TWI601813B - 用於部分氧化含碳燃料之化學迴圈程序 - Google Patents

用於部分氧化含碳燃料之化學迴圈程序 Download PDF

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TWI601813B
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巴塔夫 薩卡迪金
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Description

用於部分氧化含碳燃料之化學迴圈程序
本發明是有關可用於將含碳燃料轉化成包含CO作為主要含C產物之輸出氣體流之程序、系統及設備。
化學迴圈程序係經設計以將貯存於含碳燃料中之能量傳送至金屬氧化物粒子,然後該等粒子在獨立的反應中將該能量釋出。在過去數十年來用於產生動力之化學迴圈燃燒程序已成長,因為所得之二氧化碳(CO2)可被隔離而無需空氣分離單元(ASU)。
利用多種不同系統設計及流動管控(例如移動型床、流化床及氣泡床)之化學迴圈程序已經設計以將甲烷(CH4)轉化成CO2
在美國專利7,767,191及美國專利公告2009/0000194中描述一種移動型填充床反應器,其中固態燃料諸如煤係在該移動型填充床反應器之中點被導入以建立逆流流動形態(向上流動之氣體、向下流動之粒子), 其基本上允許含碳燃料完全轉化成易於隔離的CO2及水(H2O)。金屬氧化物諸如氧化鐵(III)(Fe2O3)將煤氧化,其為一種將該金屬氧化物還原成較低氧化態(例如FeO)或甚至是金屬原子(Fe)。經還原之含鐵粒子在獨立的反應器中(利用填充或流化床反應器)被氧化,此完全再生該原初之金屬氧化物且產生明顯量之熱而可用以製造用於動力之蒸汽。
Western Kentucky University之研究人員已發展一種化學迴圈程序,其利用移動型床及氣泡流化床(BFB)之組合以完全氧化固態燃料諸如煤。
化學迴圈氣化方法係經設計以除了製造CO2還製造氫氣(H2)。例如,Instituto de Carboquímica之研究人員已描述一種氣化程序,其中利用在流化床中之氧化鎳粒子以將CH4和H2O轉化成合成氣(其為H2及一氧化碳(CO)之混合物)以作為主要產物。該燃料流包括H2O,因為H2之製造是該設備及程序之標的輸出產物。
可將含碳燃料(尤其是固體諸如煤)轉化成氣態輸出物的化學迴圈程序(其中CO2並非該主要之含碳產物且不須包括ASU)仍具有明顯的商業利益。
本文中所述之程序、系統及設備可用於將含碳燃料轉化成CO以作為該燃料轉化程序之主要含碳產物。有利地,ASU不需被包括在該等程序、系統及設備 中。
在一些具體例中,該等方法及系統可在獨立的步驟或反應中製造H2,且該H2可與來自該燃料轉化程序之CO混合以提供合成氣,使用費托氏法(Fischer-Tropsch(F-T)process),該合成氣轉而可用於製造有機流體(例如燃料及化學品)。
可調整該等程序及系統以避免製造明顯量之CO2且至少在一些具體例中可利用CO2以在燃料轉化步驟中促進CO之製造。
一方面,提供一種化學迴圈程序,其中含碳燃料之部分氧化產生CO作為主要轉化產物。此轉化可在金屬氧化物粒子存在下進行,該等金屬氧化物粒子轉而在另一槽內被再生(氧化)之後可返回該燃料轉化槽。該轉化較佳在該含碳燃料和該金屬氧化物粒子在相同方向上移動(亦即同向流形態)時發生。
藉由該高放熱再生步驟所產生之熱可傳至該進行該吸熱之燃料轉化步驟的槽。此種熱傳可經由粒子移動、反應槽之合適放置(亦即在附近)及循環熱傳流體之任一或多者進行。
也可採用前述程序之再生部分以產生H2。在此方案中,整個化學迴圈程序之二項主要產物是合成氣之主要成份,這使該程序能被多種其他合成及/或動力產生程序所採用且與彼等整合。
