專利名稱：在其中氧氣由可再生的金屬氧化物吸附劑提供的增氧燃燒過(guò)程中捕集二氧化碳的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及增氧燃燒，更特別地，涉及使用可再生金屬氧化物吸附劑以提供燃料燃燒所使用的氧氣的增氧燃燒。
背景技術(shù)：
在加熱器和鍋爐中燃料的增氧燃燒(oxyfiring)或氧一燃料的燃燒(oxy-fuelcombustion)是一種有希望的二氧化碳捕集方法,其中燃料通常在高純氧而不是空氣存在下燃燒，以產(chǎn)生熱量和煙道氣。干燥的空氣含有約(體積比)78. 08%的氮?dú)狻?0. 95%的氧氣、0. 93%的氬氣、0. 038%的二氧化碳和痕量其它氣體。與干燥的空氣相比，普通的空氣含有變化量的水蒸氣，平均為約1%。所述增氧燃燒過(guò)程可避免將氮?dú)夂推渌哿繗怏w與煙道氣進(jìn)行分離的需要，如果是在空氣中而不是主要在氧氣中進(jìn)行燃燒，則會(huì)另外存在所述氮?dú)夂推渌哿繗怏w。此外，利用增氧燃燒，可避免或至少大大減少了氮氧化物的形成。煙道氣主要由二氧化碳、水蒸氣和其它痕量污染物構(gòu)成，所述痕量污染物取決于所選擇的燃料。所述煙道氣易于冷卻，以分離出水并產(chǎn)生濃縮的二氧化碳流股，對(duì)所述濃縮的二氧化碳流股進(jìn)一步提純以得到高純二氧化碳流股。能夠?qū)⒃摿鞴煞獯嬉苑乐苟趸坚尫胖链髿庵?。例如可將二氧化碳流股泵送入地下?chǔ)層中。或者，可捕集二氧化碳并壓縮成液體，然后出售給工業(yè)。另外，能夠?qū)⒍趸寂c其它化學(xué)品反應(yīng)以制造固體。常規(guī)上,一個(gè)或多個(gè)深冷空氣分離單元(ASU)為增氧燃燒過(guò)程供應(yīng)氧氣。然而,使用ASU系統(tǒng)，在前期的設(shè)備開(kāi)支和運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行開(kāi)支兩方面都昂貴。為增氧燃燒提供氧氣的另一種手段是使用離子傳輸膜(ITM)。ITM通常可透過(guò)氧氣但不能透過(guò)其它物質(zhì)，且與大部分產(chǎn)生氧氣的常規(guī)方法相比，每單位氧氣所需要的能量明顯更少。BOC已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種使用混合的離子和電子導(dǎo)體材料制造用于含氧燃料燃燒工藝的氧氣流股的工藝。Mattisson 等人(Int. J. Greenhouse Gas Control, 3, 11-19, 2009)對(duì)負(fù)載在載體基質(zhì)上用于向固體燃料的燃燒供應(yīng)氧氣的的金屬氧化物吸附劑如錳的氧化物(Mn2O3)、銅的氧化物(CuO)和鈷的氧化物(Co3O4)進(jìn)行了研究。在其稱作化學(xué)回路燃燒(CLC)的方法中，在燃料燃燒室中以相互密切接觸的方式放置燃料和氧化的金屬氧化物吸附劑。在燃料燃燒期間，從金屬氧化物吸附劑中釋放氧氣，由此將氧化的金屬氧化物吸附劑還原。然后對(duì)還原的金屬氧化物吸附劑進(jìn)行捕集并重新裝入或在合適條件下在適當(dāng)?shù)难趸磻?yīng)器中利用源自空氣中的氧氣進(jìn)行再生。然后將重新裝入的氧化的金屬氧化物吸附劑返回或 “回路”至燃燒室中以與燃料再次進(jìn)行燃燒。在化學(xué)回路燃燒期間產(chǎn)生煙道氣，其含有二氧化碳、水蒸氣、少量的氧氣和其它氣態(tài)燃燒產(chǎn)物，這取決于燃料與金屬氧化物吸附劑的化學(xué)計(jì)量比例。如果在高百分比氧氣存在下發(fā)生燃燒，與其中空氣提供燃燒所使用的氧氣的相同燃燒過(guò)程相比，能夠在相對(duì)高的溫度下進(jìn)行燃燒。與利用純氧氣的增氧燃燒相比，空氣中相對(duì)大量的惰性氮?dú)鈱⑷紵磻?yīng)器中的溫度保持在更低溫度下。在特定情況中，這種更高的溫度可能是有利的。