含碳燃料部分氧化的化学循环过程的制作方法

含碳燃料部分氧化的化学循环过程的制作方法
【专利摘要】一种含碳燃料部分氧化的化学循环过程。本发明涉及用于将含碳燃料转化为主要含碳产物是CO的气态产物的方法、系统和装置。在一些实施例中，方法和系统还可以在单独的反应中生产H2，H2优选与来自于部分氧化过程的CO混合以提供合成气，反过来，用于生产燃料和化学品。工艺过程和系统可以被调整以便不产生显著量的CO2且不需要空气分离单元。
【专利说明】含碳燃料部分氧化的化学循环过程

【背景技术】
[0001]化学循环过程设计用来将存贮在含碳燃料的能量转移到金属氧化物颗粒中，然后在一个单独的反应中释放该能量。对于产生电力的化学循环燃烧过程的兴趣在过去几十年里增加，因为产生的二氧化碳(CO2)可以被隔离而不需要空气分离装置(ASU)。
[0002]化学循环过程利用各种各样的系统设计和流动类型，例如，移动床、流化床和鼓泡床，已经被设计用于甲烷(CH4)转化为C02。
[0003]移动填充床式反应器中固体燃料(如煤)在移动填充床式反应器的中点被引入形成逆向流动模式(气体向上流动，颗粒向下流动)，使得含碳燃料能够基本上完全转化为隔离的CO2和水(H2O),这样的反应器被记载于美国专利US7767191和美国专利公开US2009/0000194中。金属氧化物例如三价氧化铁(Fe2O3)氧化煤，反应将金属氧化物还原到较低的氧化态(如FeO)或甚至是自由态金属(Fe)。被还原的包含铁的颗粒在一个独立的反应器(采用填充床式或流化床式反应器)中被氧化，完全再生为初始的金属氧化物并产生大量的热量用于生产蒸汽发电。
[0004]西肯塔基大学(Western Kentucky University)的研究人员开发了一种化学循环方法，将移动床和鼓泡流化床(BFB)的组合用于例如煤的固体燃料的完全氧化。
[0005]化学循环气化方法被设计用于制备氢气(H2)以及C02。例如,来自Instituto deCarboquimica的研究人员描述了一种气化工艺,其中氧化镍颗粒在流化床中将CHjPH2O转化为合成气，一种H2和一氧化碳(CO)的混合物，作为主要产物。燃料流包括H2O,这是因为产物H2是该装置和过程的目标产物。
[0006]化学循环过程(化学循环工艺)可以将含碳燃料，尤其是固体燃料如煤，转化为气体产物，CO2不是主要的含碳产品，不需要引入ASU，该过程或工艺将带来巨大商业利益。


【发明内容】

[0007]这里所述的方法、系统和装置可以被用于将含碳燃料转化为CO，以作为燃料转化过程的主要含碳产物。优选的，ASU不必包含在该方法、系统和装置中。
[0008]在一些实施例中，方法和系统可以在一个单独的步骤或反应中生成H2，氢气可以和来自燃料转化过程中的CO混合在一起形成合成气，而合成气又可以被用于使用诸如费-托法等技术生产有机流体(如燃料和化学品)。
[0009]本发明的过程和系统可以被调整以避免产生大量的CO2，和在至少部分实施例中，可以在燃料转化步骤中采用CO2促进CO生成。
[0010]在一个方面，提供一种化学循环方法，含碳燃料被部分氧化提供CO作为主要转化产物。这种转化可以在存在金属氧化物的情况下进行，而金属氧化颗粒进而又能够在另一个容器再生(氧化)后返回燃料转换容器。转化优选发生在含碳燃料和金属氧化物颗粒在同一个方向移动的时候，例如并流模式。
[0011]高放热再生反应产生的热量可以被转移到进行吸热的燃料转化步骤的容器中。这样的热转移可以通过任何一种或多种颗粒移动、反应容器的适当放置(如接近)和循环热输送流体来实现。
[0012]之前所述过程的再生部分也可以被用于生成H2。在这种情况下，整个化学循环过程两个主要产物是合成气的主要成分，这使过程适于和集成其它合成和/或发电过程。
[0013]这里描述的部分氧化化学循环系统和方法制造出的主要反应产物本身对其它过程是有用的。通过参考以前的化学循环燃烧和气化系统的简要描述，和本发明的提出的实施例图表说明和文字表述的详细描述，这些差异和产生的优势被更充分的描述和更容易理解。
[0014]披露的这些和其它非限定性的方面表述如下。
