用于處理未燃燒物的方法和設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于處理在化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)的煙道流9中的未燃燒物的方法和設(shè)備。在氣體處理單元13中從煙道流除去CO2之后，處理存在于煙道流9中的未燃燒物。如圖2所示，在空氣1存在下，主要在空氣反應(yīng)器2中發(fā)生未燃燒物的氧化，允許系統(tǒng)保持CO2捕集有效性，并且除去需要產(chǎn)生富集的或純的氧11。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于處理未燃燒物的方法和設(shè)備發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本公開(kāi)涉及在化學(xué)環(huán)路燃燒中處理未燃燒物。更具體地，本公開(kāi)涉及氧化未燃燒物、同時(shí)降低能耗或能量損失的有效方法和設(shè)備。
[0002]發(fā)明背景
某些過(guò)程(例如燃燒含碳燃料)產(chǎn)生二氧化碳(CO2)的氣態(tài)排放。CO2已被鑒定為〃溫室〃氣體，其看起來(lái)引起全球變暖。由于其作為〃溫室〃氣體的狀態(tài)，已開(kāi)發(fā)多種技術(shù)來(lái)防止由于使用化石燃料而導(dǎo)致的大量CO2被釋放至大氣中。
[0003]化學(xué)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(shù)。CLC提供在氧化含碳燃料期間產(chǎn)生的CO2的內(nèi)在分離，從而產(chǎn)生更濃的CO2流。通過(guò)提高在煙道流中的CO2的濃度作為燃燒技術(shù)的一部分，基本上降低了在燃燒后分離CO2用于捕集和儲(chǔ)存所需的能量和資金費(fèi)用。
[0004]CLC技術(shù)通常涉及使用氧載體，其將氧從空氣轉(zhuǎn)移至燃料，從而避免空氣與燃料之間的直接接觸。在過(guò)程中使用兩個(gè)相互連接的反應(yīng)器(通常為流化床):燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器。在燃料反應(yīng)器中引入燃料，其含有氧載體，例如金屬氧化物MeO。取決于燃料和金屬氧化物，燃料和金屬氧化物可根據(jù)以下反應(yīng)來(lái)反應(yīng):
(2n+m) MeO+CnH2m — (2n+m) Me+mH20+n CO2(氧化燃料)
來(lái)自燃料反應(yīng)器的出口氣體流主要含有來(lái)自燃料的氧化的產(chǎn)物H2O和CO2。通過(guò)冷凝包含在燃料反應(yīng)器的出口氣體流中的H2O,隨后可得到由高濃度的CO2組成的流。
[0005]可將作為燃料氧化反應(yīng)的一部分形成的還原的金屬氧化物Me轉(zhuǎn)移至空氣反應(yīng)器，在這里其可根據(jù)以下反應(yīng)來(lái)氧化:
Me+'/202 — MeO(氧化金屬氧化物)
離開(kāi)空氣反應(yīng)器的煙道流主要由空氣的非反應(yīng)性組分(例如氮?dú)?、金屬氧化物和一些未使用的氧組成。通過(guò)使用氧載體來(lái)將氧遞送至燃料反應(yīng)器，當(dāng)它們離開(kāi)空氣反應(yīng)器時(shí)，空氣的非反應(yīng)性組分從系統(tǒng)逐出，并且絕不引入到燃料反應(yīng)器中。因此，燃燒的產(chǎn)物(主要為CO2和H2O)不被在燃料反應(yīng)器的煙道流中的空氣的非反應(yīng)性組分稀釋。
[0006]取決于所用的條件和材料，在燃料反應(yīng)器中燃燒燃料可能不完全。不完全燃燒可引起未燃燒物(例如氫、甲烷和一氧化碳)存在于燃料反應(yīng)器的煙道流中。為了降低或消除來(lái)自煙道流的未燃燒物，在燃料反應(yīng)器中燃燒后，未燃燒物通常在后燃燒單元中被氧化。未燃燒物不應(yīng)完全返回至燃料反應(yīng)器用于燃燒，因?yàn)檫@可導(dǎo)致在燃燒系統(tǒng)內(nèi)非反應(yīng)性物質(zhì)的累積。