在本文中所述之化學迴圈部分氧化系統及程 序產生主要的反應產物,彼等本身在其他程序中是有用的。這些差異及所得之優點藉由引用先前可行的化學迴圈燃燒及氣化系統的簡要描述及在說明用具體例之圖及描述彼等之正文中所陳述之本發明的系統及程序的詳細描述來更完全地被描述且更易被了解。
該揭示之這些及其他非限制方面在下文中更特別地被描述。
除非周圍之文字清楚指明相反的意圖,否則在本文中與氣流、輸入物或產物關聯之以百分比形式所給予的任何值是體積%(v/v),而所有其他以百分比形式所給予的值是重量百分比(w/w)。並且,該"~"符號當與一數目關聯使用時具有藉由該上下文所示之意義且包括該數目本身和至少與所討論之該特定數量之測量普遍有關之誤差度。
任何特別引用之專利及/或經公告之專利申請案之相關部分藉由引用被併入本文中。
10、20‧‧‧化學迴圈燃燒系統
11‧‧‧燃料轉化反應器
12‧‧‧粒子再生單元
13‧‧‧H2產生單元
14‧‧‧F-T程序反應器
15‧‧‧水煤氣轉化(WGS)反應器
16‧‧‧氣體分離單元
17‧‧‧CO2氫化反應器
18‧‧‧氣渦輪機
19‧‧‧蒸汽渦輪機
30、40‧‧‧化學迴圈部分氧化系統
50、70、80‧‧‧有機流體產生系統
60‧‧‧H2產生系統
90、100、110‧‧‧動力產生系統
圖1是該先前技藝之化學迴圈燃燒系統的概圖。
圖2是利用多步驟程序以將經還原之金屬氧化物粒子再氧化的先前技藝之化學迴圈燃燒系統的概圖。
圖3是依照本發明之合適地產生少量CO2的化學迴圈部分氧化系統之一具體例的概圖。
圖4是利用多步驟程序以將經還原之金屬氧化物粒子再氧化之依照本發明之化學迴圈部分氧化系統之一具體例的概圖。
圖5是一種經由與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之F-T程序提供有機流體之系統的概圖。
圖6a是一種經由與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之水煤氣轉化(WGS)程序提供H2之系統的概圖。
圖6b是一種經由與化學迴圈部分氧化系統之具體例(其中利用天然氣(甲烷)作為燃料)整合之WGS程序提供H2之系統的概圖。
圖7是一種經由與WGS和化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之F-T程序提供有機流體之系統的概圖。
圖8是一種經由與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之WGS和CO2氫化程序提供有機流體之系統的概圖。
圖9是與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之包含氣渦輪機及蒸汽渦輪機的動力產生系統的概圖。
圖10是與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之動力及H2產生系統的概圖。
圖11是與化學迴圈部分氧化系統之具體例整合之燃料電池的概圖。
圖12a是在不同氧化態之鐵的存在下CO/CO2 之分壓平衡曲線的作圖。
圖12b是在不同氧化態之鐵的存在下H2/H2O之分壓平衡曲線的作圖。
可以藉由引用所附之圖更完全了解本文所揭示之程序及設備,該等圖概略表示現有技藝及/或本發展且因此無意指明組合件及其組件之尺寸和維度。在那些圖及以下描述中,類似之編號指出具有類似功能的組件。為清楚之故,在該描述中使用,特定用語,但這些用語意圖僅指出在該等圖中用於說明所選之具體例的特別結構,且無意定義或限制本揭示之範圍。