[0015]在本文中除非有明确的相反的意思表述，这里给出的任何气流，原料或产品中的百分比含量都是体积百分比(v/v)，其它以百分比形式给出的值是重量百分比(w/W)。当符号“~”连接数字时，其含义由周围的环境所决定，数字本身包括一定程度的和数量测定方法有关的误差。
[0016]相关部分的特别引用专利和/或公开专利申请都是通过引用结合。

【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是现有技术中化学循环燃烧系统的示意图。
[0018]图2是现有技术中使用多步骤过程再氧化被还原的金属氧化物颗粒的化学循环燃烧系统的示意图。
[0019]图3是根据本发明的部分氧化化学循环系统实施例的示意图，该系统理想地可导致少量CO2产生。
[0020]图4是根据本发明的部分氧化化学循环系统实施例的示意图，该系统采用了多个步骤过程再氧化被还原的金属氧化物颗粒。
[0021]图5是用于通过费-托法制备有机物流体并结合了部分氧化化学循环系统实施例的系统的不意图。
[0022]图6a是用于通过水煤气变换(WGS)方法制备H2的系统结合了部分氧化化学循环系统实施例的系统的示意图。
[0023]图6b是用于通过WGS方法制备H2的系统结合了采用天然气(甲烷)作为燃料的部分氧化化学循环系统实施例的系统的示意图。
[0024]图7是用于通过费-托法制备有机物流体并结合了 WGS和一个部分氧化化学循环系统实施例的系统的示意图。
[0025]图8是用于通过WGS和CO2加氢过程制备有机物流体的系统结合了部分氧化化学循环系统实施例的系统的不意图。
[0026]图9是使用气体和蒸汽涡轮发电系统结合了部分氧化化学循环系统的实施例的示意图。
[0027]图10是发电和氢气制备系统结合了部分氧化化学循环系统的实施例的示意图。
[0028]图11是燃料电池结合了部分氧化化学循环系统的实施例的示意图。
[0029]图12a是C0/C02在不同氧化态的铁的存在下的分压平衡曲线图。
[0030]图12b是Η2/Η20在不同氧化态的铁的存在下的分压平衡曲线图。

【具体实施方式】
[0031]参照附图可以获得对此处揭示的工艺和设备更完整的理解，这些附图示意性地示出了现有技术和/或当前的发展，因此这些附图不旨在表示组件或部件的相对大小和尺寸。在那些附图和下面的表述，相同的数字标示指相同功能的组件。特殊的术语是为了描述清楚，但是这些术语仅指附图中选择用于说明的实施例的特定结构，不旨在限定或限制公开物的范围。
[0032]图1描绘了现有技术中的化学循环燃烧系统。直接燃烧系统燃烧所需的氧要通过气态氧气(纯净的或作为空气组分)的形式提供，与直接燃烧系统不同，化学循环燃烧系统10燃料转化反应器11中使用金属氧化物颗粒来释放氧原子到含碳燃料中，可以用分子式CxHyXz表示，其中X是正整数，y ( 2x+2, z是零或正数，和X代表除C和H之外的其它元素(如0，S，Hg等)。燃料可以是或包含固体、液体或气体，非限定性的例子包括煤、原油或其精制产品，富含油的固体如页岩或油砂、生物质、富含烃的气体(如天然气)、C0、石油焦、燃料电池的废气等。固体或液体燃料选择性的可以在被金属转移氧氧化前被气化。(图1和随后的图中燃料进入燃料转化反应器11的进入点不被限定在所示的位置。示意图仅用于示出输入和输出，不限定位置关系除非附文说明。)
[0033]燃料转化反应器11可以是任一种设计，非限定性的例子包括移动或固定床反应器，一种或多种流化床反应器，回转窑等，所有这些都由可以耐操作温度从~1000°到~1500°C的材料构成，较佳地，反应器被设计和构件成能够使热损失最小，例如通过使用耐火材料衬里。燃料转化反应器11典型的操作温度在约600°到约1200°C和操作压力从约0.1到约20MPa。在燃料转化反应器中的停留时间有很大不同，例如，从约0.1到约20小时，通常从约0.2到约10小时，典型地从约0.3到约5小时。
