[发明专利]生产高纯度氮气的CLC方法和设备

说明书

本发明涉及产生高纯度氮分子的CLC方法、以及用于所述方法的设施，所述方法包括：(a)通过与原料接触的氧化还原活性物质进行还原使得烃原料燃烧；(b)第一氧化步骤，使得来自步骤(a)的经还原的活性物质(25)与一部分经损耗的空气流(21b)接触，以生产高纯度氮分子流(28)和部分再氧化的活性物质流(26)；(c)第二氧化步骤，活性物质流(26)与空气(20)接触以产生经损耗的空气流、和意图在步骤(a)中使用的经再氧化的活性物质流(24)；(d)对来自步骤(c)的经损耗的空气流进行分割，以形成在步骤(b)中使用的经损耗的空气部分以及从CLC提取的剩余的经损耗的空气部分。

技术领域

本发明涉及通过化学环路燃烧(CLC)进行烃进料燃烧的领域，更具体地涉及CLC中的氮气生产。

大体情况

化学环路燃烧(CLC)包括在活性物质(通常是金属氧化物)上进行氧化还原反应来将燃烧反应分割为两个连续的反应：第一反应，用于活性物质与氧化气体接触进行氧化；以及第二反应，用于活性物质与待燃烧的进料接触进行还原。CLC方法类似于富氧燃烧，主要区别在于不像氧燃烧的情况那样提供纯的专用氧气流，而是通过用作氧输送体的氧化还原活性物质来提供燃烧。该固体材料是颗粒形式的，通过气态试剂气动输送。这些颗粒在称为空气反应器的第一反应区中与空气接触进行氧化。随后，将其输送至称为燃料反应器的第二反应区中，在第二反应区中与待进行燃烧的固态、液态或气态烃进料接触。通过氧输送体材料的颗粒所输送的氧提供了进料的燃烧。这获得了通过进料燃烧所形成的气态流出物和经还原的颗粒流。使得颗粒返回空气反应器，用于在其中进行再氧化，由此结束循环。

应当注意的是，术语“氧化”和“还原”通常分别用于关于活性物质的氧化状态或还原状态。氧化反应器也称为空气反应器，是氧化还原物质进行氧化的反应器，还原反应器也称为燃料反应器，是氧化还原物质进行还原的反应器。反应器以流化床模式运行，并且活性物质在氧化反应器和还原反应器之间循环。使用循环流化床技术能够使得活性物质在氧化反应器中的氧化状态和还原反应器中的还原状态之间连续变化。

化学回路燃烧可以用于产生能量，例如，以蒸汽或电的形式产生能量。进料燃烧的热量类似于常规燃烧中产生的热量。这与化学回路中氧化和还原的热量总和相对应。一般通过交换器来提取热量，所述交换器位于燃料和/或空气反应器的壁内或壁上，或与燃料和/或空气反应器有关，在烟雾管线上或在活性物质输送管线上。

使用化学回路燃烧的主要优点是将CO₂与燃烧空气进行固有分离，目的是捕获CO₂并将其存储在例如深蓄水层中，或者目的是使其提高，例如通过使用CO₂以提高增强的原油回收(EOR)或增强的气体回收(EGR)过程中油田开发的产率。

来自该燃烧模式的另一优点是：产生了经损耗的空气，即，非常富含氮气的流。该经损耗的空气在空气反应器中活性物质进行氧化之后获得。

该流出物的氮气纯度具体取决于所选择的燃烧模式，并且具体取决于为了确保空气反应器中活性物质颗粒令人满意地再氧化所需的过量空气。通常，为了设想完全燃烧(total combusion)，需要过量空气用于氧化反应，以确保在空气反应器中使得颗粒完全再氧化。在本说明书中，该过量空气同样已知为相对于空气的超化学计量比。

使用过量的空气导致空气的流速高于在化学计量条件下进行氧化反应所需的空气流速。用于进行活性物质氧化反应的过量空气越多，则流出物的氮气纯度越低，并且特别是，流出物将包含的残留氧气的量越大，因为空气中的氧并不是完全用于使得活性物质氧化。这种过量的空气由经氧化的活性物质以及空气反应器出口处的气态流出物(即，经损耗的空气)的热力学平衡控制。

因此，空气反应器中需要空气的超化学计量比，以确保在整体燃烧环境中活性物质令人满意的氧化。然而，在CLC方法中通常以一次进行，该情况与高纯度氮气流的生产是不相容的。