用于氧化未燃燒物的方法和設備的制作方法
【專利摘要】利用氧載體顆粒用于處理未燃燒物的方法和設備，所述氧載體顆粒可為CLOU顆粒，在空氣反應器(14)中經(jīng)氧化，并且傳輸至后氧化反應器(25)，如圖2所示。將含有未燃燒物的煙道氣流(34)注入后氧化反應器(25)，其中未燃燒物被由氧載體供應的氧氧化。將還原的氧載體從后氧化反應25分離，并且傳輸返回至空氣反應器(14)，用于再氧化。一種實施方案可包括后氧化室(60)，其可為催化室，接收煙道氣流(34)的一部分和來自后氧化反應器(25)的煙道氣流(33)的氧。
【專利說明】用于氧化未燃燒物的方法和設備
[0001]領域
本公開涉及氧化未燃燒物。更具體地，本公開涉及氧化未燃燒物的有效的方法和設備，同時降低能耗和資金成本。
[0002]背景
某些過程(例如燃燒含碳燃料)產生二氧化碳(CO2)的氣態(tài)排放。CO2已被確認為〃溫室〃氣體，其似乎導致全球變暖。由于其作為〃溫室〃氣體的狀態(tài)，已開發(fā)多種技術來防止由于使用化石燃料使大量的CO2被釋放至大氣中。
[0003]化學環(huán)路燃燒(CLC)為一種提供有效的CO2捕集和處理的燃燒技術。CLC提供在氧化含碳燃料期間產生的CO2的固有分離，從而產生更濃的CO2流。通過提高CO2的濃度作為燃燒技術的一部分，大大降低在燃燒后分離CO2用于捕集和儲存所需的能量和資金費用。
[0004]CLC技術通常涉及使用氧載體，其將氧從空氣轉移至燃料，從而避免空氣與燃料之間直接接觸。在過程中使用兩個相互連接的反應器(通常為流化床):燃料反應器和空氣反應器。在燃料反應器中引入燃料，其進一步接收氧載體(通常為金屬氧化物)。來自燃料反應器的出口煙道氣流主要含有來自燃料氧化的產物(H2O和CO2)和還原的氧載體。然后在從出口煙道氣流除去還原的氧載體之后，通過冷凝包含在燃料反應器的煙道氣流中的H2O,可得到由高濃度的CO2組成的流。
[0005]將作為燃料氧化反應的一部分形成的還原的氧載體轉移至空氣反應器，在此在空氣存在下將其再氧化。離開空氣反應器的煙道氣流主要由空氣的非反應性組分(例如氮氣)、氧化的氧載體和未使用的氧組成。氧化的氧載體可從空氣反應器的煙道氣流分離，以輸送至燃料反應器。通過使用氧載體來將氧遞送至燃料反應器，當它們離開空氣反應器時空氣的非反應性組分從系統(tǒng)排出，并且絕不引入到燃料反應器中。因此，燃燒產物(主要為CO2和H2O)不被燃料反應器的煙道氣流中的空氣的非反應性組分稀釋。
[0006]取決于所用的條件和材料，在燃料反應器中燃燒燃料可能不完全。不完全燃燒可導致未燃燒物(例如氫、甲烷和一氧化碳)存在于燃料反應器的煙道氣流中。為了減少或消除來自煙道氣流的未燃燒物，在燃料反應器中燃燒后，未燃燒物通常在后燃燒單元中被氧化。未燃燒物還可存在于來自各種工業(yè)和/或燃燒應用的其它煙道氣流。
[0007]例如在CLC系統(tǒng)中，氧化未燃燒物的困難之一在于，后燃燒單元需要純氧或富含氧的氣體。如果將空氣加入到后燃燒單元用于氧化，將失去CLC的益處，因為在將煙道氣流傳輸至氣體處理單元之前，空氣的非反應性組成將被加入到燃料反應器的煙道氣流。向后燃燒單元提供純氧或富含氧的氣體的該要求同樣適用于需要在富含氧的環(huán)境(例如，氧燃燒設備)中后燃燒氧化的其它工業(yè)過程和/或燃燒技術。因此，后燃燒氧化需要加入純氧或富含氧的氣體，在能耗和資金成本方面，二者均昂貴。此外，取決于需要氧化的未燃燒物的量，在純氧或富集的氧中燃燒可導致強烈升高的溫度，需要冷卻。因此，需要用于更有效處理未燃燒物的改進的方法和設備。
[0008]概述
