TWI261616B - Hot solids gasifier with CO2 removal and hydrogen production - Google Patents

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TWI261616B
TWI261616B TW093115432A TW93115432A TWI261616B TW I261616 B TWI261616 B TW I261616B TW 093115432 A TW093115432 A TW 093115432A TW 93115432 A TW93115432 A TW 93115432A TW I261616 B TWI261616 B TW I261616B
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Herbert E Andrus Jr
Michael S Mccartney
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Alstom Technology Ltd
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1261616 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於產製氫之裝置。更具體而言，本發 月奋關方；利用化石燃料、生物燃料（bi〇mass)、石油焦炭 (petroleum coke)或其它任何含碳燃料以產製氫以用於產生 動力之裝置，該裝置將二氧化碳（c〇2)之釋放降至最低或予 以消除。 【先前技術】 化石燃料發電站（power stati〇n)習知使用蒸汽渦輪機來 將熱轉換成電。新穎蒸汽發電站之轉換效率可超過4〇% LHV。依賴新材料之新穎超臨界蒸汽鍋爐設計容許更高之 瘵汽溫度及壓力，從而提供接近5〇% LHV之效率且可預期 更多改良。在組合循環燃氣渦輪機（CCgt)中亦已做出顯著 改進。燃氣渴輪機能比蒸汽渦輪機承受更高之入口溫度。 此因素導致總體效率極大提高。目前處於構造中之最新設 計可達成高於60% LHV之效率。所有該等效率改良轉化成 基於每百萬瓦特之比發射降低。 儘官可藉由增加能量轉換及利用之效率來達成c〇2排放 之大致降低，但該等降低並不足以達成大氣c〇2穩定。因此 亦已做出針對俘獲及封存（sequestrati〇n)由燃燒化石燃料之 發電站所排放之C〇2的努力。封存CO:需要以不曝露於大氣 中之方式來儲存或利用c〇2。可在燃燒燃料之前或之後執行 俘獲C〇2。可在燃燒燃料過程中將c〇2之產製降至最低。 可在燃燒之前藉由自烴燃料提取H2來使燃料脫碳，從而 92714.doc 1261616 佯獲C〇2且隨後燃燒％。蒸汽重整、氣化及部分氧化係該 处理之貝例。最有希望之脫碳途徑係經由整體氣化組合循 衣（IGCC)。煤藉由IGCC氣化以產製合成氣，接著藉由觸媒 對其進仃水煤氣變換以增加CO:濃度。使此經變換之合成氣 /卞火且在與胺煙道氣洗滌（amine flue gas scrubbing)相類似 之處理中藉由諸如聚乙二醇二甲醚之溶劑來移除C02。將經 分離之C〇2乾燥且壓縮至超臨界條件以用於管道運輸。現在 使富含H2之清潔合成氣在燃氣渦輪機中燃燒，且將來自氣 化〉乎火及自GT氣體燃料之廢熱量回收以增加蒸汽並饋入 一蒸汽渴輪機。因為自經濃縮並加壓之合成氣流移除C02， 所以增畺資本成本及能量處罰（energy penalty)比自煙道氣 俘獲 C02低。Pars〇ns Energy and chemical Group，lnc.之研 究已表明約14%之增量能量處罰及約$18/噸之減少c〇22 成本（Owens等人，2000)。 藉由使用純氧或濃縮氧來代替空氣進行燃燒，〇2/循環煙 道氣中之化石燃燒燃料消除了俘獲c〇2之需要。由於產製純 氧需要大量動力，所以使用此方法會導致相當大之能量處 罰。 或者’在空氣燃燒後可由多種技術來完成C〇2之分離。當 今最完善之方法是在吸附脫離過程中藉由胺溶劑洗滌以自 煙運氣流中移除之。