[0007]使用CLC的困難之一在于，后燃燒單元需要純氧或富含氧的氣體用于氧化未燃燒物。如果將空氣加入到離開(kāi)燃料反應(yīng)器的煙道流用于后燃燒氧化的目的，將失去CLC的益處，因?yàn)榭諝獾姆欠磻?yīng)性組成將加入到煙道流。因此，后燃燒氧化需要加入純氧或富含氧的氣體，這在能耗和資金成本兩個(gè)方面均昂貴。此外，取決于需要氧化的未燃燒物的量，在純氧或富含的氧中燃燒可導(dǎo)致強(qiáng)烈升高的溫度，需要冷卻。因此，需要一種更有效處理未燃燒物的改進(jìn)的方法和設(shè)備。
[0008]發(fā)明概述
根據(jù)本文說(shuō)明的各方面，提供了一種在化學(xué)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反應(yīng)器的煙道流傳輸至氣體處理單元，在氣體處理單元中從煙道流除去CO2，將一部分氣體處理單元的煙道流傳輸至空氣反應(yīng)器，和在空氣反應(yīng)器中用空氣氧化包含在一部分氣體處理單元的煙道流中的未燃燒物。
[0009]根據(jù)本文說(shuō)明的其它方面，提供了一種氧化在煙道流中的未燃燒物的方法，所述方法包括將含有未燃燒物的煙道流傳輸至化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器，和在空氣存在下，在空氣反應(yīng)器中氧化未燃燒物。
[0010]根據(jù)本文說(shuō)明的其它方面，提供了一種用于氧化未燃燒物的設(shè)備，所述設(shè)備包括空氣反應(yīng)器、與空氣反應(yīng)器連接的燃料反應(yīng)器和與燃料反應(yīng)器連接的氣體處理單元。將燃料反應(yīng)器的煙道流傳輸至氣體處理單元。未燃燒物存在于氣體處理單元的煙道流中。將一部分氣體處理單元的煙道流注入空氣反應(yīng)器。
[0011]附圖簡(jiǎn)述
現(xiàn)在參考圖，其為示例性實(shí)施方案，并且其中同樣的元件同樣地編號(hào):
圖1為典型的化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)的示意性流程圖。
[0012]圖2為本公開(kāi)的一個(gè)示例性實(shí)施方案的示意性流程圖。
[0013]圖3為本公開(kāi)的另一個(gè)示例性實(shí)施方案的示意性流程圖。
[0014]圖4為本公開(kāi)的另一個(gè)示例性實(shí)施方案的示意性流程圖。
[0015]發(fā)明詳述
根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供了一種用于在化學(xué)環(huán)路燃燒(CLC)系統(tǒng)中處理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量要求的方法。CLC用于在燃料反應(yīng)器中氧化燃料。通過(guò)使燃料與在空氣反應(yīng)器中形成的金屬氧化物接觸，完成燃料氧化。在燃料反應(yīng)器中氧化燃料可留下一部分不完全氧化的燃料，在燃料反應(yīng)器的煙道流中留下未燃燒物。通過(guò)在氣體處理單元(GPU)中從煙道流除去CO2,隨后將至少一部分含有未燃燒物和空氣的非反應(yīng)性組分(惰性氣體)的煙道流傳輸至空氣反應(yīng)器，未燃燒物可被有效氧化，而無(wú)需低溫生產(chǎn)的氧，顯著降低了從CLC系統(tǒng)去除未燃燒物的能量要求。
[0016]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供了一種用于氧化在煙道流中的未燃燒物的方法?？蓪⒑形慈紵锏臒煹懒鱾鬏斨罜LC系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器。在空氣存在下，在空氣反應(yīng)器中發(fā)生未燃燒物的氧化。通過(guò)在空氣反應(yīng)器中氧化未燃燒物，基本上保持CLC對(duì)CO2捕集的益處，并且避免生產(chǎn)純氧或富含氧的氣體所需的能量，提高系統(tǒng)的效率。
[0017]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供了一種用于氧化未燃燒物的設(shè)備。提供了一種設(shè)備，所述設(shè)備具有空氣反應(yīng)器、與空氣反應(yīng)器連接的燃料反應(yīng)器和與燃料反應(yīng)器連接的氣體處理單元。燃料反應(yīng)器的煙道流設(shè)置用于傳輸至氣體處理單元，用于在進(jìn)一步部分傳輸至空氣反應(yīng)器之前的CO2去除。在空氣存在下，在空氣反應(yīng)器中，部分發(fā)生未燃燒物的氧化。
