[发明专利]使用固体氧载体来燃烧碳质燃料的方法和设备

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及在流化床中燃烧碳质燃料的方法和设备，其通过用固体氧载体材料将氧气传输到该燃烧工艺来进行。更具体的，本发明涉及能量产生的方法，在这里在第一流化床中将氧气固定到固体氧载体材料上，并且在另一个流化床中，通过该氧载体材料释放出的氧气来燃烧碳质燃料。

现有技术说明

化学循环燃烧是这样一种工艺，其被提出通过将氧气从燃烧空气传输到燃料来用于燃烧该燃料，该传输是通过充当固体氧载体的氧化物化合物来进行的。燃料被引入到所谓的燃料反应器或者燃烧反应器中，并且将来自空气的氧气固定到合适的氧化物化合物上是在另外一个反应器(所谓的空气反应器或者再生反应器)中完成的。使用化学循环燃烧来代替常规的单阶段燃烧的主要优势在于在燃烧反应器中所产生的CO₂不会被氮气稀释。因此，在分离了水之后，来自燃烧反应器的废气几乎是纯的二氧化碳，并且不需要额外的能量或者昂贵的外部装置来用于分离CO₂。

新的化学循环燃烧的发展仍然处于试验工厂和材料测试阶段。已经提出了将金属氧化物，特别是普通的过渡态金属例如铁、镍、铜和锰的某些氧化物用作该氧载体。化学循环原理可以应用于燃气涡轮循环中(其具有加压反应器来用于燃料的燃烧和载体的再生)，或者可以应用于蒸汽涡轮循环中(其反应器中具有大气压)。

在空气反应器中用空气对氧载体进行氧化是一种放热反应。因此，大量的能量是从由该空气反应器中排出的废气、贫氧的空气中回收的。相应的，该氧载体在燃烧反应器中的还原是一种吸热反应，并且消耗了相当大的一部分的由燃料燃烧所提供的能量。虽然带有氧气的化合物的分解仅仅在足够的高的温度发生，但是燃烧反应器还产生了热的废气，主要是CO₂和水。

US专利No.5447024公开了一种通过化学循环燃烧来产生能量的方法，其中在燃料反应器中将烃类燃料与金属氧化物进行反应，来产生含有二氧化碳和水的第一废气，并且将该金属氧化物还原成为还原的固体产物。该还原的固体产物通过在空气反应器中用空气进行氧化，由此成为金属氧化物，并且再循环到燃料反应器中，并且产生第二废气。该第一和第二废气分别通过第一和第二涡轮，来产生功率。因为在燃料和金属氧化物之间发生的化学反应，因此该方法仅仅适于液态或者气态燃料。该方法的另外一种缺点是它的复杂性，特别是因为产生功率所需的两个涡轮而带来的复杂性。

US专利No.6572761公开了一种化学循环燃烧方法，其目的是用于通过使用氧化铁作为氧载体，来燃烧煤或者生物量。根据该专利，对含硫燃料与燃烧床的添加比例进行调整，目的是使FeS的形成最小，否则其会被传输到该空气反应器中。但是，在这种方法中，除了从该燃料中释放出的可燃的挥发性化合物之外，该固体燃料能否被Fe₂O₃有效的氧化仍然是有疑问的。

同样还提出了通过在单独的气化器中首先对燃料进行气化，来将化学循环燃烧用于燃烧固体燃料。但是，这将需要用于气化的另外一种反应器，这将使得该设备甚至更复杂。该另外的气化步骤通常还会降低设备的效率和碳转化率。

US专利No.6143203公开了一种部分氧化烃的方法，在这里将钙钛矿类型的陶瓷混合导体在高温吸附区域和部分氧化区域之间进行循环，该高温吸附区域用于将该混合导体用氧气浸透，该部分氧化区域用于将热的氧气浸透的混合导体与烃进行接触。在该方法的部分氧化阶段中，吸着剂与烃进行反应，由此产生氢气和一氧化碳。出于安全的原因，在返回到吸附装置之前，将从部分氧化中除去的贫氧的混合导体在气提区域中进行处理，来除去残留的未反应的烃和/或部分氧化的反应产物。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种有效的燃烧碳质燃料的方法，通过使用固体氧载体材料来将氧气传输到该燃烧方法。

本发明的另外一个目标是提供一种有效的燃烧碳质燃料的系统，通过使用固体氧载体材料来将氧气传输到该燃烧方法。