and system for reducing CO2 emissions in a combustion stream
US8012453B2 (en) * 2007-10-25 2011-09-06 Surendra Saxena Carbon sequestration and production of hydrogen and hydride
JP5293099B2 (ja) * 2007-11-14 2013-09-18 株式会社Ｉｈｉ Ｃｏ２回収ガス化方法及び装置
CA2718536C (en) * 2008-04-01 2014-06-03 Greatpoint Energy, Inc. Sour shift process for the removal of carbon monoxide from a gas stream
US7819932B2 (en) * 2008-04-10 2010-10-26 Carbon Blue-Energy, LLC Method and system for generating hydrogen-enriched fuel gas for emissions reduction and carbon dioxide for sequestration
EP3666858A3 (en) 2008-09-26 2020-08-19 The Ohio State University A method of preparing ceramic composite particles
FR2937334A1 (fr) * 2008-10-17 2010-04-23 Jean Xavier Morin Dispositif d'extraction de co2 de l'atmosphere
IT1392104B1 (it) * 2008-11-27 2012-02-09 Shap Corp S R L Impianto integrato gassificatore/combustore a letto fluido
US8119098B2 (en) * 2009-01-10 2012-02-21 Hce, Llc Process for converting carbon dioxide from coal utilization to a solid ash
FR2941689B1 (fr) * 2009-01-30 2011-02-18 Inst Francais Du Petrole Procede integre d'oxydation, reduction et gazeification pour production de gaz de synthese en boucle chimique
US8500868B2 (en) * 2009-05-01 2013-08-06 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for the separation of carbon dioxide and water
WO2010141629A1 (en) * 2009-06-02 2010-12-09 Thermochem Recovery International, Inc. Gasifier having integrated fuel cell power generation system
CA2773457C (en) 2009-09-08 2018-08-28 The Ohio State University Research Foundation Synthetic fuels and chemicals production with in-situ co2 capture
AU2010292313B2 (en) 2009-09-08 2015-08-20 The Ohio State University Research Foundation Integration of reforming/water splitting and electrochemical systems for power generation with integrated carbon capture
ES2384491T3 (es) 2009-09-16 2012-07-05 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Procedimiento de captura de CO2 mediante CaO y la reducción exotérmica de un sólido
US20110220846A1 (en) * 2010-01-14 2011-09-15 Banowetz Gary M Non-densified biomass gasification method and apparatus
CN101975395B (zh) * 2010-09-18 2011-11-09 水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心 一种用于煤基化学链过程的双循环流化床装置
WO2012064712A1 (en) 2010-11-08 2012-05-18 The Ohio State University Circulating fluidized bed with moving bed downcomers and gas sealing between reactors
EP2707350A4 (en) 2011-05-11 2015-12-23 Ohio State Innovation Foundation SYSTEMS FOR CONVERTING A FUEL
EP3584426B1 (en) 2011-05-11 2021-04-14 Ohio State Innovation Foundation Oxygen carrying materials
US10041667B2 (en) 2011-09-22 2018-08-07 Ensyn Renewables, Inc. Apparatuses for controlling heat for rapid thermal processing of carbonaceous material and methods for the same
EP2623182A1 (en) * 2012-02-06 2013-08-07 Alstom Technology Ltd Integrated process and system for carbon dioxide emission capture
CN102589147B (zh) * 2012-03-02 2013-09-18 东南大学 一种化学链燃烧固体燃料的方法及其装置
CA3148322A1 (en) 2013-02-05 2014-08-14 Ohio State Innovation Foundation Methods for converting fuel into syngas
CN103113919A (zh) * 2013-03-07 2013-05-22 华北电力大学（保定） 一种三反应器生物质热解系统及其工作方法
US9616403B2 (en) 2013-03-14 2017-04-11 Ohio State Innovation Foundation Systems and methods for converting carbonaceous fuels
US9481837B2 (en) 2013-03-15 2016-11-01 The Babcock & Wilcox Company Chemical looping processes for partial oxidation of carbonaceous fuels