[0018]通過(guò)有效氧化可能存在于CLC中的未燃燒物，本公開(kāi)的實(shí)施方案降低CLC的能量和資金成本。傳輸燃料反應(yīng)器的煙道流，使得首先除去CO2,并且捕集用于儲(chǔ)存，將CO2降低的煙道流傳輸至空氣反應(yīng)器，用于完全燃燒，而無(wú)需加入純氧或富含氧的氣體?；蛘?，將CO2降低的煙道流傳輸至后燃燒單元，其可供應(yīng)有空氣。在將CO2降低的煙道流傳輸至空氣反應(yīng)器之前，可在后燃燒單元中發(fā)生未燃燒物的氧化。在空氣反應(yīng)器中可回收在后燃燒單元中產(chǎn)生的任何熱量。在另一個(gè)備選中，可將一部分CO2降低的煙道流傳輸至燃料反應(yīng)器，所述部分小于CO2降低的煙道流的100%，并將CO2降低的煙道流的剩余部分傳輸至空氣反應(yīng)器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可將CO2降低的煙道流處理成為兩個(gè)流，一個(gè)進(jìn)入燃料反應(yīng)器，另一個(gè)進(jìn)入空氣反應(yīng)器。可將來(lái)自GPU的CO2降低的煙道流加壓，促進(jìn)分離過(guò)程。例如，膜可用于將CO2降低的煙道流分離成為一個(gè)由較高百分比的未燃燒物組成的流(可將其傳輸至燃料反應(yīng)器)和一個(gè)由較高百分比的惰性氣體組成的流(可將其傳輸至空氣反應(yīng)器)。
[0019]參考圖1，CLC通常包括空氣反應(yīng)器2和燃料反應(yīng)器5，其可為流化床反應(yīng)器，其中將燃料7注入燃料反應(yīng)器5，并且其中燃料反應(yīng)器5還注射有在空氣反應(yīng)器2中形成的金屬氧化物3。燃料的一個(gè)實(shí)例為煤。其它實(shí)例包括但不限于天然氣、合成的氣體(合成氣)和石油精煉廠(chǎng)氣體。采用的金屬氧化物可為用于CLC的任何典型的金屬氧化物，作為實(shí)例，包括氧化鎳、氧化鈣、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鈷和它們的混合物。
[0020]在燃料反應(yīng)器5中燃燒燃料7產(chǎn)生煙道流9。煙道流9含有燃燒的產(chǎn)物CO2和H2O,并且還可包括未燃燒物，例如一氧化碳、氫或甲烷。未燃燒物可在后燃燒單元10中被氧化，其可進(jìn)一步接受純氧或富含氧的氣體流11。將純氧或富含氧的氣體流11而不是空氣供應(yīng)至后燃燒單元10，以防止在到達(dá)氣體處理單元(GPU) 13之前稀釋在煙道流9中的CO2濃度。在后燃燒氧化后，可將后燃燒單元10的煙道流12傳輸至GPU 13。GPU 13冷凝和液化存在于煙道流12中的CO2,并且可將CO2傳輸14用于使用或儲(chǔ)存。在去除CO2之后，CO2降低的煙道流15可經(jīng)由排氣煙?排放。
[0021]參考示于圖2的示例性實(shí)施方案，可將離開(kāi)燃料反應(yīng)器的煙道氣流9直接傳輸至GPU，而不是首先在后燃燒單元10中氧化未燃燒物。GPU 13除去存在于煙道流9中的CO2,并且可將CO2傳輸14用于使用或儲(chǔ)存。在GPU 13中CO2捕集之后，可將可含有未燃燒物的CO2降低的煙道流15傳輸至空氣反應(yīng)器2?？諝夥磻?yīng)器2進(jìn)一步注射有空氣I，使得可在空氣反應(yīng)器2中發(fā)生未燃燒物的氧化。由氧化未燃燒物產(chǎn)生的熱量可用于產(chǎn)生電力?？諝夥磻?yīng)器2還接受來(lái)自燃料反應(yīng)器5的還原的金屬氧化物8。還原的金屬氧化物8可被在空氣反應(yīng)器2中的空氣I氧化，形成金屬氧化物3?？蓪⒔饘傺趸?傳輸至燃料反應(yīng)器5，其可在不同的純化階段(9，12，14)進(jìn)一步接受蒸汽6或部分再循環(huán)的煙道氣，用于流化目的?？蓪⒖砂▉?lái)自氧化未燃燒物的氧化產(chǎn)物的空氣反應(yīng)器2的廢氣排放至大氣4。
[0022]為了保存CLC的CO2捕集益處，典型的CLC系統(tǒng)的后燃燒單元10必須供應(yīng)有純氧或富含氧的氣體11，需要能量和資金費(fèi)用。通過(guò)在空氣反應(yīng)器中氧化至少一部分未燃燒物而不是采用后燃燒單元來(lái)完成氧化，本公開(kāi)避免操作后燃燒單元所需的成本和能量要求。因此本公開(kāi)提供一種用于處理未燃燒物的有效的方法，用于與CLC技術(shù)結(jié)合使用。