該等方法已在商業上應用至燃燒煤之 鍋爐以便產製用於工業或食品工業用途之c〇2。不幸的是， 需要大量資本設備。溶劑再生所需之能量顯著降低了發電 站之效率。對施用於美國公用設施鍋爐箱（u.s· uUHty 92714.doc 1261616 b〇ner case)的胺洗務技術之研究顯示資本投資與原始發電 站相當且能量效率降低了 4 1 。 【發明内容】 簡言之，本發明之較佳形態在於一用於自碳質燃料產製 氣體產物之氣化為，其包括包含放熱氧化反應器及吸熱還 原反應器之第一化學處理循環。氧化反應器具有一caS入 口、一熱空氣入口及一 CaSOJ廢氣出口。還原反應器具有 一與氧化反應器CaSOJ廢氣出口形成流體連通之caS〇4X 口、一與氧化反應器CaS入口形成流體連通之CaS/氣體產物 出口及一用於接收碳質燃料之物料入口。在氧化反應器中 利用空氣氧化CaS以形成熱caS〇4，將CaS04排放至還原反 應器。還原反應器中所接收之熱CaS〇4及碳質燃料利用 CaSCU之熱含量而經受吸熱反應，碳質燃料自CaS〇4脫氧以 形成CaS及氣體產物。將CaS排放至氧化反應器，且將氣體 產物自第一化學處理循環排出。 當氣體產物為富含CO之合成氣時，氣化器進一步包括一 第二化學處理循環，其包含一具有與還原反應器CaS/氣體 產物出口形成流體連通之合成氣入口的水煤氣變換反應 杰。變換反應器亦具有一 Ca〇入口、一用於接收氣態h2〇之 蒸汽入口及一微粒出口。煅燒爐具有一與變換反應器微粒 出口形成流體連通之CaC〇3入口及一與變換反應器Ca0入 口形成流體連通之CaO出口。合成氣之c〇與氣態H2〇反應 以產製Kb及C〇2，Ca0將C〇2俘獲以在放熱反應中形成熱 CaC〇3，將熱CaC〇3排放至煅燒爐，在煅燒爐中於吸熱反應 92714.doc 10 1261616 中使用Ca⑶3之熱含量以使CQ2脫離Ca〇，且將⑽自鍛燒 爐排放至變換反應器。 變換反應器亦可具有一用於接收碳質燃料之燃料入口。 在此狀況下，合成氣之C0及碳質燃料與氣態H2〇反應以產 製H2、C〇2及經部分脫碳之熱碳質微粒，而此熱碳質微粒被 排放至還原反應器。 氧化反應器亦可具有一微粒傳熱材料入口及一微粒傳熱 材料出π，且锻燒爐亦可具有—與氧化反應器微粒傳熱材 料出口形成流體連通之微粒傳熱材料入口以及一與氧化反 應為微粒傳熱材料入口形成流體連通之微粒傳熱材料出 口。在煅燒爐之吸熱反應中使用氧化反應器所排放之熱 CaSCU且將經冷卻之CaS〇4自煅燒爐排放至氧化反應器。 變換反應器亦包含一用於自氣化器排放出之H2出口。變 換反應器微粒出口包含一自變換反應器排放重微粒之重物 出口以及一自變換反應器排放H2與輕微粒之混合物的輕物 出口。一與變換反應器輕物出口形成流體連通之分離器將 Hr與輕微粒分離、自氣化器排放h2、將一部分輕微粒排放 至還原反應器輕物入口且將另一部分排放至烺燒爐CaC〇3 入〇 ° 還原反應器亦可包含一與變換反應器微粒出口形成流體 連通之炭氣化器（char gasifier)、一與炭氣化器形成流體連 通之炭燃燒器以及一與炭燃燒器及氧化反應器CaS入口形 成流體連通之碳燃盡單元（carbon burn-out cell)。炭氣化器 包含一與變換反應器重物出口形成流體連通之重物入口、 92714.doc 1261616 一與分離器形成流體連通之輕物入口，且炭氣化器之熱氣 出口與變換反應器之熱氣入口形成流體連通。炭氣化器之 厌出口及熱氣入口與炭燃燒器之炭入口及熱氣出口形成流 體連通。炭燃燒器之炭出口及熱氣入口與碳燃盡單元之炭 入口及熱氣出口形成流體連通。碳燃盡單元包含一與氧化 反應态CaS入口形成流體連通之cas出口。將來自氧化反應 器CaSOJ廢氣出口之熱CaS〇4供應至碳燃盡單元及炭燃燒 器且可將其供應至炭氣化器及/或變換反應器。 部又燒爐可包含一具有CaC〇3入口及CaO出口之煅燒爐爐 腔以及一與烺燒爐爐腔形成流體連通之燃燒器，該燃燒器 具有一空氣入口及一CaS入口。在燃燒器内燃燒之空氣與 CaS產製排放至煅燒爐爐腔之熱吸附劑顆粒，吸附劑顆粒之 熱含量煅燒CaC〇3以產製Ca〇及c〇2。將沈降室（如川叩 room)安置於燃燒器與煅燒爐爐腔中間，以使得自燃燒器排 放之煙運氣中所夾帶之熱吸附劑顆粒進入沈降室，從而使 熱2吸附劑顆粒脫離煙道氣並進入煅燒爐。