然而，為了使得空氣和燃料燃燒的設(shè)計(jì)在更低溫度下操作的常規(guī)燃燒反應(yīng)器，如果在這些更高溫度下運(yùn)行時(shí)，易于損壞。本發(fā)明致力于滿足所述需要，以提供基本不含氮?dú)獾脑鲅跞紵?，同時(shí)使得常規(guī)燃燒反應(yīng)器易于更新，所述常規(guī)燃燒反應(yīng)器是為了在比利用純氧氣流股的增氧燃燒所提供的溫度更低的溫度下運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。發(fā)明概述在上述背景中所述的CLC法通常應(yīng)用于“新建”工藝。本文中所述的發(fā)明特別適合于現(xiàn)有的“更新”應(yīng)用，其中通過(guò)金屬氧化物吸附劑而不是ASU或ITM裝置供應(yīng)氧氣。然而，根據(jù)如下公開(kāi)內(nèi)容也能夠構(gòu)造新建系統(tǒng)。 本發(fā)明公開(kāi)了用于在增氧燃燒過(guò)程中捕集二氧化碳的增氧燃燒系統(tǒng)和方法。所述增氧燃燒系統(tǒng)包含(a)氧化反應(yīng)器，用于對(duì)還原的金屬氧化物吸附劑進(jìn)行氧化；(b)分解反應(yīng)器，其中對(duì)分解燃料進(jìn)行燃燒并對(duì)氧化的金屬氧化物吸附劑進(jìn)行分解以產(chǎn)生還原的金屬氧化物吸附劑和氧氣，同時(shí)在所述分解反應(yīng)器中產(chǎn)生富集氧氣的二氧化碳流股；(C)燃料燃燒反應(yīng)器，用于將初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股燃燒成包括二氧化碳流股和水蒸氣的初級(jí)煙道氣流股；和(d)分離設(shè)備，用于將二氧化碳從所述初級(jí)煙道氣流股中分離出來(lái)。將所述初級(jí)煙道氣流股分離成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分。通過(guò)所述分離設(shè)備對(duì)所述第一部分進(jìn)行處理以產(chǎn)生二氧化碳富集流股，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行封存或進(jìn)行其它利用。對(duì)所述第二煙道氣部分進(jìn)行循環(huán)以向所述分解反應(yīng)器提供二氧化碳流股。分解反應(yīng)器是指其中通過(guò)失去氧將氧化的金屬氧化物吸附劑還原成還原的金屬氧化物吸附劑的反應(yīng)器。分解燃料是指能夠向所述分解反應(yīng)器提供熱量以使得能夠分解氧化的金屬氧化物吸附劑的任意一種可燃燃料。為了該說(shuō)明書(shū)的目的，短語(yǔ)“富集氧氣的二氧化碳流股”是指其中相對(duì)于流股中氣體的總體積氮?dú)庑∮?5體積％的氣體流股。因此，初級(jí)煙道氣流股將不要求試圖除去氮?dú)饣虼罅康牡獨(dú)庖援a(chǎn)生適用于從初級(jí)煙道氣流股中隔離的富集二氧化碳的流股。類似地，“增氧燃燒”是指在含氧流股的存在下進(jìn)行的燃燒，所述含氧流股基本不含氮?dú)?，即氮?dú)庑∮?5體積％。如果富集氧氣的二氧化碳流股具有相對(duì)于初始燃料化學(xué)計(jì)量過(guò)量的氧氣，則燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳、水蒸氣、一些氧氣和其它痕量氣體。然而，如果氧氣相對(duì)于所述初始燃料的化學(xué)計(jì)量不足，則初級(jí)煙道氣流股將包含一氧化碳、氫氣以及二氧化碳、水蒸氣和其它痕量氣體。在此情況中，能夠?qū)⒁谎趸己蜌錃饧春铣蓺庥迷诜纸夥磻?yīng)器中作為分解燃料或另外用作提供至所述分解反應(yīng)器的分解燃料的單獨(dú)源。所述方法包括向燃料燃燒反應(yīng)器中提供初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股。