[0034] 移动床反应器典型地采用密相固体金属氧化物颗粒向下移动，同时燃料和产品气体向上移动，例如，逆流接触模式。上述美国专利US7767191和美国专利公开US2009/0000194改进了这种流动模式，在偏下游的位置引入固体燃料，如粉煤，同时在燃料转化反应器11靠近顶部的地方引入金属氧化物颗粒。(这里，本文的整个余下部分，术语“下游”和“上游”是指基于整个金属氧化物颗粒位移空间关系，不必是基于相对位置或高度。)燃料迅速挥发并形成焦炭，其然后与向下流动的金属氧化物颗粒反应，通过在移动床靠近底部引入少量的H2生成H2O,从而与焦炭反应并气化。(在靠近移动床底部引入少量的CO2可以进一步通过反向Boudouard反应(碳素溶解损失反应)促进焦炭气化)。大量完全氧化的金属氧化物颗粒的获得允许完全或接近完全将烃转化为CO2和H20。含碳燃料产生的气体沿基本与金属氧化物颗粒流动方向相反的方向流动。
[0035]当热和、完全氧化的金属氧化物(M0S，s代表M的高氧化态)和燃料反应(燃烧)产生通常的燃烧产物(主要是0)2和!120)时，热的、完全氧化的金属氧化物颗粒被还原。冷却的、还原的金属氧化物(MOy其中r代表M的较低氧化态，如r < s)颗粒被转移到颗粒再生单元12，在再里被再氧化。如图1和其它图中所示空气被作为氧化剂，任何包括大量O2(例如，至少~1%体积，一般至少~5%体积，典型的至少~10%体积)的气体都可以使用。分段将空气引到颗粒再生单元12可以帮助控制热量释放，使得颗粒温度维持在一个范围内，保证活性和机械性能的完整。
[0036]还原的金属氧化物颗粒的氧化是高度放热的，颗粒再生单元12典型的操作温度是~1000°到~1500°C和压力从~0.1到~20MPa。MOr颗粒进入颗粒再生单元12升温到几百摄氏度，该温度低于MOs进入燃料转化反应器11的温度。尽管图1中没有显示，发生在颗粒再生单元12中的高放热氧化过程释放的热可以被用于产生蒸汽。
[0037]颗粒再生单元12可以是提升容器(lift vessel)的形式，MOr颗粒靠近底部进入和空气靠近底部和/或靠上的两侧进入(part way up the sides)。颗粒再生单元12可以是耐热衬里或有膜壁墙结构，后者提供附加的蒸汽生成机会。
[0038]在系统10和下面描述的其它系统,金属氧化物颗粒可以在系统内被输送,通过气动输送机、带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机、移动床、流化床反应器等。
[0039]在一些实施例中，再生MOs颗粒没有退化，经过多次循环后仍然保持了接近全部的功能/活性。
[0040]前述美国专利US7767191宣称通过将金属氧化物包含在多孔复合材料中取得了高能量转移效率，，改进增加了用于发生氧化还原反应的表面积，提高了颗粒经过多次循环过程的生存能力。多孔复合物可以是球形、孔径在~2到~25nm的介孔基质或平均直径约0.05到约50mm的颗粒。复合物的陶瓷材料的组成可以是Al、T1、Zr、Y、S1、La、Ba、或Sr的氧化物、或S1、Ti或Fe的碳化物；金属氧化物的金属是过渡金属，例如Fe、Cu、N1、Sn、Co、V、Ru、Zn、Mn或Mo ;和选择性的改进剂或催化剂可以是Fe、Cu、L1、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Sr、Ba、B、P、N1、Sn、Co、V、Zn、Ga、Rh、Mo、Pt、Pd、Ag、Ru、Cr 或 Ca 或其氧化物或硫化物。非限定性的可能有用的复合物的例子包括Fe2O3负载于Ti02、Al2O3和T12和混合物、或Y稳定的Zr。
[0041]发生在化学循环燃烧系统10中的整个反应类似于一个更标准的直接燃烧过程中的反应，例如烃和氧气转化成CO2和H20。然而，和直接燃烧过程产生CO2不同，燃料转化反应器11中产生的CO2是高浓度的(至少~90%纯度)，和因此更容易被隔离。加压燃料转化反应器11可以促进隔离CO2产品的进程。
[0042]图2所示描述了第二种化学循环燃烧系统的现有技术。除了图1中的燃烧系统10中采用的组件，化学循环燃烧系统20在燃料转化然应器11和颗粒再生单元12之间插入了制备H2单元13。因此，除了如图1所示的化学循环燃烧系统10可产生的主要产物(CO2和H2O)，化学循环燃烧系统20还可以制造H2。
