[发明专利]具有包含气固分离区的反应区的化学回路燃烧方法及使用该方法的设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生能源、合成气和/或氢气的化学回路燃烧（CLC）领域。

技术背景

化学回路燃烧方法通常包含一个或多个反应区，其中通过使得燃料与含氧固体发生接触进行燃烧，之后在将所述含氧固体送回到燃烧（或还原）区之前，通过使得所述含氧固体在至少一个氧化区中与空气或者水蒸气发生接触进行再氧化。

因此，化学回路燃烧由如下步骤构成：在封闭室中使得气体、液体和/或固体烃进料与含氧金属氧化物型固体在高温下发生接触。金属氧化物释放出部分其包含的氧，所述氧参与烃的燃烧。

燃烧之后，烟气主要包含二氧化碳、水和可能的氢。实际上，不必将烃进料与空气发生接触，因此烟气基本上由燃烧气体和可能的用于传输和流化颗粒的稀释气体（例如水蒸汽）组成。

因此可以生产基本上不含氮气的高CO₂含量（大于90体积%）的烟气，可以考虑捕获CO₂然后贮存。参与燃烧的金属氧化物再进入另一反应密封室中，其中金属氧化物与空气接触，从而被再氧化。

实施化学回路燃烧方法需要大量金属氧化物从而使得所有的燃料发生燃烧。这些金属氧化物通常包含在矿石颗粒中，或者包含在工业处理得到的颗粒（来自钢铁工业或采矿工业的残留物、来自化学工业或精炼的用过的催化剂）中。也可以使用合成材料例如氧化铝或二氧化硅-氧化铝载体，其上沉积有可以被氧化的金属（例如氧化镍）。

一种氧化物与另一种氧化物的实际可用的最大含氧量有明显差异，范围通常为0.1和15%，常常为0.3和6重量%之间。因此以流化床方式实施对进行所述燃烧特别有利。实际上，如果赋予颗粒流体的性质，则细分的氧化物颗粒更容易在燃烧和氧化反应密封室中以及在这些密封室之间循环。

专利申请FR-2,850,156描述了一种化学回路燃烧方法，其中在将燃料进料到以循环流化床模式运行的还原反应器之前将燃料碾碎。固体燃料颗粒的粉碎实现了更完全和更快速地燃烧，并产生了与循环氧化物分离的几乎100%的飞灰。首先通过旋风器提供了从循环床下游的分离，然后通过装置使得未燃烧的颗粒与金属氧化物颗粒分离。未燃烧的颗粒夹带在氧化区中，从而防止了氧化物反应器流出物中CO₂的排放。

分离装置包含通过水蒸气进行流化的流化床，这使得细轻颗粒，例如含碳残留物发生分离并将它们再次进料到反应器中，而密度较重且较大的氧化物颗粒被输送到氧化反应器。该装置是较复杂的设备，因为其含有两个内部隔室。

此外，根据专利文件FR-2,850,156，在第二循环中使得飞灰与氧化物颗粒分离，其中以流化床模式运行的分离器进行该分离，通过气动输送装置将硫化的飞灰输送到仓筒，在滗析之后在流化床反应器的底部提取金属氧化物。

此外，以循环流化床模式运行的还原反应器中涉及的高气体速度，使之不能获得足够的颗粒停留时间使得所有的固体燃料气化，然后发生气化产物的燃烧。因此需要通过将未燃烧的颗粒经过分离器对其进行大量回收。如今，将未燃烧的颗粒从氧化物颗粒中分离是一个精密的操作，因为这需要供给大量额外的气体，这是高耗能的。

此外，由于过短的停留时间，难以实现完全燃烧，并且烟气含有大量的CO和H₂，这涉及在工艺的下游存在后燃烧区。

N.Berguerand的论文“Design and Operation of a 10kWth Chemical-Looping Combustor for Solid Fuels（用于固体燃料的10kWth化学回路燃烧器的设计与运行）”（ISBN 978-91-7385-329-3）中描述了一种允许使用化学回路进行煤燃烧的装置。

该装置由氧化反应器、旋风器、流化床组成，所述氧化反应器使用金属颗粒，所述旋风器实现氧化之后颗粒与贫氧空气的分离，所述流化床通过排列在旋风器下面的返回管供给经氧化的金属氧化物，其中通过煤燃烧进行金属氧化物的还原。将煤进料到流化床的上部（稀相中）。在还原反应器中，逐渐发生煤的燃烧：煤颗粒开始向下流动并在稀相中脱除挥发，逆流到流化气体，其中仅存在少量金属氧化物；然后它们与流化的金属氧化物在密相中接触。长停留时间使得煤发生气化并产生含大量一氧化碳和进入到稀相中的氢气的燃烧气体。