將所述初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股燃燒成初級(jí)煙道氣流股。能夠使用在富集氧氣的二氧化碳流股中存在的二氧化碳以有助于控制燃燒反應(yīng)器中的溫度。因此，使用空氣作為氧氣源的常規(guī)燃燒反應(yīng)器系統(tǒng)，利用本方法和系統(tǒng)易于更新，從而提供產(chǎn)生氮?dú)饧词勾嬖谝卜浅Ｉ俚臒煹罋獾膬?yōu)勢(shì)，由此易于將二氧化碳從煙道氣中分離。將初級(jí)煙道氣分離成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分，各種煙道氣部分含有二氧化碳流股和水蒸氣?？蓪?duì)第一煙道氣部分進(jìn)一步加工或處理以除去水并捕集二氧化碳。如果第一煙道氣部分也包括大量的合成氣，則該合成氣能夠與第一煙道氣部分中的其它氣體分離并用作燃料源。舉例例且是非限制性的，也可將分離的合成氣用作諸如費(fèi)托反應(yīng)的其它化學(xué)反應(yīng)中的給料，以產(chǎn)生烴類產(chǎn)物。如果流股含有明顯量的氧氣，則能夠?qū)⒃撗鯕鈴牡谝粴怏w部分中除去并用作分解反應(yīng)器或其它地方中的氧化劑。將包括二氧化碳和水蒸氣的第二煙道氣部分循環(huán)至分解反應(yīng)器。任選將水蒸氣除去以產(chǎn)生包括二氧化碳和其它氣體的干燥氣體流股，然后將其供應(yīng)至分解反應(yīng)器。如上所述，其它氣體可包括氧氣或其它合成氣，這取決于供應(yīng)至燃燒反應(yīng)器中用于與初始燃料燃燒的氧氣的化學(xué)計(jì)量的量。將承載二氧化碳的該流股供應(yīng)至分解反應(yīng)器。在分解反應(yīng)器中將該流股和氧化的金屬氧化物吸附劑以及分解燃料，如果燃燒需要的話，進(jìn)行燃燒以產(chǎn)生還原的金屬氧化物、氧氣和包含富集氧氣的二氧化碳流股和水蒸氣的次級(jí)煙道氣流股，將其供應(yīng)至燃燒反應(yīng)器中。在循環(huán)至燃燒反應(yīng)器之前，可將水蒸氣從該次級(jí)煙道氣流股中除去或不除去。然后將還原的金屬氧化物吸附劑返回至氧化反應(yīng)器中并在其中重新氧化。如果供應(yīng)至分解反應(yīng)器中的二氧化碳流股包括過(guò)量的氧氣，則能夠使用該氧氣以有助于分解燃料的燃燒。如果供應(yīng)至分解反應(yīng)器中的二氧化碳流股包括合成氣，則能夠?qū)⒑铣蓺庥米鞣纸馊剂匣蛴糜谠黾臃纸馊剂系膯为?dú)源。另外，從第 一部分初級(jí)煙道氣流股中分離的任何氧氣或合成氣能夠供應(yīng)至分解反應(yīng)器中以分別用作氧化劑或燃料。本發(fā)明的目的是提供一種在增氧燃燒系統(tǒng)中的分解反應(yīng)器以從金屬氧化物吸附劑中釋放氧氣并將燃料燃燒以產(chǎn)生氧氣增多了的且基本不含氮?dú)獾亩趸剂鞴傻臒煹罋饬鞴伞Ｈ缓髮⑦@種富集氧氣的煙道氣用作燃燒反應(yīng)器中的氧化劑氣體以與初始燃料發(fā)生燃燒，從而產(chǎn)生熱量和基本不含氮?dú)獾娜紵裏煹罋?。然后，容易地將二氧化碳從燃燒煙道氣中分離。附圖
簡(jiǎn)述根據(jù)如下說(shuō)明、待審權(quán)利要求書(shū)和附圖，將使得本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)變得易于理解，其中圖I是增氧燃燒系統(tǒng)的第一示例性實(shí)施方案的示意圖，所述系統(tǒng)包括空氣反應(yīng)器、分解反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器，其中金屬氧化物吸附劑在分解反應(yīng)器中釋放氧氣以產(chǎn)生富集氧氣的二氧化碳流股，將該流股供應(yīng)燃燒反應(yīng)器中，在那里該流股與初始燃料進(jìn)行燃燒。