[发明专利]通过燃料在化学回路中氧化而产生能量的方法和装置

说明书

本发明涉及用于通过燃料在化学回路(chemical loop)中氧化而产生能量的方法和装置。

化学回路技术目前相当地显现于燃料氧化领域中。它们使用固体活性化合物，通常为金属，其化学地固定大气氧并随后用于氧化通常为碳基的固体、液体或气体化合物。一般而言，所述活性化合物在回路中从一个反应器(其中它通过与空气接触而氧化)循环至至少一个其它反应器(其中在燃料的氧化反应期间将它还原)中。该化合物的氧化使它再生。它可再次用于固定氧。活性化合物通常以颗粒的流化和循环床的形式使用。它容易地例如通过旋风分离器从气体混合物中分离。固体活性化合物的再生通常是高度放热的。释放的热转化成能量(例如蒸汽、机械或电力)。在另一构型中，使用相同原理，但不通过这些化合物颗粒的流化床，而是通过包含这些化合物的再生固定床。氧化或还原气体然后交替地经过这些床。一种可能的执行在于使用旋转室(其交替地与氧化或还原气体接触)。

可特别提到文件WO2007104655A1，其描述了发电装置，其包含包含氧化和还原室的热化学回路、用于将固体颗粒与流出气体分离的旋风分离器、换热器和用于由释放的热能生产电能的工具。申请WO2008036902，“Chemical looping combustion”显示出特别是借助由旋转室组成的反应器实现化学回路原理。

应用于燃料氧化的化学循环技术(chemical looping technique)的优点在于：如果系统相对于周围是气密的，则因为它们不包含或包含很少氮，氧化产物(主要是水和二氧化碳或CO₂)容易有助于CO₂的捕获。相反，大量该氮在来自常规与空气燃烧的流出产物中找到。化学回路的另一具体优点是与用于燃料氧化的其它技术相比，它们仅需要空气作为氧化剂，这促进CO₂的捕获，例如含氧燃烧或预燃烧，其可使用富集氧的流。

对于用于生产能量(电、功或热)的装置，设计中的主要元素是必须产生的最大功率。化学回路的尺寸由此降低(反应器容量、携氧活性化合物的量、设备件的尺寸等)。当执行该设计时，装置的最大功率，“峰”功率设置在不再可超过的值下。事实上，装置一般产生较低的功率，即它多半时间是过大的。可推出它的最大产量仅在特定时间时，且该最大值不随时间变化，除非装置随随后的资本成本而显著改进。

本发明的目的是克服现有技术的所有或部分缺点，特别是产生的最大功率的不可变方面(涉及所安装的设备件的尺寸)和可能由其产生的装置的过大。

本发明首先涉及用于由至少一种燃料产生能量的方法，其包括：

-阶段a)：通过与至少一种携氧固体化合物接触而使所述燃料氧化和所述跑龙套体化合物伴随还原；

-阶段b)：回收阶段a)中还原的所述固体化合物；

-阶段c)：其为放热的，通过与至少一种含氧气体接触而将阶段b)中回收的所述固体化合物的非零部分氧化；和

-阶段d)：回收由阶段c)产生的氧化的所述固体化合物并将氧化的所述固体化合物的非零部分用于阶段a)中；

其中将阶段c)中释放的热至少部分地回收以进行所述能量的生产；

所述方法的特征在于根据所需能功率，含氧气体6交替地为空气或包含22-100％体积氧浓度的气体。

换言之，在能量产生时期T期间，存在：

-生产的第一时期T1，在此期间含氧气体6为空气；在该时期T1期间产生功率P1的能量；和

-生产的第二时期T2，在此期间含氧气体6为包含22-100％体积氧浓度的气体；在该时期T2期间产生功率P2的能量；

其中T＝T1+T2且P2＞P1。

燃料可以为固体、液体或气体，或多相的。它可以为常规燃料如天然气或石脑油，或来自其它方法的泄露或烟道气，或还有木炭、焦炭、石油焦、生物质和它的衍生物或油渣。

在阶段a)中，使燃料与至少一种携氧固体化合物接触。该接触操作可以以数个分期和/或以足够的停留时间进行，和/或用给定过量的一种反应物(燃料或携氧固体化合物)进行，直至达到某一反应程度。该固体化合物可特别为金属，有时为氧化形式，有时为还原形式。燃料与氧化形式的固体化合物反应。在这种情况下，应赋予“氧化”和“还原”相对的含义。本质点是当变为较低氧化态时，至少一部分固体化合物可释放氧。氧化/还原反应可能是不完全的。氧化/还原反应一方面产生还原形式的固体化合物，另一方面产生流出产物，其为所述燃料的氧化产物。

在阶段b)中，将固体化合物例如通过固体/气体物理分离而回收。