圖1概略說明先前技藝之化學迴圈燃燒系統。與直接燃燒系統(其中用於燃燒所需之氧係以氣態O2形式(純淨或作為空氣之一成分)被提供)不同的,化學迴圈燃燒系統10在燃料轉化反應器11中利用金屬氧化物顆粒以將氧原子傳至該可藉由式CxHyXz表示之含碳燃料,其中x是正整數,y≦2x+2,z是0或正數,且X表示C及H以外之一或多種隨意的元素(例如O、S、Hg等)。該燃料可以是或可以包括固體、液體或氣體,其非限制性實例包括煤、原油或其精煉產物、富油之固體諸如頁岩或油砂、生質、富烴氣體(例如天然氣)、CO、石油焦(petcoke)、來自燃料電池之廢氣及類似者。固態或液態燃料隨意地可在藉由該經金屬氧化物傳送之氧來氧化 之前被氣化。(在圖1及接續之圖中之燃料轉化反應器11的燃料進入點無意受限於所示之位置。該等概圖僅是意圖顯示輸入及輸出,無需與位置相關,除非所附之文另外指明。)
燃料轉化反應器11可以是多種設計之任一者,彼等之非限制性實例包括移動型或固定型床反應器、一或多種流化床反應器、旋轉窯及類似者,彼等皆由可耐受~1000℃至~1500℃之操作溫度之材料所構成的,且較佳例如藉由加上耐火襯裡以經設計且構成以使熱損失最小化。燃料轉化反應器11一般是在~600℃至~1200℃之溫度及~0.1至~20MPa之壓力下操作。在燃料轉化反應器11中之滯留時間變化極大,例如~0.1至~20小時,普遍是~0.2至~10小時且一般是~0.3至~5小時。
移動型床反應器一般利用向下移動之密集填充的固態金屬氧化物粒子,同時燃料及產物氣體向上移動,亦即逆流接觸形態。上述美國專利7,767,191及美國專利公告2009/0000194藉由在接近燃料轉化反應器11之頂部導入金屬氧化物粒子同時在彼之稍微下游導入固態燃料(諸如粉碎之煤)而改良此種流動形態。(在此並在本文件之餘者全部中,用語"下游"及"上游"是指基於金屬氧化物粒子之整體移動之空間關係,無需基於相對位置或高度。)該燃料快速除揮發(de-volatilize)且形成焦炭,該焦炭與向下流動之金屬氧化物粒子反應,此反應可藉由在接近該移動形床底部導入少量H2以形成可與焦炭反應 且藉此將焦炭氣化之H2O而得以加強。(經由逆布多阿爾(Boudouard)反應,在接近該移動型床底部導入少量CO2可進一步加強焦炭氣化。)大量完全氧化之金屬氧化物粒子的可用性允許烴完全或接近完全地轉化成CO2和H2O。藉由該含碳燃料所產生之氣體係在大體上與該金屬氧化物粒子流動相反之方向上流動。
熱的經完全氧化的金屬氧化物(MOs,其中s代表M之高氧化態)粒子在彼等與該燃料反應(燃燒)以產生普通之燃燒產物(主要是CO2和H2O)時被還原。較冷的經還原的金屬氧化物(MOr,其中r代表M之較低氧化態,亦即r<s)粒子被傳送至粒子再生單元12,其中彼經再氧化。雖然在圖1及其他圖中顯示空氣作為氧化劑,可以使用任何含有顯著量之O2(例如至少~1體積%,普遍是至少~5體積%,且一般是至少~10體積%)的氣體。空氣之分階導入粒子再生單元12可有助於控制所釋出之熱,而可有助於將該等粒子溫度維持在保持反應性及機械完整性的範圍內。
經還原之金屬氧化物粒子的氧化是高度放熱的,而粒子再生單元12一般是在~1000℃至~1500℃之溫度及~0.1至~20MPa之壓力下操作。MOr粒子在比MOs粒子進入燃料轉化反應器11時之溫度冷至多數百℃之下進入粒子再生單元12。雖然未在圖1中顯示,藉由在粒子再生單元12內所發生之該高度放熱之氧化程序所產生之熱可用於產生蒸汽。
粒子再生單元12可為升槽(lift vessel)型式,而MOr粒子在接近底部進入且空氣在接近底部及/或上升側部分進入。粒子再生單元12可以是具有耐火襯裡或可具有薄膜壁結構的,而後者提供另外之蒸汽產生的機會。
在系統10及下述之其他系統中,該金屬氧化物粒子可經由氣動式輸送機、帶式輸送機、桶升降機、螺旋輸送機、移動型床、流化床反應器及類似者輸送過整個系統。
在某些具體例中,經再生的MOs粒子經多次循環後並不降解且保持接近全部之其功能性/活性。