然后，在氧化反應(yīng)器中將金屬氧化物吸附劑再生或重新氧化，將空氣分離成由金屬氧化物吸附劑容納的氧氣和貧含氧氣的空氣流股；且圖2是第二示例性實(shí)施方案，其中富集氧氣的二氧化碳流股攜帶的氧氣量不足以在燃燒反應(yīng)器中將初始燃料完全燃燒，由此產(chǎn)生包括合成氣即氫氣和一氧化碳的初級(jí)煙道氣流股。然后，可將合成氣循環(huán)至分解反應(yīng)器中以用作分解燃料。從而產(chǎn)生足以創(chuàng)造分解條件的熱量，使得從氧化的金屬氧化物吸附劑中釋放氧氣。發(fā)明詳述使用具有至少三個(gè)反應(yīng)器的增氧燃燒系統(tǒng)以將初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股進(jìn)行燃燒，從而產(chǎn)生熱量和基本不含氮?dú)獾某跫?jí)煙道氣流股。術(shù)語(yǔ)“基本不含”是指煙道氣流股具有的氮?dú)庀鄬?duì)于初級(jí)煙道氣流股中的其它氣體為少于15體積％。所述增氧燃燒系統(tǒng)包括燃燒反應(yīng)器、分解反應(yīng)器和氧化反應(yīng)器。通過(guò)控制富集氧氣的二氧化碳流股的組成，能夠控制燃燒期間燃燒反應(yīng)器中的相對(duì)溫度。因此，能夠?qū)ο惹袄每諝庾鳛檠鯕庠吹默F(xiàn)有燃燒反應(yīng)器進(jìn)行更新，以將其作為其中易于從基本不含氮?dú)獾某跫?jí)煙道氣流股中捕集二氧化碳的增氧燃燒系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行。此外，由于能夠控制燃燒反應(yīng)器中的溫度，所以與使用純氧氣作為氧化劑相比，能夠避免燃燒反應(yīng)器的過(guò)熱和損傷。氧氣的量相對(duì)于二氧化碳的量提高，通常與燃燒反應(yīng)器的更高運(yùn)行溫度相關(guān)。將初始燃料與富集氧氣的二氧化碳流股在燃燒反應(yīng)器中燃燒以產(chǎn)生初級(jí)煙道氣流股。能夠容易地從初級(jí)煙道氣流股中捕集二氧化碳，因?yàn)槿紵磻?yīng)器中所使用的富集氧氣的二氧化碳流股通常不含氮?dú)?。初?jí)煙道氣流股包含二氧化碳、水蒸氣和其它氣體。將初級(jí)煙道氣流股分成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分。從所述第一部分中，對(duì)水蒸氣進(jìn)行冷凝以留下富集二氧化碳的流股。從剩余氣體中分離這種二氧化碳，以得到幾乎純的二氧化碳流股。然后將富集二氧化碳的氣體封存在諸如地下貯層中或進(jìn)行其它利用。如果期望，還能夠?qū)κＳ鄽怏w進(jìn)行分離。如果剩余氣體含有大量的氧氣，則能夠捕集氧氣并用于其它用途。如果剩余氣體包含大量合成氣即一氧化碳和氫氣，則將合成氣用作燃燒用燃料或用作其它化學(xué)轉(zhuǎn)化如費(fèi)托轉(zhuǎn)化的給料而轉(zhuǎn)化成更高級(jí)別的烴產(chǎn)物。分解反應(yīng)器接收來(lái)自燃燒反應(yīng)器的第二煙道氣部分并使其富集氧氣，以產(chǎn)生包括待在燃燒反應(yīng)器中燃燒的富集氧氣的二氧化碳流股的次級(jí)煙道氣流股。除了從燃燒反應(yīng)器接收的第二煙道氣部分之外，分解反應(yīng)器可還接收次級(jí)或分解燃料，將所述燃料進(jìn)行燃燒以向分解反應(yīng)器提供熱量。在適當(dāng)條件下，氧化的金屬氧化物吸附劑在分解反應(yīng)器中釋放氧氣以產(chǎn)生還原的金屬氧化物吸附劑。部分使用所釋放的氧氣以與剩余的分解燃料燃燒并部分地使得源自燃燒反應(yīng)器中的二氧化碳流股富集氧氣，從而產(chǎn)生包括富集氧氣的二氧化碳流股和水蒸氣的次級(jí)煙道氣流股。如果供應(yīng)至分解反應(yīng)器的二氧化碳流股包括過(guò)量氧氣，則能夠使用該氧氣以有助于分解燃料的燃燒。如果供應(yīng)至分解反應(yīng)器中的二氧化碳流股包括合成氣，則能夠?qū)⒑铣蓺庥米鞣纸馊剂匣蛴糜谘a(bǔ)充分解燃料的單獨(dú)源。