[发明专利]含碳燃料部分氧化的化学循环过程

说明书

一种含碳燃料部分氧化的化学循环过程。本发明涉及用于将含碳燃料转化为主要含碳产物是CO的气态产物的方法、系统和装置。在一些实施例中，方法和系统还可以在单独的反应中生产H₂，H₂优选与来自于部分氧化过程的CO混合以提供合成气，反过来，用于生产燃料和化学品。工艺过程和系统可以被调整以便不产生显著量的CO₂且不需要空气分离单元。

背景技术

化学循环过程设计用来将存贮在含碳燃料的能量转移到金属氧化物颗粒中，然后在一个单独的反应中释放该能量。对于产生电力的化学循环燃烧过程的兴趣在过去几十年里增加，因为产生的二氧化碳(CO₂)可以被隔离而不需要空气分离装置(ASU)。

化学循环过程利用各种各样的系统设计和流动类型，例如，移动床、流化床和鼓泡床，已经被设计用于甲烷(CH₄)转化为CO₂。

移动填充床式反应器中固体燃料(如煤)在移动填充床式反应器的中点被引入形成逆向流动模式(气体向上流动，颗粒向下流动)，使得含碳燃料能够基本上完全转化为隔离的CO₂和水(H₂O)，这样的反应器被记载于美国专利US7767191和美国专利公开US2009/0000194中。金属氧化物例如三价氧化铁(Fe₂O₃)氧化煤，反应将金属氧化物还原到较低的氧化态(如FeO)或甚至是自由态金属(Fe)。被还原的包含铁的颗粒在一个独立的反应器(采用填充床式或流化床式反应器)中被氧化，完全再生为初始的金属氧化物并产生大量的热量用于生产蒸汽发电。

西肯塔基大学(Western Kentucky University)的研究人员开发了一种化学循环方法，将移动床和鼓泡流化床(BFB)的组合用于例如煤的固体燃料的完全氧化。

化学循环气化方法被设计用于制备氢气(H₂)以及CO₂。例如，来自InstitutodeCarboquímica的研究人员描述了一种气化工艺，其中氧化镍颗粒在流化床中将CH₄和H₂O转化为合成气，一种H₂和一氧化碳(CO)的混合物，作为主要产物。燃料流包括H₂O，这是因为产物H₂是该装置和过程的目标产物。

化学循环过程(化学循环工艺)可以将含碳燃料，尤其是固体燃料如煤，转化为气体产物，CO₂不是主要的含碳产品，不需要引入ASU，该过程或工艺将带来巨大商业利益。

发明内容

这里所述的方法、系统和装置可以被用于将含碳燃料转化为CO，以作为燃料转化过程的主要含碳产物。优选的，ASU不必包含在该方法、系统和装置中。

根据本发明的一个方面，提供了一种在化学循环系统中以含碳燃料提供以CO为主要含碳产物的气态产出物的方法，其中化学循环系统采用了包括金属氧化物的颗粒，金属氧化物具有多种氧化状态，系统包括氧化床反应器和燃料转化反应器，方法包括使含碳燃料和直接从氧化床反应器向燃料转化反应器提供的颗粒接触，接触以燃料转化反应器中以大致并流流动的方式发生，由此，颗粒中的氧化金属被还原至较低的氧化态，从而提供的气态产出物，被还原的颗粒从燃料转化反应器输送到氧化床反应器，并且使颗粒与含氧气流接触，从而使金属氧化。

较佳地，离开燃料转化反应器的颗粒在返回到氧化床反应器之前被输送到单独的床反应器，其中蒸气被引入床反应器从而提供H₂和包括金属氧化物的颗粒，带有的金属处于金属进入燃料转化反应器和颗粒离开转化反应器中间的氧化状态。

较佳地，可以进一步包括使部分的CO进行水煤气转换反应，得到的H₂与另一部分CO结合以提供合成气。

较佳地，可以进一步包括将合成气引导至气体分离单元，将合成气分离成其组成成分。