根據(jù)本文說明的各方面，提供了一種在化學環(huán)路燃燒系統(tǒng)中氧化未燃燒物的方法，所述方法通過將燃料注入化學環(huán)路燃燒系統(tǒng)的燃料反應器，將氧化的氧載體注入燃料反應器，和用由所述氧載體提供的氧使燃料氧化。從燃料反應器的煙道氣流除去固體。將燃料反應器的含有未燃燒物的煙道氣流傳輸至后氧化反應器，用氧化的氧載體注入所述后氧化反應器。使用由所述氧載體提供的氧，未燃燒物在后氧化反應器中被氧化。從后氧化反應器的煙道氣流分離還原的氧載體，并且傳輸至空氣反應器，在此，在注入空氣反應器的空氣存在下，它們被再氧化。從空氣反應器的煙道氣流分離氧化的氧載體，并且傳輸至后氧化反應器。
[0009]根據(jù)本文說明的其它方面，提供了一種氧化未燃燒物的方法，所述方法通過將含有未燃燒物的煙道氣流的至少一部分傳輸至后氧化反應器。用氧化的氧載體注入后氧化反應器。未燃燒物在后氧化反應器中被氧化。氧化的氧載體在后氧化反應器中被還原，并且傳輸至空氣反應器，用于再氧化。
[0010]根據(jù)本文說明的其它方面，提供了一種用于氧化未燃燒物的設備，所述設備具有后氧化反應器、與所述后氧化反應器連接的空氣反應器和與所述后氧化反應器連接的煙道氣流。未燃燒物存在于注入后氧化反應器的煙道氣流中。在空氣反應器中形成氧化的氧載體，并且傳輸至后氧化反應器。通過由氧載體供應的氧，未燃燒物在后氧化反應器中被氧化。
[0011]通過以下附圖和詳細說明來舉例說明上述和其它特征。
[0012]附圖簡述
現(xiàn)在參考附圖，其為示例性實施方案，并且其中對相似元件作相似編號:
圖1為化學環(huán)路燃燒系統(tǒng)的一個實例示意性流程圖。
[0013]圖2為本公開的一個示例性實施方案的示意性流程圖。
[0014]圖3為本公開的另一個示例性實施方案的示意性流程圖。
[0015]詳述
根據(jù)本公開的一個示例性實施方案，提供了一種用于在化學環(huán)路燃燒(CLC)系統(tǒng)中氧化未燃燒物的有效方法。提供了一種在將煙道氣排放至大氣之前降低氧化未燃燒物的能源需求的方法。CLC用于在燃料反應器中氧化燃料。通過使燃料與事先在空氣反應器中氧化的氧載體混合，完成燃料氧化。金屬氧化物可為具有釋放氣態(tài)氧的專一性的化學環(huán)路氧解偶聯(lián)材料(CLOU顆粒)。在燃料反應器中氧化燃料可留下一部分未完全氧化的燃料，在燃料反應器的煙道氣流中留下未燃燒物。含有未燃燒物的燃料反應器的煙道氣流可傳輸至后氧化反應器。后氧化反應器可進一步接收來自空氣反應器的氧化的氧載體，所述空氣反應器可為CLC系統(tǒng)的空氣反應器或單獨的空氣反應器。CLC的空氣反應器可提高容量，以提高氧化的氧載體的輸出，以供應燃料反應器和后氧化反應器二者。未燃燒物在后氧化反應器中被氧載體氧化，還原的氧載體從后氧化反應器的煙道氣流分離，并且返回至空氣反應器，用于再氧化。通過在后氧化反應器中氧化未燃燒物，未燃燒物可被有效氧化，而無需低溫生產的氧，大大降低從CLC系統(tǒng)去除未燃燒物的能量要求。
[0016]根據(jù)本公開的一個示例性實施方案，提供一種氧化煙道氣流中的未燃燒物的有效方法，其中傳輸含有未燃燒物的煙道氣流，用于在后氧化反應器中氧化，該后氧化反應器另外供應有氧載體。氧載體在空氣反應器中被氧化。
[0017]根據(jù)本公開的一個示例性實施方案，提供了一種在CLC系統(tǒng)中用于氧化未燃燒物的設備，所述設備包括后氧化反應器、與所述后氧化反應器連接的空氣反應器和與所述后氧化反應器連接的燃料反應器。含有未燃燒物的燃料反應器的煙道氣流設置用于傳輸至后氧化反應器，所述后氧化反應器進一步接收來自空氣反應器的氧化的氧載體。空氣反應器還可將氧化的氧載體供應至燃料反應器，或者可為單獨的空氣反應器。如果空氣反應器設置用于供應后氧化反應器和燃料反應器二者，考慮到對氧化的氧載體生產的提高需求，可提高其尺寸，超過對CLC系統(tǒng)通常預期的尺寸。該設備還可包括后氧化室，優(yōu)選催化室，其設置以直接接收燃料反應器的煙道氣流的一部分和后氧化反應器的煙道氣流，其中氧存在于后氧化反應器的煙道氣流中。在該設置中，未燃燒物氧化的一部分在催化室中發(fā)生，未燃燒物氧化的一部分在后氧化反應中發(fā)生。