將煙道氣及所 夾帶之輕吸附劑顆粒排放至第一分離器，從而自煙道氣分 離細微吸附劑顆粒。將藉由锻燒CaC〇3所產製之Ca0及c〇2 自瓜L爐爐腔排放至第二分離器。將焙燒所產製之 叫亦藉由旁路管線（bypass nne)排出。—旁路閥控制分離 σ口及方路官線間之叫流量分佈，進而限制輸出至分離 叩之速率攸而防止在輸出之GW中夾帶重吸附劑顆粒。第二 分離器將Ca〇排放至變換反應器。 本發明之-目標係提供一不需要製氧裝置（〇xygen piant) 92714.doc 1261616 即可產製中度Btu合成氣之氣化器。 之另一目標亦係提供-比習知方法更有效地俘獲 度Btu合成氣過程中所產生之二氧化碳的氣化写。 3::::書將易瞭解對本發明之其它目標及優點。 、參照其中所有圖形中皆以相同數字代表相同部件的圖 式通#由數字10來表不根據本發明之一氣化器。該氣化 請包含化學處理循環及熱處理循環，在該等化學處理循 環中使基於躬之化合物循環以自空氣中提取氧且自經重整 之合成氣提取cow產製氫㈣，在該等熱處理循環中固體 微粒自放熱氧化反應傳送熱至吸熱還原反應。 如圖1所示，第一化學處理循環係硫化鈣/硫酸鈣 (CaS/CaS〇4)循環12。CaS/CaS〇4循環12中之處理設備包含 放熱氧化反應器14、一吸熱還原反應器丨6及一熱交換器 18。習知之官路、管道系統及物料傳輸裝置與匸以/(^§〇4 循環12之該等主要組件14、16、18互連，下文對其作更詳 細描述。沿路徑20、22穿過入口24、26將硫化鈣及熱空氣 I貝入氧化反應裔14中，其中在1600至2300 °F溫度下氧化CaS 以形成CaSCU ’在位置28處穿過出口 30將CaS04自氧化反應 為排出。在分離器3 1中自沿路徑22饋入循環12中的空氣之 廢氣組份（主要為NO分離CaS04。沿路徑28、90穿過入口 32、34將氧化反應器14中經由放熱反應加熱之(：心〇4以及較 佳呈煤形態之含碳燃料饋入還原反應器中。在1200至 2〇〇〇 F溫度下發生之吸熱反應中，煤自硫酸鈣脫氧以形成 927I4.doc 1261616 硫化鈣、富含一氧化碳（c〇)及Η:之合成氣。沿路徑％穿過 連接至分離器37之出口 38將CaS自還原反應器16排出，在該 分離态37中自合成氣分離CaS，將CaS排放至氧化反應器 之入口 24以完成循環12。可在還原反應器16内安置熱交換 單元39以產製蒸汽。 將沿路徑40添加至鍛燒爐42(下文對其作更詳細描述）的 石反酸弼（CaC〇3)之一部分（如同Ca〇)沿路徑44運送至第一化 學處理循環12以俘獲燃料結合硫（fuel b〇und sulfur)從而形 成CaSCU。沿路徑46自氧化反應器14或者還原反應器16排放 超過循裱需求之CaSCU以保持化學反應之質量平衡。為形成 CaSCU不斷需要俘獲燃料結合硫以使得再生用於第一化學 循環12之鈣化合物，從而保持高化學反應性。視質量流動 速率而定，CaS〇4之熱含量可足以保持放熱氧化反應器14 與吸熱還原反應器16間之熱平衡。若CaS〇4之質量流動速率 不足以保持熱平衡，則可使惰性鋁土礦（Al2〇3)顆粒沿路徑 28、36、20在氧化反應器14與還原反應器16之間循環以增 加傳熱介質之總質量。 熱父換為18包含：一具有合成氣及廢氣入口以及一空氣 出口之熱端48; —具有合成氣及廢氣出口以及一空氣入口 之冷端5 0 ;和安置於熱端及與冷端之間以界定合成氣入口 與出口間、廢氣入口與出口間以及空氣入口與出口間之流 動通這的傳熱材料。合成氣（C〇)入口連接至還原反應器16 之合成氣出口，廢氣入口連接至氧化反應器14之廢氣出 口’且空氣出口連接至氧化反應器14之空氣入口。藉由熱 92714.doc 14 1261616 父換裔1 8之傳熱材料將合成氣及廢氣之熱含量傳送至經輸 达至氧化反應器的空氣，從而增加氧化反應器14中放熱反 應之效率。 在第一化學處理循環丨2中，經輸送至煤的空氣中之氧含 Ϊ僅足以用於部分氧化。在此狀況下，最終產物係適合於 燃氣渦輪機組合循環的富含一氧化碳之無硫合成氣 (>300 Btu/ft3)。或者，當所供應之氧含量足以燃燒所有煤 時，該循琿4當一具有、純c〇2及蒸汽之最終產⑯的燃燒系 統。 