[0023]進(jìn)一步參考示于圖2的示例性實(shí)施方案，可將CO2降低的煙道流15的一部分19直接遞送至燃料反應(yīng)器5?？稍谌剂戏磻?yīng)器5中發(fā)生包含在部分19中的未燃燒物的氧化。部分19必須小于煙道流15的100%，使得可通過(guò)空氣反應(yīng)器從系統(tǒng)清除惰性氣體。將部分19遞送至燃料反應(yīng)器可提高系統(tǒng)的CO2捕集效率。
[0024]參考示于圖3的示例性實(shí)施方案，可將可含有未燃燒物的CO2降低的煙道流15傳輸至供應(yīng)有空氣流18的后燃燒單元10，使得在傳輸至空氣反應(yīng)器2之前，在空氣存在下，發(fā)生未燃燒物的氧化。在該示例性實(shí)施方案中，后燃燒單元不需要純氧或富含氧的氣體，因?yàn)樵贕PU 13中已發(fā)生捕集和去除C02?？蓪?lái)自后燃燒單元10的煙道流17傳輸至空氣反應(yīng)器2。或者，可將來(lái)自后燃燒單元10的煙道流17的一部分23排放至大氣。還可將由在后燃燒單元10中氧化未燃燒物產(chǎn)生的熱量傳輸至空氣反應(yīng)器2或間接傳輸至燃料反應(yīng)器5，使得可更精確保持系統(tǒng)的溫度，并且熱量可用于生產(chǎn)電力。
[0025]參考示于圖4的示例性實(shí)施方案，可將可含有未燃燒物的CO2降低的煙道流15傳輸至處理系統(tǒng)20 (其可為膜系統(tǒng))。處理系統(tǒng)20可產(chǎn)生兩個(gè)流。處理系統(tǒng)20的第一流22可富含未燃燒物和CO2,并且可傳輸至燃料反應(yīng)器5。處理系統(tǒng)20的第二流21可具有較高濃度的惰性氣體(特別是氮?dú)?，并且可傳輸至空氣反應(yīng)器2或被排放23。將第一流22傳輸至燃料反應(yīng)器允許在燃料反應(yīng)器中氧化未燃燒物和在GPU 13中回收C02。將第二流21排放或傳輸至空氣反應(yīng)器2允許系統(tǒng)驅(qū)除惰性氣體。當(dāng)氧化后，在流21和22 二者中的未燃燒物釋放能量，產(chǎn)生熱量，可回收該熱量，用于發(fā)電。
[0026]在CO2去除后，通過(guò)將CLC技術(shù)的燃料反應(yīng)器的煙道流至少部分傳輸至空氣反應(yīng)器或單獨(dú)的空氣-操作的后燃燒單元，本公開(kāi)提供一種用于氧化未燃燒物的有效方法。在一方面，本公開(kāi)利用空氣反應(yīng)器來(lái)提供未燃燒物的氧化，從而消除需要供應(yīng)有純氧或富含氧的氣體的后燃燒單元。在另一方面，通過(guò)將熱量傳輸返回至僅空氣反應(yīng)器或傳輸至空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器二者，本公開(kāi)回收在后燃燒單元中氧化未燃燒物期間產(chǎn)生的熱量。在另一方面，本公開(kāi)從惰性氣體(主要為氮?dú)?分離未燃燒物和CO2，并且將未燃燒物和CO2傳輸至燃料反應(yīng)器，同時(shí)將惰性氣體傳輸至空氣反應(yīng)器。因此，本公開(kāi)的各方面提供了一種用于在CLC技術(shù)中處理未燃燒物的有效方法，所述方法通過(guò)降低用于氧化未燃燒物通常所需的純氧或富含氧的氣體產(chǎn)生的資金和能量要求，因此提高CO2捕集的效率，或者通過(guò)回收由氧化未燃燒物釋放的熱量。
[0027]雖然已參考各種示例性實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可進(jìn)行各種變化并且可用等同要素替代其要素，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。此外，可進(jìn)行許多修改，使得具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，而不會(huì)偏離其基本范圍。因此，本發(fā)明并不打算局限于具體的實(shí)施方案，此類(lèi)具體的實(shí)施方案是作為為實(shí)施本發(fā)明所考慮的最佳方式公開(kāi)，而是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。
【權(quán)利要求】