[0018]參考圖1，CLC通常包括空氣反應器14和燃料反應器12，其可為流化床反應器，其中將燃料10注入燃料反應器12，并且其中還用在空氣反應器14中形成的氧載體22注入燃料反應器12。燃料的一個實例為煤。其它實例包括但不限于天然氣、合成氣體(合成氣)和石油精煉廠氣體。氧載體顆粒通常為金屬或陶瓷。用于CLC的典型金屬氧化物包括例如氧化鎳、氧化鈣、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鈷和它們的混合物。一些氧載體為所謂的CLOU顆粒，因為它們釋放氧而無需反應配對物。
[0019]燃料反應器12可通過流化介質(例如蒸汽58)被流化。在燃料反應器12中燃燒燃料10產生煙道氣流26。煙道氣流26通常含有未燃燒的固體、燃燒產物(CO2和H2O)、還原的氧載體，并且還可包括未燃燒物，例如一氧化碳、氫或甲烷。煙道氣流26可傳輸至第一固體分離器28，其可為旋風分離器，其中從煙道氣流26分離固體48，并且傳輸28至空氣反應器14。來自第一分離器28的固體48可首先傳輸至任選的碳汽提器50。將離開碳汽提器50的還原的氧載體傳輸52至空氣反應器14。將離開碳汽提器50的任何焦炭傳輸54返回至燃料反應器12。第一固體分離器28的煙道氣流30可傳輸至第二固體分離器32，其可為旋風分離器，其中可從煙道氣流30除去另外的固體，并且傳輸56返回至燃料反應器12。
[0020]將通常含有來自燃料反應器12的煙道氣流26的非固體組分的第二固體分離器32的煙道氣流34傳輸至后燃燒單元36。后燃燒單元36設置用于接收氧流38。氧流38可為純氧或富含氧的氣體，其通常以大量的能量和資金成本低溫產生。未燃燒物可在后燃燒單元36中被氧化，后燃燒單元40的煙道氣流可傳輸至氣體處理單元(GPU) 42，用于CO2捕集和處理。適當?shù)?，CO2可進一步傳輸46用于儲存或使用。在捕集CO2后，主要含有主N2、Ar和未使用的O2的煙道氣流可排放44至大氣。
[0021]在空氣反應器14中，氧載體被供應至空氣反應器14的空氣16氧化?？諝夥磻?4的煙道氣流18可傳輸至第三固體分離器20，其可為旋風分離器。第三固體分離器20將氧化的氧載體從空氣反應器14的煙道氣流18分離，允許空氣的非反應性組分和未使用的氧作為排出空氣24排放至大氣中。將氧化的氧載體傳輸22至燃料反應器12，在此，它們可供應氧用于燃料10的氧化，完成氧載體的再生循環(huán)。
[0022]現(xiàn)在參考示于圖2的示例性實施方案，燃料反應器12的煙道氣流26可傳輸至后氧化反應器25，其可為流化床反應器，促進整個后氧化反應器25中均勻的溫度分布，和/或從后氧化反應器25回收熱量。后氧化反應器25另外供應有氧化的氧載體。在傳輸至后氧化反應器25之前，煙道氣流26可首先傳輸至第一 28和第二 32固體分離器，如圖2所示，或者如果固體載荷(尤其是未燃燒的固體)足夠低，后氧化反應器可設置以直接接收來自分離器28的煙道氣流30或煙道氣流26。然而，在將煙道氣流26傳輸至后氧化反應器25之前，應分離來自煙道氣流26的固體。采用兩個分離器提供系統(tǒng)的改進操作(例如，碳的再循環(huán)/在碳汽提器中分離)。對于該描述的其余部分，假定圖2中代表的設置，產生煙道氣流34。如圖2所示，氧化的氧載體可從通過第三固體分離器20分離的固體的一部分23傳輸至后氧化反應器25 ;然而，這代表本公開的僅一個示例性實施方案，并且其它設置是可能的，包括單獨的空氣反應器，以氧化氧載體，尤其是CLOU顆粒，用于后氧化反應器25。