第一化學處理循環係石灰/碳酸鈣（Ca0/CaC03)循環52。 CaO/CaC〇3循j辰中之處理設備包含一煅燒爐42及一水煤氣 又換反應杰54。習知之管道、管道系統及物料運輸裝置互 連孩等組件，下文對其作更詳細描述。沿路徑56、58、 牙過入口 62、64、66將蒸汽、石灰（Ca〇)及CaS/CaS〇4循環 12中所產製的富含c〇之合成氣饋入變換反應器w中，其中 合成乳之co與氣態Η"反應以產製Η:及c〇2。石灰俘獲 、在文尤、反應中形成CaC〇3，從而產生12〇〇-17〇〇卞之溫度 寺級。此熱可驅動進入之燃料及氣體白勺氣化反應且可產生 用於蒸汽渴輪機之高溫蒸汽，其如位置68示意展示。 〜路仅70、72穿過出口 74、7WCaCc^H2分別自變換 反應器54排出。在分離器77中接收H2，在此將_中夹帶 之任：細微顆粒移除並沿路徑79將其排放至變換反應器 54。合成氣排放線80中之壓縮機78將&加壓至足夠程度以 將仏注入燃氣渦輪機、燃料電池或其它使用氫之處理中。 927M.doc 1261616 將CaC〇3運輸至锻燒爐42以驅除叫氣體且使⑽再生，接 著沿路徑58將Ca0返回至變換反應器⑽俘獲更多c〇2，從 而完成循環仏藉由產扣叫來俘獲叫驅動二氧化碳、 水及燃料間之吸熱氣化反應以產製更大量之—氧化碳及氯 並（藉由產製蒸汽68)限制必須移除之熱量。藉由水煤氣變換 反應來產製氫 co+h2o ^C〇2+H2 且藉由以下反應來俘獲二氧化碳
Ca0 + C02^CaC03 當組合兩個化學處理循環12、52及熱處理循環82、83 ; 84 ^ 85時，形成煤至氫之化學處理88，其中由緞燒爐“產 衣遂原反應杰16所需要之以〇，由還原反應器“產製變換 反應态54所需要之富含c〇之合成氣，且由氧化反應器"產 製煅燒爐42所f要之熱量，下文對其似詳細描述。本文 所揭不的IU匕器1〇及用於產製氫之處理88比吹氧IGC(^ 理更有效’製氧裝置之寄生動力損耗、與水煤氣變換冷卻 相關之熱扣耗及與IGCC處理相關之低溫硫回收超出本氣 化器10中合成氣壓縮機78之需求。 /CaC03循環52中之锻燒爐42係自CaS/CaS〇4循環12 中之氧化反應為1 4接收其熱量的高溫吸熱反應器。在自氧 化反應為14傳熱至煅燒爐42的熱處理循環82、幻之第一實 施例（圖1)中，使呈诸如鋁土鑛（八丨2〇3)顆粒或吸附劑（Ca〇、 CaC〇3、CaS、CaSCU)顆粒之惰性顆粒形態的熱交換物質經 由互連&逼在氧化反應器14與煅燒爐42之間循環熱處理循 92714.doc -16- 1261616 锿82、83。鋁土礦、Ca0、CaS及CaS〇4在煅燒爐中是化學 惰性的且可自任一化學處理循環12、52之反應物分離，從 而容許熱量不依賴於化學活性物料之質量平衡而得到平 衡。可藉由沿路徑90穿過入口 3 4添加新鋁土礦顆粒至還原 反應器16來補充任何在氣化器1〇運作循環期間所損耗之鋁 土礦。 參照圖3及4,吸附劑（Ca0、CaC〇3、CaS、CaS〇4)顆粒及 煤（碳）顆粒係第二實施例氣化器1〇，之主要傳熱物質。可利 用鋁土礦顆粒來提供運作所需的但不由吸附劑及煤顆粒來 提供的任何傳熱物質。沿路徑92穿過一開口將氣化器ι〇，所 利用之原煤與石灰及蒸汽94、96—起饋人變換反應器54 中。產製CaC〇3之放熱反應所產生之高溫使煤失去揮發性 並部分脫碳，此導致沿路徑98、100穿過一對連接至還原反 應器16上一對入口 106、1〇8的出口 1〇2、1〇4將所得之呈"重 物’’及”輕物”形態的炭自變換反應器54排出。呈輕物形態之 CaC〇3顆粒亦自變換反應器54排出丨〇〇。在分離器丨1 〇中接收 輕物流’纟中自夾帶小顆粒之炭及碳酸每的氫中分離該等 物質。沿路徑m、114自分離器110排放輕物及氫，而將氣 利用管道傳送至變換反應器54之氫排放72且將輕物㈣原 反應器中之較大炭顆粒（即重物）接合。可沿路徑⑴將一 部分較小炭顆粒及caC〇3it人锻燒爐42以再生⑽並分離 c〇2。可在變換反應器54與壓縮機78之間安置—教交 115以產製蒸汽。 ' 在此實施例之熱處理循環84、85中，還原反應器16包 92714.doc 17 1261616 括三個部分：一炭氣化器丨丨6、一炭燃燒器丨丨8及一碳燃盡 單元120。