上述美國專利7,767,191宣稱:藉由在多孔複合材料中含有該金屬氧化物,達成較高之能量轉化效率,亦即一種在增加用於進行氧化還原反應之表面積且增強該等粒子在多次循環後仍存留活性的能力上的改良。該多孔複合材料可以是丸形、具有~2至~25奈米孔尺寸之中孔基質形或具有~0.05至~50毫米平均直徑之粒子形。該複合材料之陶瓷材料可以是Al、Ti、Zr、Y、Si、La、Ba或Sr之氧化物或Si、Ti或Fe之碳化物;該金屬氧化之金屬是過渡金屬諸如Fe、Cu、Ni、Sn、Co、V、Ru、Zn、Mn或Mo;且隨意之促進劑或觸媒可以是Fe、Cu、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Sr、Ba、B、P、Ni、Sn、Co、V、Zn、Ga、Rh、Mo、Pt、Pd、Ag、Ru、Cr、Mn或Ca或彼等之氧化物或硫化物。可能有用之複合材料 的非限制性實例包括在TiO2、TiO2與Al2O3之混合物或經Y穩定化之Zr上所載之Fe2O3
在化學迴圈燃燒系統10中所進行之總反應類似於在更標準之直接燃燒程序中所包含者,亦即烴及O2被轉化成CO2和H2O。然而,與藉由直接燃燒程序所製造之CO2不同的,在燃料轉化反應器11中所製造之CO2是濃縮的(至少~90%純度)且因此遠較為容易隔離。將燃料轉化反應器11加壓可促進隔離該CO2產物的程序。
圖2概略說明第二先前技藝之化學迴圈燃燒系統。除了在圖1之燃燒系統10中所用之組件之外,化學迴圈燃燒系統20在燃料轉化反應器11與粒子再生單元12之間設置H2產生單元13。因此,化學迴圈燃燒系統20除了在圖1之化學迴圈燃燒系統10所獲得之主要產物(CO2和H2O)之外還製造H2
產生單元13一般是在~400℃至~1200℃之溫度及~0.1至~15MPa之壓力下操作。
在圖2所說明之系統及程序中,顆粒狀MOs(其中s再次示M之高氧化態)在彼氧化該燃料以製造CO2和H2O時被還原成MOq(其中q再次示M之低氧化態)。該經還原之MOq粒子在經輸送至粒子再生單元12(其中該等粒子完全氧化成該s氧化態)之前,於H2產生單元13中將H2O還原成H2之期間,係經部分氧化成MOr態(其中r示M的氧化態,其比s低但比q高,亦即q<r<s)。
因為在H2為所需產物之另外的步驟中,具有多於2個一般氧化態之金屬(例如Fe)必須在此類型之系統中被使用。使用鐵作為代表的金屬,MOs可以是Fe2O3(Fe處於+3氧化態),MOq可以是FeO或Fe(Fe分別處於+2或0氧化態),且MOr可以是Fe3O4(Fe處於+2/+3氧化態)。圖12a及12b說明分別在CO/CO2及H2/H2O之存在下對於鐵之不同氧化態的分壓平衡曲線。
在圖3中之化學迴圈部分氧化系統30利用在燃料轉化反應器11中之金屬氧化物顆粒以氧化上述類型之含碳燃料(一般是含碳固體),但CO較佳不作為燃料,因為CO是所要的產物。有利地,該含碳燃料可以是一或多種類型之經粉碎的煤。以上關聯化學迴圈燃燒系統10所述之該等類型的金屬氧化物粒子、設備及很多條件在此也是適用的。
燃料轉化反應器11可包含單一反應器床或反應器床之堆疊體,例如包括多個區之設計。只要該金屬氧化物粒子及燃料係以建立大體上同向流之流動形態或管控而有助於防止金屬氧化物粒子燃燒(完全氧化)該燃料的方式被導入,則形狀及設備並不特別嚴苛。經完全氧化之金屬氧化物(MOs)粒子及燃料可一同被導入或該燃料可在與MOs粒子導入點相距不遠之下游被導入(反之亦然),在此情況中,金屬氧化物之總流動一般是垂直的,亦即頂部至底部。同向流之流動也可藉由流化床或氣泡床來模擬,其中金屬氧化物粒子和燃料二者之流動在每一區 中雖為紊流(非線性),但在彼以基本同向流方式逐區移動時可彼此伴同在相同方向上。
如以上所註明的,化學迴圈部分氧化系統30是要製造盡可能多的CO以及盡可能少的CO2。換言之,意圖使在化學迴圈部分氧化系統30中之燃料轉化反應器11的主要含C產物為CO。"主要"是指所有含至少一個C原子之氣態燃燒產物的至少50%,普遍至少55%,更普遍至少60%,一般至少65%,且較佳~70%。
