[发明专利]具有多个燃料反应区和重力供给氧化的粒子的化学链燃烧方法

说明书

一种改进的化学链燃烧(CLC)方法和系统，包括含有载氧体粒子例如金属氧化物的料斗，所述载氧体粒子在重力作用下以受控的流速从料斗供入(a)通常垂直的下流式反应器(10)，在这里它们与供入该系统的全部烃燃料混合，和(b)供入一个或多个与多个分级流化反应器床连通的竖管，引入该系统的载氧体粒子的量以化学计量比预定，以产生H₂和CO₂的合成气混合物；或者将燃料完全燃烧成CO₂和水蒸气，由此允许捕集所生产的大部分的基本纯净形式的CO₂。

发明领域

本发明涉及化学链燃烧方法的运行，其中将重质液体烃燃料注入下流式反应器中来与固体氧转移材料例如金属氧化物粒子直接接触。

发明背景

已经提出了碳捕集和存储(CCS)，并且在某些程度上用作中长期措施，来通过降低温室气体排放来对抗以减轻全球变暖的不期望的效应。被忽略的一个重要因素，特别是在固定发电厂领域，是对于运行碳捕集系统技术上可行的和经济上合理的措施。目前存在几种不同的技术，其可以用于从燃烧单元中获得纯净流形式的CO₂。最经常提及的三种是后处理，O₂/CO₂燃烧或者氧燃料，和CO转换。

石油的一个品种是重质油。如所谓的常规石油的“桶底物”，重质油相当富含碳，并且特征在于非常稠厚。据估计重质油生产到2030年时将增加200％。在世界总油储量中，据估计53％处于重质油或者沥青形式，该术语是可互换使用的，来描述这样的油，其在室温是非常粘稠的、固体或者近固体，例如焦油或者沥青，其具有相对低的氢含量，并且还具有高质量密度，例如API重力是20度或者更低。重质液体燃料的蒸发并不总是可实现的，这归因于这些燃料的组成和物理特性，并且重质燃料油的蒸发会需要复杂的供料系统，其比直接液体燃料油供料系统更昂贵。

精炼重质油是一个技术挑战。但是，随着轻质原油价格的上升，用于将重质油提质成合成原油的经济性持续增加。但是，使用单一技术来提质不同类型的重质油是困难的。它们与典型的液体燃料相比具有非常高的粘度，并且粘度随着温度显著变化。真空蒸馏底部物(其像水那样在300℃-400℃流动，但是在室温保持为固体)是最难以处理和运输的精炼材料之一。这些重质油通常来源于精炼方法，在高温处于液体形式，并且必须以这种形式直接引入燃烧器。循环流化床锅炉(“CFB”)可以有效和清洁地燃烧精炼副产物。该CFB方法使用了流化粒子循环。

化学链燃烧(“CLC”)是另一方法，其十年多来已经受到日益增加的关注。化学链燃烧可以用于将烃燃料转化来产生热能，例如用于发电，并且从该方法可以分离和回收基本上纯净的CO₂流。化学链燃烧日益引起经济上的关注，这归因于与这种方法的整体运行相关的相对低的能量损失。

CLC方法基于这样的原理，即，载氧体可以充当中间体来在大气空气和燃料之间传输氧，而不直接接触空气和燃料。主要优点是从燃烧区消除氮气和过量的氧，和因此从所生产的燃烧气体中消除了它们。固体载氧体例如金属氧化物氧化了所述燃料，其导致产生了CO₂和H₂O。该还原形式的载氧体然后转移到空气反应器，在这里该还原的粒子与大气空气接触，并且氧化成它们的初始态，然后返回燃烧室或者反应器。化学链方法的总热量是两种热态的总和，即，在燃料氧化过程中的放热和还原过程中的吸热，并且该总和等于常规燃烧反应中所释放的热。在碳捕集方法的整个上下文中，化学链方法的主要优点是需要最小的另外的能量来进行CO₂捕集。整体燃烧效率与常规燃烧方法相当，即，对于CO₂捕集来说存在着最小能量损失，其据估计产生了仅仅2-3％的整体效率损失。此外，在这种方法中NOx形成减少，因为氧化在空气反应器中，在不存在燃料和低于1200℃的温度(在该温度时NOx形成显著增加)发生。