如圖3所示’炭氣化器重物及輕物入口 ι〇6、 連接至變換反應器重物出口 102及分離器輕物出口 122，此 如上所描述。另外，炭氣化器11 6之氣體出口 i 24連接至變 換反應器54之一氣體入口 126,且炭氣化器U6之氣體入口 128及炭出口 130連接至炭燃燒器Π8之氣體出口 132及炭入 口 134。炭燃燒器118亦具有一連接至碳燃盡單元12〇之炭入 口 138的厌出口 136、一連接至碳燃盡單元120之氣體出口 141的氣體入口 139以及一連接至氧化反應器14之出口的 CaS〇4入口 140。碳燃盡單元120亦具有一連接至氧化反應器 14之入口的CaS/燃料出口 142,較佳具有一連接至氧化反應 器14之出口的CaS04入口 144且可能具有一空氣入口146。 如上所描述’氧化反應器14在放熱反應中產製cas〇4。此 反應中所產生之熱被CaSCU吸收並與CaS04—起運輸28至 遷原反應器1 6。較佳將一部分熱C a S Ο4流分成三個流，沿路 徑1 48將熱CaSCU之較小部分饋入碳燃盡單元12〇，並沿路徑 150、153將熱CaS〇4之較大部分饋入炭燃燒器118且當需要 時饋入炭氣化器116。熱CaSCU之熱及氧含量使得碳燃盡單 元1 2 0中所接收之厌脫碳、完成煤之脫碳且產製沿路徑1 $ 1 排放至炭燃燒器的富含C〇2之氣體及沿路徑1 52排放至氧化 反應器14的冷卻CaS。熱CaS〇4之熱及氧含量使炭燃燒写 118中所接收之炭部分脫碳，從而產製熱c〇2、c〇及h2〇。 剩餘炭沿路徑1 54排放至碳燃盡單元1 20且熱氣沿路徑1 56 排放至炭氣化器116。熱氣（以及當沿路徑153饋入炭氣化器 92714.doc 18 1261616 116日守的CaS〇4)之熱及氧含量使得炭氣化器ιΐ6中所接收之 炭部分脫碳，從而產製富含熱出及c〇之熱合成氣。剩餘炭 沿路徑158排放至炭燃燒器118且熱氣（包含任何剩餘熱c〇2 及熱H2〇)沿路徑160排放至變換反應器54。 應瞭解··具有逆流運動之煤固體及煤氣體之煤的分階段 氣化提供了最大化碳轉化/最小化未燃燒之碳並最大化h2 及CO氣體之產製的有效途徑，同時亦提供了將氧化反應器 所產生的熱旎既傳送至還原反應器1 6又傳送至變換反應器 54的有效途徑。進一步應瞭解··沿路徑16〇自炭氣化器ιι6 饋入k換反應裔54的熱氣會進一步加熱沿路徑7〇自變換反 應器54饋入烺燒爐42的CaC〇3，進而降低執行煅燒處理所 舄之熱此。若锻燒爐42需要額外熱輸入，則可沿路徑1 將熱CaSCU自氧化反應器14饋入變換反應器54。或者，可經 由k換反應器54使鋁土礦或其它惰性顆粒在氧化反應器j4 與煅燒爐42之間循環。 在另一貫施例中，煅燒爐42,可能包含一燃燒器丨66，其 中空氣及CaS經燃燒以產生用於煅燒爐42，（圖2)之額外熱。 煙迢氣中所夾帶之熱吸附劑顆粒沿路徑168自燃燒器166排 出並進入沈降室1 70，其中重熱固體沿路徑丨72自煙道氣脫 離且經由傾斜管道174輸出沈降室。煙道氣及所夾帶之輕物 沿路徑176排放至分離器178，其中自煙道氣分離細微顆 粒。藉由管道174將熱重固體連同冷CaC〇3&熱鋁土礦顆粒 (若其正被使用）一起饋入煅燒爐爐腔18〇。來自重固體及鋁 土礦顆粒之熱煅燒CaC〇3，從而產製ca〇及c〇2以用於後續 92714.doc -19- 1261616 使用或封存。 將熱重固體、C a C〇3及埶紹土碑里g』 … 廣顆粒引入煅燒爐爐腔1 80 之底部附近，釋放c〇2進而促使冷卻的重㈣、冷卻的結土 礦及CaC〇3/Ca〇沿路徑182向上。冷重固體及冷銘土礦在位 置m上溢出鍛燒爐爐腔i80之側面且沿路徑186藉由溢流 道（spiiiway)i88饋入燃燒器166。冷銘土礦沿路徑19〇返回至 氧化反應器14以進行加熱且在燃燒器166中進一步燃燒重 固體。C〇2中夾帶相對輕之⑽，、經组合之&〇及叫:路 徑192自烺燒爐爐腔180排放至自c〇2移除Ca〇的分離器 194。沿路徑196藉由過遽器198將一部分叫自#段燒爐爐腔 18〇移除，該過濾器198防止其中所夾帶之Ca〇亦被移除。 旁路官線202中之閥200控制流經旁路管線2〇2的c〇2之體積 流量，進而控制分離器194與旁路管線202間之c〇2流量分佈 且控制C〇2至分離器194之出口速率以防止在輸出之c〇2中 夾帶重固體。 為了保持上述化學處理循環之效率，必須保持該等化學 處理循環12、52中所利用的化學物品之吸附活性。如上所 卿述’在CaS/CaS〇4循環12中不斷俘獲燃料結合硫，從而需 要在位置46處不斷移除CaS〇4並在位置4〇處不斷添加