另外，從第一部分的初級(jí)煙道氣流股中分離的任何氧氣或合成氣能夠供應(yīng)至分解反應(yīng)器中以分別用作氧化劑或燃料。將還原的金屬氧化物吸附劑返回至氧化反應(yīng)器中。將空氣供應(yīng)至氧化反應(yīng)器中，其中從空氣中提取氧氣并將還原的金屬氧化物吸附劑重新氧化以產(chǎn)生被供應(yīng)至分解反應(yīng)器中的氧化的金屬氧化物吸附劑。提取后的空氣中不含氧氣并主要由氮?dú)夂推渌哿繗怏w構(gòu)成，將其釋放至大氣中。將氧化的金屬氧化物吸附劑與提取后的空氣分離并回路返回至分解反應(yīng)器。燃燒反應(yīng)器和燃料燃燒反應(yīng)器能夠?yàn)槠渲心軌驅(qū)⑷剂匣蚱渌荚磁c氧氣完全或部分燃燒的任意一種反應(yīng)器。例如所述燃燒反應(yīng)器可以為用于電站或蒸汽發(fā)生器中的燃燒加熱器或鍋爐、或燃?xì)鉁u輪機(jī)?；蛘撸鋈紵磻?yīng)器可以為燃煤的燃燒反應(yīng)器。所述燃燒反應(yīng)器還可為流體催化裂化器(FCC)反應(yīng)器中的催化劑再生器，其中在富集氧氣的二氧化碳流股的存在下將沉積在催化劑顆粒上的焦炭燒掉。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)理解，使用氧氣的其它燃燒類型的反應(yīng)器也可使用且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
對(duì)燃燒反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)以燃燒大量燃料如煤、石油焦、生物質(zhì)、焦炭、天然氣、煉廠燃料氣、合成氣和其它烴類燃料中的任意一種或多種燃料。所述燃料可以為氣體、液體、固體或甚至其組合的形式?？蓪?duì)固體進(jìn)行造?；蚱渌扑?，以得到合適的粒度。在富集氧氣的二氧化碳流股存在下將這些燃料燃燒，所述流股為燃燒反應(yīng)提供氧氣。富集氧氣的二氧化碳流股中氧氣的體積百分比理想地為約10 50%，或更優(yōu)選約15 30%，或約2(T25%。氧氣的理想百分比部分取決于所燃燒的燃料和燃燒反應(yīng)器中所要求的溫度。此外，如果期望產(chǎn)生富集合成氣而不是富集氧氣的初級(jí)煙道氣流股，則可使用化學(xué)計(jì)量計(jì)算以確定待被引入以與選擇的燃料燃燒的合適量的氧氣。氧氣或合成氣在初級(jí)煙道氣流股中的相對(duì)含量也能夠測(cè)量且然后能夠調(diào)節(jié)富集氧氣的二氧化碳流股的氧氣含量以滿足初級(jí)煙道氣流股的期望組成。通過(guò)控制傳送至分解反應(yīng)器中的氧化的金屬氧化物吸附劑的量，能夠部分地調(diào)節(jié)富集氧氣的二氧化碳流股中氧氣的量?；蛘撸軌蚩刂浦T如溫度、氧氣分壓和分解反應(yīng)器中的壓力的條件，從而控制從氧化的金屬氧化物吸附劑中釋放的氧氣的量。燃燒反應(yīng)器的運(yùn)行溫度是確定富集氧氣的二氧化碳流股中氧氣的適當(dāng)含量的另一個(gè)因素。例如燃燒反應(yīng)器可最初已經(jīng)設(shè)計(jì)用于使用空氣作為用于燃燒中氧氣的攜帶氣體以在相對(duì)更低的溫度下運(yùn)行。如果將這種燃燒反應(yīng)器用于根據(jù)本發(fā)明制造的更新的增氧燃燒系統(tǒng)中，則富集氧氣的二氧化碳流股需要大量的二氧化碳以限制燃燒溫度并防止對(duì)燃燒反應(yīng)器或增氧燃燒系統(tǒng)中其它溫度傳感設(shè)備造成損害。與其中在富集氧氣的二氧化碳流股中含有很少氮?dú)獾谋景l(fā)明的系統(tǒng)相反，在常規(guī)空氣助燃的燃燒反應(yīng)器中空氣中攜帶的氮?dú)?通常限制溫度。共同運(yùn)行以產(chǎn)生富集氧氣的二氧化碳流股的分解反應(yīng)器和氧化反應(yīng)器代替常規(guī)燃燒系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的空氣或氧氣源。