DE102013114852B4 (de) * 2013-12-23 2018-07-05 Aalto University Anordnung und Verfahren zur Durchführung einer intensivierten Verbrennung
WO2015131117A1 (en) 2014-02-27 2015-09-03 Ohio State Innovation Foundation Systems and methods for partial or complete oxidation of fuels
ES2547465B1 (es) * 2014-03-04 2016-07-12 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Procedimiento de calcinación con producción de co2 puro mediantecombustión usando transportadores de o2
AU2016218259A1 (en) 2015-02-10 2017-08-24 Ciris Energy, Inc. Depolymerization process
CN104722197B (zh) * 2015-04-08 2018-03-06 重庆大学 一种钙‑铜联合化学循环方法
CN104830358B (zh) * 2015-04-30 2017-03-15 东南大学 一种生物质分级气化制取富氢气体的装置及方法
US11111143B2 (en) 2016-04-12 2021-09-07 Ohio State Innovation Foundation Chemical looping syngas production from carbonaceous fuels
CN105907430B (zh) * 2016-06-21 2018-08-21 东南大学 一种生物质气化制取合成气的装置及其方法
KR101897712B1 (ko) 2016-09-05 2018-09-12 한국과학기술연구원 Abe 발효 생성물의 고탄소 화합물 전환 반응용 촉매 및 이를 이용한 고탄소 화합물의 제조방법
EP3565664A4 (en) 2016-12-29 2020-08-05 Ensyn Renewables, Inc. LIQUID BIOMASS DEMETALLIZATION
US11738307B2 (en) 2017-03-09 2023-08-29 Hot Lime Labs Limited Method and apparatus for carbon dioxide capture and release
US20180335205A1 (en) * 2017-05-17 2018-11-22 Gas Technology Institute Pressurized fluidized bed combustor with fuel cell co2 capture
CN111065459B (zh) 2017-07-31 2023-09-22 俄亥俄州立创新基金会 具有不相等反应器组件运行压力的反应器系统
US10549236B2 (en) 2018-01-29 2020-02-04 Ohio State Innovation Foundation Systems, methods and materials for NOx decomposition with metal oxide materials
US11413574B2 (en) 2018-08-09 2022-08-16 Ohio State Innovation Foundation Systems, methods and materials for hydrogen sulfide conversion
CN111377398B (zh) * 2018-12-28 2022-02-08 中国石油化工股份有限公司 生物质热解气化制取氢气和一氧化碳的方法
US11453626B2 (en) 2019-04-09 2022-09-27 Ohio State Innovation Foundation Alkene generation using metal sulfide particles
CN111960415B (zh) * 2020-08-17 2022-02-15 浙江大学 煤半焦制备颗粒活性炭的方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE530486A (ru) * 1953-07-20
US2807529A (en) * 1954-01-21 1957-09-24 Consolidation Coal Co Gasification of carbonaceous solids
US3807090A (en) * 1970-12-02 1974-04-30 Exxon Research Engineering Co Purifications of fuels
US4334894A (en) * 1979-03-12 1982-06-15 Conoco Inc. Process for producing synthesis gas from wood
US4976940A (en) * 1988-05-13 1990-12-11 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Method for producing H2 using a rotating drum reactor with a pulse jet heat source
US5509362A (en) 1992-12-11 1996-04-23 Energy And Environmental Research Corporation Method and apparatus for unmixed combustion as an alternative to fire
US5827496A (en) 1992-12-11 1998-10-27 Energy And Environmental Research Corp. Methods and systems for heat transfer by unmixed combustion
US5339754A (en) 1992-12-11 1994-08-23 Energy And Environmental Research Method and apparatus for prevention of puffing by rotary kiln and other incinerators and combustion systems
US5855631A (en) * 1994-12-02 1999-01-05 Leas; Arnold M. Catalytic gasification process and system
US5641327A (en) * 1994-12-02 1997-06-24 Leas; Arnold M. Catalytic gasification process and system for producing medium grade BTU gas
US5740667A (en) * 1994-12-15 1998-04-21 Amoco Corporation Process for abatement of nitrogen oxides in exhaust from gas turbine power generation