1.一種在化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)中氧化未燃燒物的方法，所述方法包括: 將含有未燃燒物的燃料反應(yīng)器的煙道流傳輸至氣體處理單元； 在所述氣體處理單元中從所述煙道流除去CO2 ； 將所述氣體處理單元的一部分煙道流傳輸至空氣反應(yīng)器； 在所述空氣反應(yīng)器中，用空氣氧化包含在所述氣體處理單元的一部分煙道流中的未燃燒物。
2.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括:將所述氣體處理單元的一部分煙道流傳輸至所述燃料反應(yīng)器。
3.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括:將所述氣體處理單元的煙道流首先傳輸至后燃燒單元。
4.權(quán)利要求3的方法，所述方法還包括:將空氣注入所述后燃燒單元，以氧化未燃燒物。
5.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括:將所述氣體處理單元的煙道流首先傳輸至處理系統(tǒng)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述處理系統(tǒng)為膜系統(tǒng)。
7.權(quán)利要求5的方法，所述方法還包括:將所述氣體處理單元的煙道流分離成為兩個(gè)流，使得第一流具有較高濃度的未燃燒物，而第二流為較高濃度的惰性氣體。
8.權(quán)利要求7的方法，所述方法還包括:將所述第一流從所述處理系統(tǒng)傳輸至所述燃料反應(yīng)器。
9.權(quán)利要求7的方法，所述方法還包括:將所述第二流從所述處理系統(tǒng)傳輸至所述空氣反應(yīng)器。
10.一種氧化在煙道流中的未燃燒物的方法，所述方法包括: 將含有未燃燒物的煙道流傳輸至化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)的空氣反應(yīng)器； 在空氣存在下，在所述空氣反應(yīng)器中氧化未燃燒物。
11.權(quán)利要求10的方法，所述方法還包括:在將煙道流傳輸至所述空氣反應(yīng)器之前，在氣體處理單元中從含有未燃燒物的煙道流除去co2。
12.權(quán)利要求11的方法，所述方法還包括:將含有未燃燒物的煙道流的一部分傳輸至化學(xué)環(huán)路燃燒系統(tǒng)的燃料反應(yīng)器。
13.權(quán)利要求11的方法，所述方法還包括:將含有未燃燒物的所述氣體處理單元的煙道流首先傳輸至后燃燒單元。
14.權(quán)利要求11的方法，所述方法還包括:將含有未燃燒物的所述氣體處理單元的煙道流首先傳輸至處理系統(tǒng)。
15.一種用于氧化未燃燒物的設(shè)備，所述設(shè)備包含: 空氣反應(yīng)器； 與所述空氣反應(yīng)器連接的燃料反應(yīng)器；和 與所述燃料反應(yīng)器連接的氣體處理單元； 其中所述燃料反應(yīng)器的煙道流被傳輸至所述氣體處理單元； 其中所述氣體處理單元的一部分煙道流被注入所述空氣反應(yīng)器； 其中所述未燃燒物存在于所述氣體處理單元的煙道流中。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述氣體處理單元與所述燃料反應(yīng)器進(jìn)一步連接，使得所述氣體處理單元的一部分煙道流傳輸至所述燃料反應(yīng)器。
17.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述氣體處理單元與后燃燒單元連接。
18.權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述后燃燒單元與所述空氣反應(yīng)器連接。
19.權(quán)利要求18的設(shè)備，其中所述氣體處理單元與處理系統(tǒng)連接。
20.權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述處理系統(tǒng)與所述空氣反應(yīng)器連接。
【文檔編號(hào)】B01D53/72GK104203374SQ201380017810
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】M.阿哈, J.格魯布斯特倫 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司