當(dāng)對(duì)常規(guī)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行更新時(shí)，例如利用本系統(tǒng)的分解反應(yīng)器和氧化反應(yīng)器代替空氣源。初級(jí)煙道氣流股在燃燒反應(yīng)器的下游分開(kāi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可使用大量裝置來(lái)控制被分成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分的煙道氣的相對(duì)量。例如，能夠使用具有可調(diào)節(jié)尺寸的開(kāi)口的進(jìn)口和兩個(gè)出口噴嘴的導(dǎo)管，以調(diào)節(jié)傳送至第一煙道氣部分和第二煙道氣部分中的煙道氣的相對(duì)量。分解反應(yīng)器分解反應(yīng)器接收源自燃燒反應(yīng)器的第二煙道氣部分。此外，分解反應(yīng)器可接收第二燃料或分解燃料，從而在分解反應(yīng)器中發(fā)生燃燒以為氧化的金屬氧化物吸附劑分解成氧氣和還原的金屬氧化物吸附劑提供合適的條件即溫度。能夠?qū)⑺魵鈴牡诙煹罋獠糠种谐??；蛘?，?dāng)引入分解反應(yīng)器中時(shí)，第二煙道氣部分可含有水蒸氣。如果第二煙道氣部分在其中含有足夠的合成氣，則不需要單獨(dú)供應(yīng)分解燃料?；蛘?，可使用合成氣以補(bǔ)充單獨(dú)的分解燃料。在第二煙道氣部分富含氧氣并缺乏合成氣的情況中，則在分解反應(yīng)器中發(fā)生燃燒需要分解燃料。然而，如果第二煙道氣部分富含氧氣，則需要從氧化的金屬氧化物吸附劑中產(chǎn)生的氧氣將會(huì)減少。在機(jī)械上，所述分解反應(yīng)器可以為其中實(shí)現(xiàn)氣-固接觸的任意一種反應(yīng)器。實(shí)例包括固定床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、夾帶流反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器。出于有效氣固接觸和良好的熱管理的原因，優(yōu)選將鼓泡流化床反應(yīng)器作為分解反應(yīng)器。傳遞到分解反應(yīng)器的氧氣耗盡的二氧化碳流股能夠具有一定百分比范圍的二氧化碳、氧氣、水蒸氣和其它雜質(zhì)。理想地，含有二氧化碳流股的第二煙道氣部分的溫度為100^600oC，更優(yōu)選15(T40(TC，甚至更優(yōu)選20(T30(TC。期望盡可能高地保持第二煙道氣部分的溫度和熱值，以有助于氧化的金屬氧化物吸附劑的分解反應(yīng)。運(yùn)載第二煙道氣部分的導(dǎo)管應(yīng)盡量短并隔熱以防止熱損失?？蓪⒍喾N燃料用于分解反應(yīng)器中的燃燒。這些燃料可以為氣體、液體或固體形式或其組合的形式。關(guān)于氣體，燃料可以為先前所述的合成氣、天然氣、煉廠氣或上述氣體的組合或其它含有易燃烴的氣體。液體的非限制性實(shí)例包括燃料油、船用燃料和煤油。還可使用理想地進(jìn)行造粒或其它研磨以提供小粒度的固體，其作為舉例且非限制性地可包括煤、焦炭、木材和木炭。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃燒反應(yīng)器可以在氧氣缺乏的模式下運(yùn)行，由此防止初級(jí)燃燒的完全燃燒。由此初級(jí)煙道氣可含有一氧化碳和氫氣，所述一氧化碳和氫氣能夠用作分解反應(yīng)器中的分解燃料。另外 ，在二氧化碳提純工藝中從煙道氣流股的第一部分中分離的一氧化碳和氫氣也可用作分解 反應(yīng)器的補(bǔ)充燃料。某些固體與氧氣反應(yīng)以形成氧化的金屬氧化物吸附劑并在受熱時(shí)分解以產(chǎn)生還原的金屬氧化物吸附劑和氣態(tài)氧。用于增氧燃燒系統(tǒng)中的金屬氧化物吸附劑可包括負(fù)載在基質(zhì)上的多種金屬顆粒中的任意一種，其能夠易于被氧化并還原，這取決于溫度和氧氣的分壓。在分解反應(yīng)器中的典型運(yùn)行條件包括約60(ni00°C的溫度。壓力可以為廣25絕壓巴，更優(yōu)選f 4絕壓巴。作為實(shí)例且是非限制性地，將這種金屬氧化物吸附劑的實(shí)例示于表I中。表I :金屬氧化物吸附劑
