[发明专利]带有去除离开氧化区的灰烬和细粒的化学回路燃烧方法以及使用该方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及含有碳氢化合物的固体给料的化学回路氧化还原燃烧的领域，以便产生能量、合成气体和/或氢。

具体来说，本发明涉及去除化学回路燃烧装置中所产生的灰烬和细粒。

技术术语

化学回路燃烧或CLC：在下文中，所谓CLC(化学回路燃烧)是指活性质量上的回路氧化还原过程。一般地说，可以指出的是，术语“氧化和还原”是分别针对活性质量的氧化或还原状态而使用的。在化学回路燃烧装置中，氧化区是氧化还原质量被氧化的地方，而还原区则是氧化还原质量被还原的地方。

液化作用：

在热处理过程中，有机化合物失去挥发物，首先是水和二氧化碳、液体，接着是气态碳氢化合物，进而是一氧化碳并最终是氢。该过程称之为液化作用。液化作用温度和该现象的量级取决于最初的有机化合物。因此，对于等级逐渐提高的煤，液化作用在升高的温度下发生。

流化床：

在其余的描述中：

-所谓致密流化床是指这样的流化床，其中，气体分数(fraction)ε_g小于0.9，较佳地小于0.8，

-所谓稀疏流化床是指这样的流化床，其中，金属氧化物颗粒的体积分数小于10体积％。

上升器

在其余的描述中，所谓上升器是呈管形的垂直外壳，其中，流体经受上升运动。

背景技术

灰烬问题

化学回路燃烧是利用诸如金属氧化物之类的载氧材料进行的，载氧材料在合适的操作条件下在还原区(称作“燃料反应器”)内放出它们的氧。一旦被还原，该材料被运送到氧化区(称作“空气反应器”)，在那里它接触氧化气体(例如空气或水蒸汽)而被再氧化。

更一般地说，化学回路燃烧过程包括一个或多个反应区，其中燃料(例如含碳氢化合物的馈送物)的燃烧是通过与载氧固体接触来进行的，在送回到燃烧(或还原)区之前，该载氧固体其后通过与空气或水蒸汽接触而在至少一个氧化区内再氧化。允许进行化学回路燃烧反应的还原区通常由流化床或传输床组成。

使固体碳氢化合物给料进行化学回路燃烧(CLC)是这样一种方法，其特别地允许通过回收燃烧反应所释放的热量来产生能量(水蒸汽、电力等)，同时产生富含CO₂的烟气。因此，有可能在冷凝和压缩烟气之后考虑捕获CO₂。通过控制燃烧以及在燃烧区的下游进行所需要的净化，还可能产生合成气或甚至氢气。

在与还原区内的化学回路燃烧相关的反应机理中，已经确定，固体燃料经过气化阶段，由于水蒸汽或二氧化碳的存在以及温度的存在，促进了该气化阶段，然后，气化阶段产生的气体经与载氧材料相接触而被氧化。如果固体燃料含有挥发物，则挥发物经与热的载氧材料接触至少部分地液化，然后，挥发物被氧化。在载氧材料根据操作条件自然释放氧的情形中，还可能通过由燃料反应器中材料所释放的气体氧让固体燃料直接氧化。

固体给料的化学回路燃烧需要剧烈和强制的操作条件，以便能够进行燃烧反应。为了有利于燃料的气化，大致在800℃－1100℃之间的高温，较佳地是850℃－1000℃之间的高温是必要的。气化需要的时间随温度变化而减少，一般地在30秒－30分钟之间的范围变化。因此，进行部分的气化以使非气化的燃料残余物与排出物分开并再循环它，这可以是有利的。因此，在850℃－1000℃之间的温度范围内，且反应时间范围在1分钟－10分钟之间，通常为3分钟－5分钟之间，有可能达到范围在50％－80％之间的每次转换率(通过气化)。通过增加部分氧化气体(H₂O、CO₂)的压力可缩短气化时间。

与固体给料的化学回路燃烧相关的另一问题涉及到灰烬的形成。的确，固体燃料具有不可忽略的矿物材料含量，且一旦碳和氢的燃烧完成，便形成称作灰烬的固体残余物。表1借助于实例汇编了对两种煤A和B的分析。可以看到，煤的灰烬量根据固体给料的来源变化，但该灰烬量不可忽略。一般地是干煤质量的5至20％。诸如石油焦之类的某些固体燃料具有低得多的灰烬量。也有带较高灰烬量的固体燃料。

这些灰烬基本上由硅和铝氧化物组成，但它们也含有其它成分，举例来说，如表1所示。

表1：各种煤的分析