再次引用圖12a(其中處於多種氧化態之鐵構成該金屬氧化物粒子之M),在~1100℃進行該燃料轉化反應(其關聯於在該溫度或較佳地甚至有點較高之溫度下將MOs粒子導至該燃料轉化反應器11)獲得~70%之CO及~30%之CO2的產物混合物。很多金屬具有不允許此種高比率的平衡曲線,雖然一些金屬(諸如Co)可允許更高之比率,例如至高~85%、~90%或~95%之CO。
在化學迴圈部分氧化系統30之燃料轉化反應器11中所發生之氧化程序包含烴和O2轉化成CO和H2O。(在圖3中省略H2O副產物以強調CO是主要之所要產物。)此反應可藉由使用一或多種強化劑氣體(亦即經設計以加速燃料與該MOs粒子之反應的氣體)而得促進。非限制之可能有用的強化劑氣體包括CO2、H2O(亦即蒸汽)、CO及H2。強化劑氣體在燃料轉化反應器11之極上游部分,一般在或接近燃料導入點上被導入或當燃料轉化反應器11正以流化床條件操作時在彼之極下游部 分導入。
特別在該燃料是固體諸如經粉碎之煤的情況中,特別令人感興趣的強化劑氣體是CO2,因為彼有參與布多阿爾反應的能力,C+CO2 → 2CO
(此反應之可逆性被省略,因為在此所示之方向在燃料轉化反應器11中的溫度下是佔優勢的。)
在燃料轉化反應器11之上游部分,經由布多阿爾反應所製造之一些至基本上全部的CO是可用於與該MOs粒子反應且製造更多之CO2且因此建立連鎖反應。
在燃料轉化反應器11之極上游部分,固態C轉化成氣態CO是有利的,因為總反應效率(亦即烴轉化成CO)明顯增加。特別地,固體-固體反應是以慢著稱,需要該二種粒子長時間的真實接觸,但氣體-固體反應之動力相較上是甚佳的。
因為在燃料轉化反應器11之上游部分的MOs粒子係藉由CO轉化成CO2而部分地還原,[CO]:[CO2]之最大可能比率增加,亦即再次引用圖12a,建立不同的平衡曲線。
藉由部分氧化系統30所製造之CO可被捕獲或在某些具體例中以如下所述之一或多種方式在現場上被使用。在該燃料中所含之微量元素(例如Hg、As、Se、S及類似者)可能不與該金屬氧化物粒子反應,且若是如此,則可能需要由該氣態輸出物(其中想要特別純的CO 流)移除。一般技術人員可推想很多類型的洗滌、分離、吸收及清潔單元及此等單元如何能被合併(或被採用以合併)於部分氧化系統30中。
經還原之MOr粒子(其中r和s具有與稍早之圖1的描述相關者相同的意義)被輸送至粒子再生單元12以再氧化成MOs粒子。在一些具體例中,MOr粒子可在快速流化床(相當於再生單元12)中再生且返回燃料轉化器11以供另一循環之用。藉由再生單元12中進行之反應所產生之能量較佳被導至燃料轉化反應器11以支持在該處所主導之放熱反應。
圖4概略說明依照本發明之化學迴圈部分氧化系統,其包括也製造H2之能力。與圖2中所示之先前技藝系統類似的,化學迴圈部分氧化系統40利用在燃料轉化反應器11中之金屬氧化物顆粒以氧化含碳燃料(較佳是固體諸如經粉碎之煤),H2產生單元13及粒子再生單元12。與圖2中之先前技藝系統類似的,化學迴圈部分氧化系統40包含在燃料燃燒期間將顆粒MOs還原成該MOq態及在H2產生單元13中於H2O還原成H2之期間將該MOq態部分氧化成該MOr態;MOs金屬氧化物粒子在被輸送回燃料轉化反應器11之前在粒子再生單元12中被形成。
由燃料轉化反應器11所放出之MOq粒子可被導入(一般是直接地)H2產生單元13,同時在接近單元13之底部所導入之蒸汽將移動中之MOq粒子氧化且形成 H2,H2由單元13之接近頂部處放出。在該H2中所存在之任何蒸汽可經由例如冷凝來分離。並且,若想要,可將至少一些該H2再循環以供用於燃料轉化反應器11或導至其他地方。
雖然直接MOs形成在產生單元13中是可能的,更普遍之結果是中間物(部分氧化的)MOr型。在此情況中,將該MOr粒子輸送至粒子再生單元12,其中經完全氧化之MOs粒子可藉由利用多種氧化劑之任一者(一般是空氣)氧化以被形成。