權(quán)利要求
1.一種在燃燒過(guò)程中捕集二氧化碳的方法，所述方法包括如下步驟 (a)向初始燃料燃燒反應(yīng)器中提供初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股，在該初始燃料燃燒反應(yīng)器中將所述初始燃料和所述富集氧氣的二氧化碳流股燃燒以產(chǎn)生熱和包括水和二氧化碳流股的初級(jí)煙道氣流股； (b)將所述初級(jí)煙道氣流股分成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分； (c)向分解反應(yīng)器中供應(yīng)所述第二煙道氣部分、分解燃料和金屬氧化物吸附劑，在該分解反應(yīng)器中將所述氧化的金屬氧化物吸附劑分解成還原的金屬氧化物吸附劑和氧氣，并利用一部分該氧氣將所述分解燃料燃燒以產(chǎn)生包括所述步驟(a)中所使用的富集氧氣的二氧化碳流股的次級(jí)煙道氣流股。
(d)將所述還原的金屬氧化物吸附劑轉(zhuǎn)移至氧化反應(yīng)器中，在那里在空氣存在下將所述還原的金屬氧化物吸附劑重新氧化成步驟(C)中所使用的所述氧化的金屬氧化物吸附劑；以及 (e)從所述第一煙道氣部分中捕集二氧化碳。
2.權(quán)利要求I的方法，其中 所述富集氧氣的二氧化碳流股具有相對(duì)于所述初始燃料化學(xué)計(jì)量不足的氧氣，使得所述初級(jí)煙道氣包括二氧化碳、水蒸氣、一氧化碳和氫氣。
3.權(quán)利要求2的方法，其中 所述第二煙道氣部分包括所述一氧化碳和氫氣且將所述一氧化碳和氫氣用作所述分解反應(yīng)器中的所述分解燃料。
4.權(quán)利要求2的方法，其中 所述第二煙道氣部分包括所述一氧化碳和氫氣且在所述分解反應(yīng)器中將所述一氧化碳和氫氣與所述分解燃料一起進(jìn)行燃燒。
5.權(quán)利要求2的方法，其中 所述第一煙道氣部分包括一氧化碳和氫氣；且 將所述一氧化碳和氫氣從所述第一煙道氣部分中分離并在所述分解反應(yīng)器中進(jìn)行燃燒。
6.權(quán)利要求I的方法，其中 所述富集氧氣的二氧化碳流股具有化學(xué)計(jì)量過(guò)量的氧氣，使得所述初始燃料在所述初級(jí)煙道氣的存在下在所述燃燒反應(yīng)器中完全燃燒，所述初級(jí)煙道氣包括一氧化碳、水蒸氣和氧氣。
7.權(quán)利要求I的方法，其中 所述氧化的金屬氧化物吸附劑選自負(fù)載在基質(zhì)上的銅的氧化物(CuO)、錳的氧化物(Mn2O3)或鈷的氧化物(Co3O4)中的一種或多種。
8.權(quán)利要求7的方法，其中 所述基質(zhì)選自氧化鋁、氧化硅、氧化鋁氧化硅、氧化鈦和氧化鋯中的一種或多種。
9.權(quán)利要求I的方法，其中 所述富集氧氣的二氧化碳流股具有相對(duì)于所述初始燃料化學(xué)計(jì)量不足的氧氣。
10.權(quán)利要求I的方法，其中 所述富集氧氣的二氧化碳流股具有相對(duì)于所述初始燃料化學(xué)計(jì)量過(guò)量的氧氣。
11.權(quán)利要求I的方法，其中 將所述分解反應(yīng)器保持在60(Tii0(rc的溫度下。