CaC03。自Ca0/CaC03循環52移除CaC03需要在位置94處不 斷添加CaO。在位置94處不斷補充CaO實質上地使氣化器1〇 中所使用之鈣化合物再生以保持高化學反應性。另外，藉 由化學處理循環12、52中所使用的削弱CaS04及CaC03殼之 退原反應及水合反應來增強化學物品之吸附活性。煅燒爐 92714.doc -20- 1261616 42所產製之Ca〇穿過會機械地破壞顆粒的活化器2⑽，從而 曝露額外表面。活化器204包含一喷射器（educt〇r)，其中一 邛刀Ca〇々,L夾帶在氣流中且藉此加速。使所夾帶之c⑷撞擊 活化器204之表面，此撞擊會機械地擊碎該等顆粒，此（若 必須）由蒸汽或水之水合作用206來協助。 儘官已展示並描述較佳實施例，但是在不脫離本發明之 精神及範疇的情況下，可對其作出各種修改及替換。因此， 應瞭解已對本發明所作之描述係為了說明之目的而非限制 之目的。 【圖式簡單說明】 圖Η系根據本發明之具有C〇2移除及氫產製之氣化器的第 一實施例之簡化示意圖； 圖2係圖1之煅燒爐之簡化示意圖； 圖3係根據本發明之具有C〇2移除及氫產製之氣化器的第 二實施例之簡化示意圖； 圖4係圖3之燃料流徑之示意圖。 【主要元件符號說明】 氣化器 第一化學處理循環 放熱氧化反應器 吸熱還原反應器 熱交換器 路徑 10，10, 12 14 16 18 20，22，28，36，40， 44 ， 56 ， 58 ， 60 ， 70 ， 92714.doc 1261616 79 ， 90 ， 92 ， 98 ， 100 ， 112, 113，1 14, 148, 150， 151，152，153，154， 156，158，160，162， 168，172，176，182， 186 ， 190 ， 192 ， 196 24 ， 26 ， 32 ， 34 ， 62 ， 64，66 30 ， 38 ， 74 ， 76 ， 104 31，37，77，110，178， 194 39 ， 115 42，42’ 48 50 52 54 68 72 78 80 82 ， 83 ， 84 ， 85 88 94 ， 96 ， 184 路徑 入口 出口 分離器 熱交換單元 緞燒爐 熱端 冷端 第二化學處理循環 水煤氣變換反應器 產製蒸汽 路徑/氮排放 壓縮機 合成氣排放線 熱處理循環 煤至氫之化學處理 位置 92714.doc -22- 1261616 102 變換反應器重物出口 106 炭氣化器重物入口 108 炭氣化器輕物入口 116 炭氣化器 118 炭燃燒器 120 碳燃盡單元 122 分離器輕物出口 124， 132 ， 141 氣體出口 126， 128 ， 139 氣體入口 130， 136 炭出口 134， 138 炭入口 140， 144 CaS04 入口 142 CaS/燃料出口 146 空氣入口 166 燃燒器 170 沈降室 174 傾斜管道 180 鍛燒爐爐腔 188 溢流道 198 過濾器 200 閥 202 旁路管線 204 活化器 206 水合作用 92714.doc -23 -

Claims (1)

  1. 126热證I54%號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(95年4月） 十、申請專利範圍： 一種用於自一碳質燃料產製一氣體產物之氣化器，其包 括： 一第一化學處理循環，其包含： 一具有一 CaS入口、一熱空氣入口及一 caS04/廢氣出 口之放熱氧化反應器；及 一吸熱還原反應器，其具有一與該氧化反應器 CaSCU/廢氣出口形成流體連通之CaS〇4入口、一與該 氧化反應器CaS入口形成流體連通之CaS/合成氣出 口及一適合於接收該碳質燃料之物料入口；及 一第二化學處理循環，其包含： 一水煤氣變換反應器，其具有一與該還原反應器 CaS/合成氣出口形成流體連通之合成氣入口、一 Ca0 