在化學迴圈部分氧化系統40中,將烴及O2轉化成CO及H2,此與產生CO2之圖2的系統20不同。因此,此程序獲得二種有用之產物(CO及H2),彼等可被捕獲以供稍後使用或更普遍地以下述之一或多種方式立即被使用。
圖5-11以多種設定方式說明上述之化學迴圈部分氧化系統。這些是要表達本發明之系統在用於現存之系統及設備中或與彼等一同使用之適用性,也給希望設計經整合之合成或製造系統的一般技術人員一些例示的具體例。
圖5概略表示一種整合之有機流體產生系統,其中在該合成中所用之合成氣之主要成分的每一者係由化學迴圈部分氧化系統諸如與圖4相關描述者提供。"有機流體"一詞是要包括氣態及液態烴,其可作為某些一般之石油精煉產物(亦即燃料及相對(較)短鏈化學品) 的替代品,且包括但不限於汽油及柴油。經由在單一系統中產生及結合合成氣之諸成分的能力,容易推想龐大之成本及處理優點。例如,藉由有機流體產生系統50所製造之合成氣的烴對碳比率可以用一種不可能發生在其他化學迴圈系統的方式來調節,亦即藉由改變在單元13中所製造之H2的量,此為在可藉由F-T程序反應器14所製造之有機流體範圍內提供適應性的特徵。
有機流體產生系統50具有部分氧化系統,其類似於與整合F-T程序反應器14之圖4相關所描述者。其中所用之F-T程序及設備對一般技術人員是熟悉的,故在此不提供完整的描述;供另外的資訊,可將有興趣之讀者導引至多種來源(包括美國專利1,746,464和引證前者之專利以及Emerging Fuels Technology(提出時位於費-托組織內)所擁有之Fisch-Tropsch Archive之網址或可得之印刷品。
為防止在F-T程序反應器14中所用之類型的觸媒鈍化,燃料轉化反應器11之CO燃燒產物所伴隨之酸性氣體較佳在彼到達反應器14之前被洗滌或者由該流移除。
圖6a及6b(其中後者是前者所說明之較廣種類的特定具體例)概略表示利用WGS反應(其中將CO轉化成CO2)且釋出更多H2之H2產生系統。(WGS反應可由合成氣提供相對高純度之H2,雖然彼必須與其他產物和副產物氣體分離;參見例如美國專利5,827,496、 6,007,699、6,667,022及6,669,917之使用石灰石及氧化鐵將合成氣分離成分開的溼H2及CO/CO2流的化學迴圈方法。)
在這些圖中,H2產生系統60包含化學迴圈部分氧化系統諸如在圖3中所示之部分氧化系統30,其與WGS反應器15和氣體分離單元16整合。在燃料轉化反應器11中所製造之CO被輸送至WGS反應器15,其中彼與輸入流反應以生成CO2和H2之結合流,氣體分離單元16將該結合流分離各構成成分。所得之H2產物可作為燃料(直接地或作為燃料電池之原料)或作為多種工業程序(例如合成氣之製造)的原料。
在圖6b中之H2產生系統60專供用於氣態或經蒸發之烴類諸如CH4(其用途在圖6b中說明)、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、C4H10及類似者。H2產生系統60之具體例在重要方面是蒸汽甲烷重組(SMR)之替代方法,其中原料(一般是天然氣)與蒸汽反應以形成合成氣,其效率因CO2必須與H2分離之事實而大幅降低。
圖7概略表示一種經整合之有機流體產生系統,其中在該流體合成中所用之主要成分係由化學迴圈部分氧化系統(諸如以上關於圖3所述者)以及WGS程序所提供。特別地,有機流體產生系統70包含與F-T程序反應器14整合之H2產生系統,諸如圖6a之系統60。總效果是一種系統,其有效地達成與圖5之有機流體產生系統50相同的效果,盡管是經由WGS反應器15與氣體分 離單元16之結合的取代而非H2產生單元。這在例如現有之WGS/分離設備係在合適位置上且該設施適合併入化學迴圈燃燒系統的狀況中可能是合適的。