[0043]制造单元13典型的操作温度是从~400°到~1200°C和压力是从~0.1到~15MPa。
[0044]在图2描述的系统和工艺过程中，当MOs颗粒(s再次代表M的高氧化态)将燃料氧化成CO2和H2O时，其被还原为MOq (q是M的低氧化态)。在被转移到颗粒再生单元12被完全氧化为s氧化态之前，在H2制造单元13，H2O被还原为H2的同时，还原的MOq颗粒被部分氧化成MOr态(r代表M低于s但是高于q的氧化态，例如q < r < s)。
[0045]由于在增加的步骤中H2是希望得到的产品，这种类型的系统必须使用有超过两个常见氧化态的金属(如铁)。使用铁作为代表性的金属，MOs可以是Fe2O3 (Fe是+3氧化态)，MOq可以是FeO或Fe (Fe分别是+2或O氧化态)，和Μ(\可以是Fe3O4 (Fe是+2/+3氧化态)。图12a和12b揭示了分别在C0/C02和Η2/Η20的情况下铁的不同氧化态的分压平衡曲线。
[0046]图3中化学循环部分氧化系统30在燃料转化反应器11中使用了金属氧化物颗粒氧化如上所述的含碳燃料，典型的是含碳固体，附带条件CO较佳地不作为燃料，这是因为它是希望的产物。有利的，含碳燃料可以是一种或多种煤粉。如之前所述的与化学循环燃烧系统10相关的各种金属氧化物颗粒、装置和许多条件在这里都可以应用。
[0047]燃料转化反应器11可以包括单个的反应器床或组合的或堆积的多个反应器床，例如，包括多个反应区的设计。形状和装备不特别关键，只要金属氧化物颗粒和燃料引入的方式能建立大致的并流方式或机制，这有助于防止金属氧化物颗粒燃烧(即，完全氧化)燃料。完全氧化金属氧化物(MOs)颗粒和燃料可以被一起引入，或者燃料在MOs颗粒引入的位置下游不远处被引入(反之亦然)，在这种情况下，金属氧化物颗粒通常的流动典型的是竖直的，即从顶部到底部。在流化床或鼓泡床中的金属氧化物颗粒和燃料也可以实现并流，尽管在每个区域内振荡(例如非线型)，但它们可以在同一方向彼此伴随，在本质上以并流方式区到区地移动。
[0048]前面提到，化学循环部分氧化系统30旨在生产尽可能多的CO，尽可能少的CO2。换句话说，化学循环部分氧化系统30中燃料转化反应器11的占主导地位的含碳产物是CO。“占主导地位的”的意思是在所有至少包含一个碳原子的气态燃烧产物中占至少50%，常见地至少55 %，更常见地至少60 %，典型的至少65 %，优选70 %。
[0049]再次参照图12a，其中构成金属氧化物颗粒M的铁在不同的氧化态，进行燃料转化反应在~1100°C (与MOs颗粒被引入燃料转化反应器11的温度相关，优选甚至更高)导致产物混合物是~70% CO和~30% CO2。许多金属的平衡曲线不允许有如此高的比例，然而一些金属，例如Co，可能允许更高的比例，例如高达~85%、~90%或~95% CO。
[0050] 发生在化学循环部分氧化系统30中的燃料转化反应器11中的氧化过程涉及烃和O2转化为CO和H20。(副产物H2O在图3中被忽略是为了强调CO是主要的，希望的产物。)这个反应通过使用一种或多种改进气体(增强气体)可以进行改进，改进气体即是指被设计用于加速燃料和MOs颗粒的反应的气体。非限定性潜在的有用的改进气体包括C02、H2O (如蒸汽)、CO和H2。改进气体可以在燃料转化反应器11的上游部被引入，典型的在或靠近燃料引入点，或当燃料转化反应器11在流化床条件下操作时，在非常下游的位置。
[0051]尤其是在燃料是固体如煤粉的情况下，特别有兴趣作为改进气体的是C02，因为它有能力参与Boudouard反应，
[0052]C+C02 — 2C0
[0053](该反应的逆反应被忽略因为在燃料转化反应器11中的温度条件下这里示出的反应方向是主导的。)
[0054]一些，最多基本上所有，通过在燃料转化反应器11的上游位置的Boudouard反应导到的CO产品可以和MOs颗粒反应，产生更多的CO2和因此建立一个链反应。