入口、一適合於接收氣態H2〇之蒸汽入口及一CaC03 出口；及 一煅燒爐’其具有一與該變換反應器CaC03出口形成 流體連通之CaC03入口及一與該變換反應器CaO入 口形成流體連通之CaO出口； 其中在該氧化反應器中利用空氣氧化CaS以形成排放 至該還原反應器之熱CaS〇4，該還原反應器中所接收之熱 CaS〇4及碳質燃料利用該CaS〇4之熱含量經受一吸熱反 應，該碳質燃料自該CaS04脫氧以形成CaS及該合成氣， 將該CaS排放至該氧化反應器且將該合成氣排放至該變 換反應器，該合成氣之C0與該氣態HW反應以產製出及 92714-950428.doc 1261616 C〇2，該CaO將該C〇2俘獲以在一放熱反應中形成熱 CaC03，將該熱CaC03排放至該锻燒爐，在該锻燒爐中於 及熱反應中利用该CaC〇3之熱含量使該c〇2脫離該 CaO ’且將該CaO自該锻燒爐排放至該變換反應器。 2· 一種用於自一碳質燃料產製一氣體產物之氣化器，其包 括： 一第一化學處理循環，其包括： 一具有一 CaS入口、一熱空氣入口及一 CaS04/廢氣出 口之放熱氧化反應器；及 一吸熱還原反應器’其具有一與該氧化反應器 CaS〇4/廢氣出口形成流體連通之CaS〇4入口、一與該 氧化反應器CaS入口形成流體連通之CaS/合成氣出 口及一適合於接收該碳質燃料之物料入口；及 一弟'一化學處理循環’其包括： 一水煤氣變換反應器，其具有一與該還原反應器 CaS/合成氣出口形成流體連通之合成氣入口、一 Ca〇 入口、一適合於接收該碳質燃料之燃料入口、一適 合於接收氣態Ηβ之蒸汽入口及一與該還原反應器 物料入口形成流體連通之微粒出口；及 一也燒爐’其具有一與該變換反應器微粒出口形成 流體連通之CaC〇3入口及一與該變換反應器ca〇入 口形成流體連通之CaO出口； 其中’在該氧化反應器中利用空氣氧化CaS以形成排放 至該還原反應的熱CaS〇4，該還原反應器中所接收之熱 92714-950428.doc 1261616 CaSCU及碳質燃料藉由利用該Cas〇4之熱含量經受一吸熱 反應，該碳質燃料自該Cas〇4脫氧以形成CaS及該合成 氣，將該CaS排放至該氧化反應器，且將該合成氣排放至 該變換反應器，該合成氣之該co及該碳質燃料與該氣態 HbO反應以產製&、C〇2及經部分脫碳之熱碳質微粒，該 CaO將該C〇2俘獲以在一放熱反應中形成熱CaC〇3，將該 等熱碳質微粒排放至該還原反應器，將該熱CaC〇3排放至 該锻燒爐，在該煅燒爐中使用該Cac〇3之熱含量以於一吸 熱反應中使遠C〇2脫離該CaO，且將該CaO自該锻燒爐排 放至該變換反應器。 3· 一種在氣化器中自一碳質燃料產製一氣體產物之方法， 該方法包括： 在一第一化學處理循環中： 在一放熱氧化反應器中在經加熱空氣中氧化CaS以 形成熱CaS04及廢氣； 分離該熱CaS04及該廢氣； 提供該熱CaSCU及碳質燃料至吸熱還原反應器中，其 中δ亥熱CaS〇4及该石厌質燃料利用cas〇4之熱含量經受 一吸熱反應以形成CaS及一氣體產物； 分離該熱CaS及該氣體產物； 提供該CaS至該氧化反應器以用於氧化反應中；在一 再生熱父換益中利用廢氣之熱含量加熱空氣以產製 經加熱空氣；及 提供自该再生熱父換器之經加熱空氣至該氧化反應 92714-950428.doc 1261616 器以用於氧化反應中。 4·如請求項3之方法，其中該氣體產物係C02，且該方法進 一步包括： 在一熱交換單元中利用該熱CaS04之熱含量將水加熱以 產製一蒸汽流。 、如請求項3之方法，其中該氣體產物之熱含量係用於在該 再生熱交換器中加熱空氣。 6·如請求項3之方法，其進一步包括： 在分離該熱CaS04及該廢氣後，排放至少一些該熱CaS04。 7·如請求項3之方法，其中該氣體產物係富含CO之合成氣， 且邊方法進一步包括： 在一第二化學處理循環中： 4 一水煤氣變換反應器中將該合成氣之該C0與氣態 H2〇反應以產製h2及co2 ; 在該變換反應器中以CaO在一放熱反應中將該C〇2俘獲 以形成熱CaC03 ; 在一煅燒爐中使用該CaC03之熱含量將該熱CaC03煅 燒以產製C02及CaO ;及 提供自該煅燒爐之該CaO至該變換反應器以用於俘獲 該 C〇2。 