圖8概略表示替代的經整合之有機流體產生系統,其中在該流體合成中所用之合成氣的主要成分係由化學迴圈部分氧化系統及經結合之WGS/CO2氫化程序所提供。特別地,有機流體產生系統80包含經設計以製造CO作為主要之含C燃燒產物的化學迴圈部分氧化系統(諸如圖3之部分氧化系統30)、WGS反應器15及CO2氫化反應器17。藉由燃料轉化反應器11所製造之CO被輸送至WGS反應器15,其中彼與經輸入之蒸汽反應以生成CO2和H2之結合流,該CO2氫化反應器17將之轉化成一或多種有機流體。總效果是一種系統,其有效地達成與圖5之有機流體產生系統50相同的效果,盡管是利用WGS反應器15與CO2氫化單元17之結合而非H2產生單元。這在例如現有之WGS/氫化設備係在合適位置上且該設施適合併入化學迴圈燃燒系統的狀況中可能是合適的。
圖9及10說明基於或經修正以包括化學迴圈部分氧化系統的動力產生。
圖9概略表示合併化學迴圈部分氧化系統之經結合的循環動力產生系統。動力產生系統90利用該藉由化學迴圈部分氧化系統(諸如以上關於圖3所描述者)所製造之CO,以將動力給予氣渦輪機18且最後給予蒸汽渦輪機21。氣渦輪機18所放出之流通入蒸汽產生單元 19,其中該熱將經輸入之水煮沸,而所得之蒸汽將動力給與蒸汽渦輪機21。在另一具體例中,鍋爐可被使用以代替氣渦輪機18及蒸汽產生單元19。(電力產生系統90之小缺點是該CO2產物本身並不易隔離。)
圖10概略表示合併化學迴圈部分氧化系統之替代的動力產生系統。動力產生系統100利用H2產生系統(諸如以上關於圖6a所描述之系統60),而由氣體分離單元16所排出之H2流被導至氣渦輪機18且用於將動力給與氣渦輪機18。由氣渦輪機18,經由蒸汽渦輪機21,此系統同於上述關於圖9所述者。然而,因為該輸入,該系統100之燃料轉化部分不產生任何CO2,同時該由氣體分離單元16所排出之CO2能容易隔離。
圖11概略表示燃料電池供動力系統。動力產生系統110利用H2產生系統諸如以上關於圖6a所述之系統60,而由氣體分離單元16所排出之H2流被導至燃料電池22且用以將動力給予燃料電池22,例如固態氧化物燃料電池。燃料電池技術之持續發展可獲得一種藉由CO供給動力之燃料電池,而會使系統110能省略WGS反應器15及氣體分離單元16。
在圖5-11中所說明之系統意圖以非限制方式對一般技術人員闡明化學迴圈部分氧化系統(其提供CO作為主要之含C燃燒產物)之可能應用的廣度及範圍。在這些圖中所包括之很多子系統是或可以適用於至少某些模式且因此一般技術人員可採用前述概略圖之一或多個部分 於該等程序或系統之另一者。因此,推想子系統之其他組合。
本揭示已引用例示之具體例來描述。顯然,在研讀且了解先前之詳細描述後,其他人將想要改良及改變。本揭示意圖被視為包括所有此種改良極改變,在彼等係在所附之申請專利範圍或其等效者之範圍的程度上。
11‧‧‧燃料轉化反應器
12‧‧‧粒子再生單元
30‧‧‧化學迴圈部分氧化系統

Claims (21)

  1. 一種於化學迴圈系統中由含碳燃料提供包含CO作為主要含碳產物之氣態輸出物的方法,該系統係利用包含具有多種氧化態之金屬的氧化物的粒子且該系統包括氧化床反應器與燃料轉化反應器,該方法包含:使該含碳燃料與直接從該氧化床反應器提供到該燃料轉化反應器的粒子接觸,該燃料轉化反應器中的該接觸以大體上同向流之流動形態發生,藉此將該粒子裡的經氧化金屬還原成較低氧化態,因而提供該氣態輸出物;將經還原的粒子從該燃料轉化反應器輸送到該氧化床反應器;及使該粒子與含氧氣體流接觸以將該金屬氧化。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中將離開該燃料轉化反應器的該粒子於回到該氧化床反應器之前輸送到一獨立的床反應器中,其中將蒸汽導入該床反應器裡以提供H2及所含金屬氧化物之金屬的氧化態係在該粒子進入該燃料轉化反應器時該金屬的氧化態與該粒子從該燃料轉化反應器離開時該金屬的氧化態中間(intermediate)的粒子。