[0023]包含在煙道氣流34中的未燃燒物可通過由氧化的氧載體23供應的氧在后氧化反應器25中氧化。后氧化反應器25的煙道氣流27可傳輸至第四固體分離器29，其可為旋風分離器。第四固體分離器29將氧載體與煙道氣流27分離，其可傳輸41至空氣反應器14，在此氧載體可被再氧化。在一個備選的實施方案中，氧載體可傳輸至單獨的空氣反應器。這使得能夠使用與用于CLC系統(tǒng)的氧載體不同的氧載體。
[0024]在第四固體分離器29中去除氧載體之后，煙道氣流33可傳輸至GPU 42。在本公開的一個備選的實施方案中，煙道氣流33的一部分35可設置以在注入后氧化反應器25之前，與煙道氣流34混合。與煙道氣流34混合的部分35可用于控制煙道氣流27的溫度，以防止氧載體燒結，保持溫度通常低于1100°C。在與煙道氣流34混合之前，所述部分35可首先經(jīng)由換熱器39冷卻，允許用于更精確的溫度控制。在另一備選中，后氧化反應器25可經(jīng)由換熱器37直接冷卻，其可用于產生蒸汽。
[0025]現(xiàn)在參考示于圖3的示例性實施方案，煙道氣流34的一部分64可在后氧化室60中被氧化，后氧化室60可為催化室或非催化室。在去除包含在后氧化反應器25的煙道氣流27中的固體后，用第四固體分離器29的煙道氣流33中的氧供應后氧化室60。在該備選的實施方案中，CLOU顆粒(例如Cu0/Cu20)可用作氧載體。使煙道氣34的一些部分偏向至后氧化反應器25。在后氧化反應器25中，未燃燒物與CLOU顆粒釋放的O2反應。CLOU顆粒的優(yōu)點在于它們容易提供氧，如通過化學平衡限定。氧的平衡分壓取決于反應器溫度。因此，煙道氣流27的O2濃度由后氧化反應器25的溫度直接決定。該富含O2的煙道氣流27不含未燃燒物，未燃燒物在后氧化反應器25中被氧化。在第四固體分離器29中分離出固體之后，煙道氣流27可隨后傳輸33至后氧化室60，其可進一步接收煙道氣流34中繞過后氧化反應器25的部分64。在后氧化室60中，來自后氧化反應器25的O2氧化未燃燒物。在后氧化室60中氧化后，煙道氣流可傳輸62至GPU 42，用于進一步處理，如圖2指示。
[0026]通過將CLC技術的燃料反應器的煙道氣流傳輸至另外供應有氧載體而不是純氧或富含氧的氣體的后氧化反應器，本公開提供一種用于氧化未燃燒物的有效方法。在一方面，本公開利用CLC的空氣反應器來提供氧載體，用于氧化未燃燒物。在另一方面，本公開利用單獨的空氣反應器將氧載體供應至后燃燒反應器，使得可實施兩個單獨的氧載體環(huán)路循環(huán)。在另一方面，來自CLC系統(tǒng)的燃料反應器的煙道氣流被部分傳輸至后氧化反應器(含有氧載體)，部分傳輸至后氧化室，利用在后氧化反應器中釋放的氧，用于進一步氧化未燃燒物。如果后氧化室為催化室，在不存在過量的氧下，可實現(xiàn)未燃燒物的幾乎完全氧化。
[0027]雖然各圖顯示采用本公開的CLC系統(tǒng)，但是本公開可用于氧化任何煙道氣流中的未燃燒物，其中未燃燒物的氧化優(yōu)選在富含氧的環(huán)境中進行。例如，在氧燃燒設備的煙道氣流中的未燃燒物可根據(jù)本公開被氧化。
[0028]因此，本公開的各方面提供一種用于處理未燃燒物的有效過程，所述過程通過降低用于氧化未燃燒物通常所需的純氧或富含氧氣體生產的資金和能源需求，由此提高CO2捕集的效率，或者通過回收由氧化未燃燒物釋放的熱量。
[0029]雖然已參考各種示例性實施方案描述了本發(fā)明，本領域技術人員應理解的是，在不偏離本發(fā)明的范圍下，可進行各種變化并且可用等價物替代本發(fā)明的要素。此外，可進行許多修改，使得在不偏離本發(fā)明的實質范圍下，特定的情況或材料適應本發(fā)明的教導。因此，旨在本發(fā)明不局限于作為預期用于實施本發(fā)明的最佳方式而公開的具體實施方案，而是本發(fā)明包括落入所附權利要求范圍內的所有實施方案。
【權利要求】