8·如請求項7之方法，進一步包括： 在一熱交換單元中利用該熱CaC03之熱含量將水加熱以 產製一蒸汽流。 9·如請求項7之方法，進一步包括： 927l4-950428.doc 1261616 將產製自該變換反應器之H2壓縮。 ίο. 11. 12, 13. 14. 15. 16. 17. 如請求項7之方法，進一步包括·· 提ί、些自5亥锻燒爐之CaO至該還原反應器。 如請求項7之方法，進一步包括·· 在該煅燒爐及該氧化反應器之間循環一微粒傳熱材料。 如請求項7之方法，其中一碳質燃料係用於在該變換反應 為中之該co與氣態Ηβ的反應中以產製112及(：〇2;及其中 該方法進一步包括： 將產製自該變換反應器中之該反應中的熱碳質微粒提供 至該還原反應器。 如請求項12之方法，其中自該變換反應器中之該等熱碳 質微粒包括重微粒及輕微粒，且該方法進一步包括： 將該等重微粒提供至該還原反應器；及 在將該等輕微粒提供至該還原反應器之前，將該等輕微 粒自H2分離。 如請求項13之方法，其中使用該&之熱含量進行該再生 熱父換器中之該加熱。 如請求項14之方法，進一步包括： 在於該再生熱交換器中使用該H2之後，將該％壓縮。 如請求項14之方法，進一步包括： 使用該Η?之熱含量在一熱交換單元中將水加熱以產繁— 蒸汽流。 如請求項13之方法，其中該還原反應器包含： 一與該變換反應器形成流體連通之炭氣化器； 92714-950428.doc 1261616 一與該炭氣化器形成流體連通之炭燃燒器；及 一與該炭燃燒器及該氧化反應器形成流體連通之碳燃 盡率元；且該方法進一步包含： 在各該炭氣化器、該炭燃燒器及該碳燃盡單元中使用 該熱CaSCU將自該變換反應器之該碳質燃料至少部分 地脫碳’其中將自該碳燃盡單元之氣體提供至該炭燃 燒器，將自該炭燃燒器之氣體提供至該炭氣化器，真 將自該炭氣化器之氣體提供至該變換反應器。 1 8 ·如請求項1 7之方法，進一步包含·· 將自A再生熱父換器之經加熱氣體提供至該碳燃盡單 元。 1 9·如請求項7之方法，其中該煅燒爐包含： 一煅燒爐爐腔；及 一與該煅燒爐爐腔形成流體連通之燃燒器，該方法進 一步包含： 在《亥燃燒态中燃燒空氣及CaS以產製熱吸附劑顆粒，及 將該等吸附劑顆粒自該燃燒器提供至該煅燒爐爐腔， 該等吸附劑顆粒之該熱含量係用於在該煅燒爐爐腔中煅 燒該CaC〇3。 20.如請求項19之方法，其中該煅燒爐進一步包含： 一安置於該燃燒器與該煅燒爐爐腔中間之沈降室；及 一與該沈降室形成流體連通之第一分離器； 其中，一自該燃燒器排放之煙道氣中所夾帶之該等熱 吸附劑顆粒進入該沈降室，其中熱重吸附劑顆粒自該煙 92714-950428.doc 1261616 道氣脫離並進入該煅燒爐，且將該煙道氣及所夾帶之輕 吸附劑顆粒排放至該第一分離器，在該第一分離器中自 該煙道氣分離該等細微吸附劑顆粒。 2 1 ·如請求項20之方法，其中該煅燒爐進一步包含： 一安置於該沈降室與該煅燒爐爐腔中間之傾斜管道；及 一安置於該煅燒爐爐腔與該燃燒器中間之溢流道； 其中’ 5玄專熱重吸附劑顆粒藉由該管道自該沈降室饋 入该烺燒爐爐腔’且該等冷重吸附劑顆粒藉由該溢流道 饋入該燃燒器。 22.如請求項2 1之方法，其中該煅燒爐進一步包含·· 一與該煅燒爐爐腔及該變換反應器形成流體連通之第 二分離器； 一具有一包含一過濾器之第一端的旁路管線，該第一 端與該鍛燒爐爐腔形成流體連通；及 女置於自亥旁路管線内之旁路閥； 其中，將藉由煅燒該CaC〇3所產製之該Ca〇及該c〇2自 該煅燒爐爐腔排放至該第二分離器，且將藉由煅燒該 3所產製之C02藉由邊旁路管線排出，該旁路闊控制 該分離器與該旁路管線間之co2流量分佈且進而限制叫 至該分離器之輸出速率從而防止該輸出之C02中夾帶重 吸附劑顆粒’該分離器排放該㈤至該變換反應器。 23·如睛求項1 7之方法，進一步包括： 夾帶-部分自該炮燒爐之該Ca0於—氣流中，及 引導該⑽至該撞擊面而機械地擊碎該等㈤顆粒。 92714-950428.doc 1261616 24·如請求項23之方法，進一步包括： 提供H20以協助機械地擊碎該等CaO顆粒。 92714-950428.doc
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