12.一種捕集燃燒過(guò)程中的二氧化碳的增氧燃燒系統(tǒng)，所述增氧燃燒系統(tǒng)包含 (a)燃燒反應(yīng)器，用于將初始燃料與富集氧氣的二氧化碳流股進(jìn)行燃燒以產(chǎn)生包括二氧化碳和水蒸氣的初級(jí)煙道氣流股； (b)氧化反應(yīng)器，其利用空氣將還原的金屬氧化物吸附劑重新氧化成氧化的金屬氧化物吸附劑； (c)分解反應(yīng)器，其與所述氧化反應(yīng)器連通以接收氧化的金屬氧化物吸附劑并將還原的金屬氧化物吸附劑返回至所述氧化反應(yīng)器，且其與所述燃燒反應(yīng)器連通以從所述燃燒反應(yīng)器接收所述初級(jí)煙道氣的一部分并將富集氧氣的二氧化碳流股傳遞至所述初級(jí)燃燒反應(yīng)器中；和 (d)分離設(shè)備，用于將二氧化碳從接收自所述燃燒反應(yīng)器的所述初級(jí)煙道氣流股中的一部分中分離出來(lái)； 其中在所述分解反應(yīng)器中，所述氧化的金屬氧化物吸附劑可釋放氧氣以產(chǎn)生還原的金屬氧化物吸附劑，同時(shí)所述氧氣部分地與分解燃料燃燒并部分地富集在接收自所述燃燒反應(yīng)器的所述初級(jí)煙道氣流股的一部分中以產(chǎn)生富集氧氣的二氧化碳流股，將所述富集氧氣的二氧化碳流股傳遞至所述燃燒反應(yīng)器中以提供燃燒所使用的氧氣源。
13.權(quán)利要求12的增氧燃燒系統(tǒng)，其中 所述燃燒反應(yīng)器是流體催化裂化催化劑再生器、鍋爐、燃燒加熱器、電站蒸汽發(fā)生器、生物質(zhì)熱解焦炭燃燒器和燃?xì)鉁u輪機(jī)中的一種。
14.一種更新燃燒系統(tǒng)的方法，包括 利用富集氧氣的二氧化碳流股代替用作氧氣源的空氣以在燃燒反應(yīng)器中與初始燃料燃燒； 其中從分解反應(yīng)器中供應(yīng)所述富集氧氣的二氧化碳流股，其中將氧化的金屬氧化物吸附劑分解成還原的金屬氧化物吸附劑以產(chǎn)生氧氣，所述氧氣富集在二氧化碳流股中以產(chǎn)生供應(yīng)至所述燃燒反應(yīng)器中的所述富集氧氣的二氧化碳流股。
15.權(quán)利要求14的方法，其中 將所述還原的金屬氧化物吸附劑循環(huán)至空氣反應(yīng)器中，在所述空氣反應(yīng)器中空氣與所述還原的金屬氧化物吸附劑反應(yīng)以產(chǎn)生供應(yīng)至所述分解反應(yīng)器的所述氧化的金屬氧化物吸附劑和貧含氧氣的空氣流股。
16.權(quán)利要求14的方法，其中 所述分解反應(yīng)器中的富集氧氣的所述二氧化碳流股接收自所述燃燒反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于捕集燃燒過(guò)程中的二氧化碳的增氧燃燒系統(tǒng)和方法。所述增氧燃燒系統(tǒng)包含(a)氧化反應(yīng)器，用于對(duì)還原的金屬氧化物進(jìn)行氧化；(b)分解反應(yīng)器，其中對(duì)分解燃料進(jìn)行燃燒并對(duì)氧化的金屬氧化物吸附劑進(jìn)行還原并同時(shí)釋放氧氣，并產(chǎn)生具有富集氧氣的二氧化碳流股的煙道氣；(c)燃料燃燒反應(yīng)器，用于將初始燃料和所述富集氧氣的二氧化碳流股燃燒成初級(jí)煙道氣；和(d)分離設(shè)備，用于將所述初級(jí)煙道氣的一部分進(jìn)行分離，從而制備富集二氧化碳的流股。所述方法包括向燃料燃燒反應(yīng)器提供初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股。將所述初始燃料和富集氧氣的二氧化碳流股燃燒成初級(jí)煙道氣流股，將所述初級(jí)煙道氣流股分成第一煙道氣部分和第二煙道氣部分。對(duì)所述第一煙道氣部分進(jìn)行加工以產(chǎn)生適用于隔離的高純度二氧化碳流股。將所述第二煙道氣部分傳送至所述分解反應(yīng)器中以提供熱量并充當(dāng)流體流股。所述初級(jí)煙道氣可包括氧氣或其它合成氣體，取決于所述富集氧氣的二氧化碳流股含有對(duì)于完全燃燒所需來(lái)說(shuō)化學(xué)計(jì)量過(guò)量還是不足的氧氣。
文檔編號(hào)B01D53/62GK102639213SQ201080054053
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者R·A·加德哈弗 申請(qǐng)人:雪佛龍美國(guó)公司