1.一種在化學環(huán)路燃燒系統(tǒng)中氧化未燃燒物的方法，所述方法包括: 將燃料注入化學環(huán)路燃燒系統(tǒng)的燃料反應器中； 將氧化的氧載體注入所述燃料反應器； 用由所述氧載體提供的氧使所述燃料氧化； 從所述燃料反應器的煙道氣流除去固體； 將所述燃料反應器的含有未燃燒物的煙道氣流傳輸至后氧化反應器； 將氧化的氧載體注入所述后氧化反應器； 使用由所述氧載體提供的氧，在所述后氧化反應器中氧化未燃燒物； 從所述后氧化反應器的煙道氣流分離還原的氧載體； 將所述還原的氧載體傳輸至空氣反應器； 在注入所述空氣反應器中的空氣存在下，氧化所述還原的氧載體； 從所述空氣反應器的煙道氣流分離氧化的氧載體； 將所述氧化的氧載體傳輸至所述后氧化反應器。
2.權利要求1的方法，所述方法還包括:在分離出所述還原的氧載體之后，將所述后氧化反應器的煙道氣流傳輸至氣體處理單元。
3.權利要求1的方法，所述方法還包括:在分離出所述還原的氧載體之后，將所述后氧化反應器的煙道氣流的一部分傳輸返回至所述后氧化反應器。
4.權利要求3的方法，其中在再循環(huán)至所述后氧化反應器之前，將所述后氧化反應器的煙道氣流的一部分冷卻。
5.權利要求1的方法，所述方法還包括直接冷卻所述后氧化反應器，以生產蒸汽，用于發(fā)電。
6.權利要求1的方法，其中所述氧載體為金屬氧化物。
7.權利要求1的方法，其中所述氧載體為化學環(huán)路氧解偶聯(lián)顆粒。
8.權利要求7的方法，所述方法還包括將所述燃料反應器的煙道氣流的一部分傳輸至后氧化室。
9.權利要求8的方法，其中所述后氧化室為催化室。
10.權利要求8的方法，所述方法還包括將所述后氧化反應器的煙道氣流首先傳輸至所述后氧化室。
11.權利要求10的方法，其中存在于傳輸至所述后氧化室的所述燃料反應器的煙道氣流的一部分中的未燃燒物被存在于所述后氧化反應器的煙道氣流中的氧氧化。
12.—種氧化未燃燒物的方法，所述方法包括: 將含有未燃燒物的煙道氣流的至少一部分傳輸至后氧化反應器； 將氧化的氧載體注入所述后氧化反應器； 在所述后氧化反應器中氧化未燃燒物； 其中所述氧化的氧載體在所述后氧化反應器中被還原； 其中將還原的氧載體傳輸至空氣反應器，用于再氧化。
13.權利要求12的方法，所述方法還包括:將所述后氧化反應器的煙道氣流的一部分再循環(huán)返回至所述后氧化反應器。
14.權利要求12的方法，所述方法還包括:直接冷卻所述后氧化反應器。
15.權利要求12的方法，其中所述氧載體為化學環(huán)路氧解偶聯(lián)顆粒。
16.權利要求15的方法，所述方法還包括將所述含有未燃燒物的煙道氣流的一部分傳輸至后氧化室。
17.權利要求16的方法，其中所述后氧化室為催化室。
18.權利要求17的方法，其中存在于傳輸至所述后氧化室的所述含有未燃燒物的煙道氣流的一部分中的未燃燒物被存在于所述后氧化反應器的煙道氣流中的氧氧化。
19.一種用于氧化未燃燒物的設備，所述設備包含: 后氧化反應器； 與所述后氧化反應器連接的空氣反應器； 與所述后氧化反應器連接的煙道氣流； 其中未燃燒物存在于所述煙道氣流中； 其中將所述煙道氣流注入所述后氧化反應器； 其中在所述空氣反應器中形成氧化的氧載體； 其中將所述氧化的氧載體傳輸至所述后氧化反應器； 其中通過由所述氧化的氧載體供應的氧，未燃燒物在所述后氧化反應器中被氧化。
20.權利要求19的設備，所述設備還包含:與所述煙道氣流和所述后氧化反應器連接的后氧化室，使得將所述煙道氣流的一部分直接傳輸至所述后氧化室，并且將所述后氧化反應器的煙道氣流傳輸至所述后氧化室。
21.權利要求20的設備，其中所述后氧化室為催化室。
【文檔編號】F23G7/06GK104204674SQ201380017428
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權日:2012年3月30日
【發(fā)明者】M.阿哈, J.格魯布斯特倫, C.比爾 申請人:阿爾斯通技術有限公司