[0055]在燃料转化反应器11的非常上游位置固体碳转化为⑶是占优势的，这是因为整个反应(例如烃转化为CO)的效率是明显增加的。尤其是，众所周知固-固反应很慢，需要两个颗粒的实际接触一段更长的时间，气-固反应的动力学要好一些。
[0056]由于在燃料转化反应器11上游位置的MOs颗粒通过CO到CO2的反应被部分还原，[CO]: [CO2]可能的最大比增加了，例如再次参照图12a，建立了一条不同的平衡曲线。
[0057]部分氧化系统30产生的CO产品可以被捕获，或在一些实施例中，使用包括一种或多种如下所述的方法。出现在燃料中的痕量元素(例如Hg、As、Se、S以及类似)可能不和金属氧化物颗粒反应，如此的话，需要将其从气态产物中除去，在那里希望得到特别纯净的CO气流。通常的技术人员可以预见多种类型的洗涤、分离、吸附和清洁单元，并且也能预见如何将这些单元与部分氧化系统30结合(或适合于结合)。
[0058]被还原的MOr颗粒(其中s和r和前述图1的说明相关，具有相同的含义)被转移到颗粒再生单元12重新被氧化为MOs颗粒。在一些实施例中，MOr颗粒可以在快速流化床(与再生单元12相当)中再生并再返回燃料转化反应器11进入另一个循环。发生在再生单元12中的反应释放的能量优选直接去到燃料转化反应器11，支持那里主要的吸热反应。
[0059]图4所示揭示了根据本发明所述的包含还具有制造H2的能力的化学循环部分氧化系统。和图2所示的现有技术系统一样，化学循环部分氧化系统40使用金属氧化物颗粒在燃料转化反应器11中氧化含碳燃料(优选固体例如煤粉)，系统40还采用了氏制造单元13，和颗粒再生单元12。和图2所示的现有技术系统相同，化学循环部分氧化系统40涉及当燃烧燃料时还原MOs颗粒到MOq态和在H2制造单元13当H2O被还原为H2时氧化物颗粒从MOq态变为MOr态；M0S金属氧化物颗粒被送回燃料转化反应器11之前在颗粒再生单元12内重新形成。
[0060]离开燃料转化反应器11的MOq颗粒可以被引入(通常是直接地)H2制造单元13，同时从单元13靠近底部的位置引入蒸汽氧化移动的MO,颗粒并生成H2，而H24更靠近顶部的位置离开单元13。任何出现在H2中的蒸汽可以被分离通过，例如，冷凝。另外，如果希望，至少部分H2可以被循环回燃料转化反应器11或送到其它地方。
[0061]尽管MOs可能直接在再生单元13生成，更典型的结果是在生成中间态(部分氧化的)MOr形式。在这种情况下，MOr颗粒被输送到颗粒再生单元12，在那里以任何氧化性气体(典型的为空气)的氧化形成完全氧化态的MOs颗粒。
[0062]和图2所示的系统20产生CO2不同，在化学循环部分氧化系统40，烃和O2被转化成CO和H2。因此，这个过程产生的两个有益的产物，CO和H2可以捕获用于后续的应用，或者更常见的，立即被用于一种或多种以下描述的应用。
[0063]图5-11描述了之前所述的化学循环部分氧化系统的各种装置。这些都是为了表明本发明的系统与现有系统和设备共同使用的灵活性，以及为希望设计集成的合成或生产系统的本领域普通技术人员提供一些示例性的实施例。
[0064]图5所示代表了一种集成的有机物流体生产系统，其中每一种用于合成的合成气主要组分都是由化学循环部分氧化系统提供的，例如图4中所示的系统。术语“有机物流体”旨在包括气态和液态的烃，其可以被用于替代一些典型的石油精制产品，例如燃料和相对(较)短链的化学品，并且包括但不限制为汽油和柴油燃料。在单个的系统中制造和结合合成气组分的能力可以预见到其有巨大的成本和加工优势。例如通过有机物流体制造系统50制造出的合成气的氢碳比可以以一种不可能在其它的化学循环系统中实现的方法调整，即，通过改变单元13中H2的产量，这一特点提供了在费-托反应器14中生产的有机物流体的范围内的灵活性。
[0065]有机物流体制造系统50有一个类似于结合图4描述那种的部分氧化系统，并集成了 F-T合成反应器14。费-托法和装置都是本领域技术人员熟知的，所以这里不提供一个完整的描述；作为附加信息，有兴趣的读者可以查阅各种来源，包括美国专利US1746464和引用该专利的专利，以及Emerging Fuels Technology公司主导的“费-托档案(Fischer-TropschArchive) ”的网站以及从该网站上可获得的印刷品，(申请提交时的网址为 f ischer-tropsch.0rg)。