US6007699A (en) * 1996-08-21 1999-12-28 Energy And Environmental Research Corporation Autothermal methods and systems for fuels conversion
US6149859A (en) * 1997-11-03 2000-11-21 Texaco Inc. Gasification plant for direct reduction reactors
US6113874A (en) * 1998-04-29 2000-09-05 Praxair Technology, Inc. Thermochemical regenerative heat recovery process
WO2001004045A1 (fr) * 1999-07-09 2001-01-18 Ebara Corporation Procede et appareil de production d'hydrogene par gazeification de matiere combustible, procede de generation electrique utilisant des piles a combustible, et systeme de generation electrique utilisant des piles a combustible
JP5383960B2 (ja) * 2001-03-01 2014-01-08 荏原環境プラント株式会社 脱硫方法及び装置
US6669917B2 (en) * 2001-07-31 2003-12-30 General Electric Co. Process for converting coal into fuel cell quality hydrogen and sequestration-ready carbon dioxide
US6667022B2 (en) * 2001-08-14 2003-12-23 General Electric Co. Process for separating synthesis gas into fuel cell quality hydrogen and sequestration ready carbon dioxide

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516651C1 (ru) * 2012-11-01 2014-05-20 Леонид Анатольевич Ярыгин Способ газификации угля
CN103062910A (zh) * 2013-01-11 2013-04-24 东南大学 一种集成化学链燃烧与co2捕集的方法和装置
CN103062910B (zh) * 2013-01-11 2014-07-09 东南大学 一种集成化学链燃烧与co2捕集的方法和装置
RU2615690C1 (ru) * 2015-10-27 2017-04-06 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала
RU2738120C1 (ru) * 2020-02-28 2020-12-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала

Also Published As

Publication number Publication date
EP1281747A2 (en) 2003-02-05
JP2003236366A (ja) 2003-08-26
US20030029088A1 (en) 2003-02-13
RU2002120963A (ru) 2004-02-20
KR100694367B1 (ko) 2007-03-12
US6911057B2 (en) 2005-06-28
US20040060237A1 (en) 2004-04-01
US6669917B2 (en) 2003-12-30
EP1281747A3 (en) 2004-01-02
KR20030011693A (ko) 2003-02-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2290428C2 (ru) Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления
US6494153B1 (en) Unmixed combustion of coal with sulfur recycle
US20080134666A1 (en) Systems and Methods Using an Unmixed Fuel Processor
RU2433341C1 (ru) Способ сжигания углеродсодержащего топлива при использовании твердого носителя кислорода
AU759861B2 (en) Power generation system based on gasification of combustible material
US7780749B2 (en) Unmixed fuel processors and methods for using the same
JP2013504421A (ja) ＣａＯ及び固体の発熱還元を用いたＣＯ２の捕獲方法
CN1795257A (zh) 能移走co2并产生h2的热固体气化器
US6572761B2 (en) Method for efficient and environmentally clean utilization of solid fuels
US6083862A (en) Cyclic process for oxidation of calcium sulfide
JP2004149556A (ja) バイオマスのガス化方法及びそのガス化装置
JPS63173805A (ja) 電力発生システム
JP2011246525A (ja) ガス化処理システムおよびこれを用いたガス化処理方法
CN109266373B (zh) 一种基于钙基化合物的煤化工动力多联产系统
US5706645A (en) Removal of oxides of nitrogen from gases in multi-stage coal combustion
JP6229115B2 (ja) 発電装置および発電方法
JP2001354974A (ja) 燃料ガス化方法およびその装置
WO2021198819A1 (en) Incineration process for waste and device therefore
JP2726741B2 (ja) 粗悪燃料を用いる発電方法
JP3233628B2 (ja) ガス化発電プラント
JP2986901B2 (ja) 作動流体供給方法および燃焼設備
Robertson Development of foster wheeler's vision 21 partial gasification module
JP2000121007A (ja) 石炭ガス化複合発電システム用酸化炉
KR20200039499A (ko) 화학적순환연소 방식과 연계한 합성가스 발전용 가스화공정
Pham Investigations of Sulfur Capture and Recovery Using Calcium-Based Sorbents

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100731