[发明专利]结合二氧化碳气体纯化单元的化学循环

说明书

关于联邦政府资助的研究的声明

本发明的主题在与美国能源部(DOE)的合同号为DE-FE0009484的研究合同下开发。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本公开涉及结合化学循环系统与二氧化碳气体纯化单元，并且涉及为化学循环系统中的燃料反应器提供提升气体的方法。

背景技术

化学循环是最近开发的工艺，其可用于电功率发生装置中，电功率发生装置燃烧燃料，诸如，煤、油、天然气、生物质和其它燃料。化学循环工艺可实现在现有或新功率装置中，并且除了其它益处之外，在减小装置大小，减少排放和增加装置运行效率方面提供有希望的改进。

图1描绘化学循环系统10，其包括氧化器12和还原器14。在氧化器12中，用从空气中获得的氧来氧化诸如硫化钙(CaS)或多价金属氧化物(表示为“Me”)的固体。例如，硫化钙在氧化器12中氧化成硫酸钙。多价金属氧化物从较低价状态氧化成较高价金属氧化物(例如，FeO氧化成Fe₂O₃)。硫酸钙和金属氧化物也称为固体氧发生体。氮和氧从氧化器中作为热的排气释放出来。热的硫酸钙然后传输到还原器14，在那里，硫酸钙还原成硫化钙，并且释放氧。释放的氧用来燃烧供应到还原器14的燃料(例如，诸如煤的固体燃料)。固体燃料在还原器14中燃烧会产生二氧化碳和少量水，以及其它污染物(在下文称为“烟道气”)。来自还原器的经还原的硫化钙然后排回到氧化器12，因而为工艺提供化学回路和热回路。

总体而言，化学循环系统利用高温工艺，由此诸如基于钙或金属的化合物的固体在称为氧化器(或空气反应器)的第一反应器和称为还原器(或燃料反应器)的第二反应器之间“循环”。在氧化器中，喷射到氧化器中的空气的氧在氧化反应中被固体捕捉。氧化释放的热使固体和气体的温度升高。捕捉的氧然后由热的经氧化固体携带到还原器，以用于诸如例如煤的燃料的燃烧和/或气化。在还原器中的还原反应之后，不再具有捕捉到的氧的固体返回到氧化器，以便再次氧化。重复这个循环。

即使还原器和氧化器中的燃烧产生气体，仍然需要在氧化器和还原器两者中使用提升气体，以便有利于将固体燃料和固体氧发生体(CaSO₄或金属氧化物)提升到氧化器和还原器中的燃烧区中，以便有利于高效地燃烧。为了进行这一点，外部提升气体馈送到氧化器、还原器或两者。在氧化器的情况下，空气提供提升气体以及氧源。在还原器的情况下，期望与燃料反应的气体来提供提升。这个气体可为来自功率装置的蒸汽发生部件的蒸汽或来自气体纯化单元(GPU)的二氧化碳。因为来自按顺序排好的还原器和气体处理单元的组合的最终产物是相对纯的二氧化碳流，因此合乎需要的是使用不对烟道气添加额外的污染物的提升气体。

发明内容

本文公开的是一种系统，其包括化学循环系统，化学循环系统包括氧化器，氧化器与还原器处于流体连通；其中，氧化器操作来分别将多价金属氧化物或硫化钙氧化成更高价金属氧化物或硫酸钙；并且其中，还原器操作来使金属氧化物还原成更低价金属氧化物或使硫酸钙还原成硫化钙；其中，化学循环系统在还原金属氧化物或还原硫酸钙期间产生包括二氧化碳的烟道气流；气体纯化单元，其与化学循环系统处于再循环回路；其中，气体纯化单元包括至少一个压缩机，至少一个干燥器，以及至少一个蒸馏纯化系统；其中气体纯化单元操作来使二氧化碳与烟道气流中存在的其它污染物分离开；并且其中，气体纯化单元操作来使污染物以通气气体的形式再循环到化学循环系统，通气气体为还原器中的反应物提供提升。

本文公开的还有一种方法，其包括：将烟道气流从化学循环排出到系统气体纯化单元；其中化学循环系统包括氧化器，氧化器与还原器处于流体连通；其中，氧化器操作来分别使多价金属氧化物或硫化钙氧化成更高价金属氧化物或硫酸钙；并且其中，还原器操作来使金属氧化物还原成更低价金属氧化物或使硫酸钙还原成硫化钙；其中，化学循环系统在还原金属氧化物或还原硫酸钙期间产生包括二氧化碳的烟道气流；在气体纯化单元中压缩烟道气流；其中气体纯化单元包括至少一个压缩机、至少一个干燥器和至少一个蒸馏纯化系统；使二氧化碳与烟道气流中存在的其它污染物分离开；以及使污染物以通气气体的形式再循环到化学循环系统，通气气体为还原器中的反应物提供提升。

附图说明

图1是包括氧化器和还原器的化学循环系统的描绘；以及

图2是化学循环系统的描述，化学循环系统与气体纯化单元处于流体连通，气体纯化单元产生通气气体，通气气体可用来产生提升气体，提升气体用于化学循环系统的还原器中。