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法,其中該H2與來自該燃料轉化反應器之該氣態輸出物中的CO結合以提供合成氣。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其另外包含使一部分之該CO進行水煤氣轉化反應(water gas shift reaction)並使所得H2與另一部分之該CO結合以提供合 成氣。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法,其另外包含將合成氣導至氣體分離單元以將該合成氣分成其構成的成分。
  6. 如申請專利範圍第4項之方法,其另外包含將該CO及該H2送至費托氏法(Fischer-Tropsch process)反應器以產生有機流體。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法,其另外包含將CO2導入該燃料轉化反應器,以促進經由布多阿爾(Boudouard)反應產生CO。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法,其另外包含使該CO進行水煤氣轉化反應並回收所得之氫。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法,其另外包含使一部分之該CO進行水煤氣轉化反應並使所得之二氧化碳進行氫化反應。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法,其另外包含將該氣態輸出物導至氣渦輪機。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該含碳燃料包含粒狀固體。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法,其中該粒狀固體包含經粉碎之煤。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該金屬氧化物粒子是多孔複合材料中之鐵氧化物。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該氣態輸出物之CO:CO2比率是至少60:40。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法,其中該氣態輸出物之CO:CO2比率是至少65:35。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該接觸步驟在該粒子的移動型填充床中發生。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法,其中該移動型填充床中粒子的移動是從該反應器的頂部到底部。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該含碳燃料不為CO。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法,其中該含碳燃料係經粉碎之煤。
  20. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該具有多種氧化態之金屬具有至少q、r及s氧化態,其中q<r<s,該接觸步驟涉及該s氧化態之金屬。
  21. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該接觸步驟在流化床反應器中發生。
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