[发明专利]将含碳燃料转化为无碳能量载体

说明书

本申请是申请日为2009年9月28日、申请号为200980141285.8、发明名称为“将含碳燃料转化为无碳能量载体”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及将含碳燃料进行转化的系统和方法。通常利用存在一种或多种化学中间体的还原-氧化(氧化还原)反应将含碳燃料进行转化。

背景技术

为了满足不断提高的对清洁和负担得起的能量载体的要求并且确保现代经济的可持续增长，高度需要将含碳燃料例如煤、原油、天然气、生物质、焦油砂和油母岩转化成无碳能量载体的有效且环境友好的技术。能量载体是可用于产生机械功或热或者操作化学或物理过程的物质或现象。

特别地当CO₂法规为强制性时，现有的含碳燃料转化技术或者为资金密集型(气化或超-超临界粉煤燃烧)，具有低的效率(亚临界粉煤燃烧)，或者其二者兼有。

含碳燃料和空气/蒸汽/CO₂之间借助于金属氧化物介质的化学反应可以表现为一种将燃料进行转化的有效方法。已提出许多使用金属氧化物的技术将含碳燃料进行转化。例如，Watkins的美国专利No.3,027,238描述了生产氢气的方法，该方法包括在还原区中还原金属氧化物，并且在氧化区中用蒸汽氧化经还原的金属以产生氢气。Thomas等的美国公开申请No.2005/0175533和Fan等的PCT申请No.WO 2007/082089均描述了通过如下产生氢气的方法：在碳基燃料和金属氧化物之间的还原反应中还原金属氧化物以提供具有较低氧化态的经还原的金属或金属氧化物，并且氧化所述经还原的金属或金属氧化物以产生氢气和具有较高氧化态的金属氧化物。以含有金属或金属氧化物的陶瓷材料多孔复合物的形式提供金属或金属氧化物。

一种众所周知的方法为蒸汽-铁方法，其中将煤衍生的发生炉煤气与氧化铁颗粒(随后用蒸汽再生)反应以产生氢气。然而，在该系统中使用流化床，这使铁(Fe)在FeO和Fe₃O₄之间循环，没有将所述气体完全转化，并且没有能够产生纯的气体流。Ishida等的美国专利No.5,447,024描述了使用氧化镍颗粒通过化学循环方法将天然气转化为待用于涡轮机的热的方法。然而，该技术具有有限的适用性，这是因为其仅能够高花费地将天然气转化为热/电。因此，限制了该方法的原料和产物。

随着逐渐提高的对更清洁和更有效的能量载体例如电、氢气和燃料的要求，出现了对以较高效率和较低排放产生上述能量载体的改进系统和其中的系统部件的需要。

发明内容

本发明的实施方案提供了将固体、液体和气体燃料转化为有效能量载体的新型系统和方法。在一个实施方案中，提供了用于将固体、液体或气体燃料进行转化的系统并且该系统包括含有许多陶瓷复合颗粒的第一反应器。所述陶瓷复合颗粒包含位于载体上的至少一种金属氧化物，并且所述第一反应器经配置以用燃料将该至少一种金属氧化物还原从而产生还原的金属或还原的金属氧化物。该系统包括经配置的第二反应器以将所述还原的金属或还原的金属氧化物至少部分再氧化从而产生金属氧化物中间体。该系统还包括空气源和与该空气源连通的第三反应器并且该第三反应器经配置以通过氧化所述金属氧化物中间体使至少一种金属氧化物再生。在优选的形式中，燃料为固体燃料或气体燃料。任选地，将燃料转化增强气体(优选包括CO₂、蒸汽和/或H₂)送到其中使该气体与固体流逆向流动的第一反应器。

还提供了制备为例如丸粒形式的陶瓷复合颗粒的方法，该方法包括以下步骤：将金属氧化物与至少一种陶瓷材料混合以形成混合物，将该混合物成粒，和干燥该成粒混合物。将干燥、成粒的混合物加工成使得颗粒的特征长度大于约200μm的颗粒形式。所述颗粒在用于反应器系统之前在约500-约1500℃的温度下热处理并且可以任选地将它们还原和氧化。

考虑以下详细描述、附图和所附权利要求将更全面地理解由本文所述主题的实施方案提供的另外特点和优点。

附图说明

当结合下面的附图阅读时可以最佳地理解本文所述主题的说明性实施方案的以下详细描述，在所述附图中相似的结构用相似的附图标记表示并且其中：

图1是其中提供了由煤和/或生物质产生氢气和/或电的系统而不需要空气分离单元(ASU)的实施方案的示意性图解；