[0066]为了防止在费-托反应器14中使用的催化剂失活，任何来自燃料转化反应器11、伴随CO燃烧产物的酸性气体优先被洗涤或在其进入反应器14前清除。
[0067]图6a和6b (后者是前者所述广泛类型中一个具体的实施例)示意性的表示采用WGS反应的H2发生系统，其中CO被转化为CO2，在该过程中更多的H2被释放出来。(WGS反应可以从合成气中提供相对高纯度的H2，尽管它必须从其它产物和副产物气体中分离出来；参见例如美国专利5827496，6007699，6667022，和6669917，这些专利涉及使用石灰和铁氧化物的混合物将合成气分离成独立的湿H2流和C0/C02流的化学循环方法。)
[0068]在这些图中，H2发生系统60包括集成WGS反应器15和气体分离单元16的化学循环部分氧化系统，化学循环部分氧化系统例如为图3所示的部分氧化系统30，。产生于燃料转化反应器11的CO被转移到WGS反应器15，在此它与输入的蒸汽反应产生CO2和H2的混合流，这些气体在单元16被分离成组成组分。得到的H2产品可以用作燃料(直接或作为燃料电池的原料)或作为各种工业过程(如生产合成气)的原料。
[0069]图6b中的H2发生系统60特定气态或气化的烃例如CH4 (其使用如图6b所示)、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、C4H1(I等。!12发生系统60的实施例实质上是一种替代蒸汽甲烷重整(SMR)的方法，其中的原料(典型的是天然气)与蒸汽反应生成合成气，其效率大大降低，因为必须将CO2与H2分离。
[0070]图7示意性的表述了一个集成的有机物流体制造系统，用于流体合成的合成气的主要组分由如结合前述图3描述的那样的化学循环部分氧化系统和WGS工艺过程提供。具体而言，有机物流体制造系统70包括H2发生系统，例如图6a所示的系统60，集成了费-托反应器14。总的效果是有效产生和图5的有机物流体制造系统50相同的效果，尽管通过用WGS反应器15和气体分离单元16替换了氢气制造单元。这可能在一个情况下可能是希望的，例如现有的WGS/分离装置就位且结合化学循环燃烧系统是易控的。
[0071]图8示意性的表述了可替代的集成的有机物流体制造系统，其中流体合成中的合成气的主要组分来源于化学循环部分氧化系统和集成的wgs/co2氢化系统。具体的，有机物流体制造系统80包括化学循环部分氧化系统(例如图3的部分氧化系统30)、WGS反应器15和CO2加氢反应器17，其中化学循环部分氧化系统被设计用于产生制造CO作为主要的含碳的燃烧产物。燃料转化反应器11制造的CO产品转移到WGS反应器15，在那里其和输入的水蒸气反应产生CO2和H2的混合流，在CO2加氢反应器17中转化为一种或多种有机物流体。总的效果是有效产生和图5的有机物制造系统50相同的效果，尽管包含WGS反应器15和CO2加氢反应器17的组合代替了氢气制造单元。这可能在一种情况下是希望的，现有的WGS/加氢装置就位且结合化学循环燃烧系统是易控的。
[0072]图9和10示出了发电系统，该发电系统基于化学循环部分氧化系统或被改进包含化学循环部分氧化系统。
[0073]图9示意性的示出了一个组合循环发电系统，它组合了化学循环部分氧化系统。发电系统90采用由化学循环部分氧化系统(如之前图3描述的那种系统)生产的CO，以为气体涡轮18提供动力，并最终为蒸汽涡轮21提供动力。气体涡轮18的排出流流入蒸汽产生单元19，在这里热量将输入的水加热煮沸，产生的蒸汽为蒸汽涡轮提21提供动力。在另一个实施例中，锅炉可以被用于替代气体涡轮18和蒸汽产生单元19。(发电系统90的一个小缺点是CO2产品不能对自身进行分隔。)
[0074]图10示意性的示出一种组合了化学循环部分氧化系统的可替代的发电系统。发电系统100采用了如前述图6a中的系统60的氢气制造系统，流出气体分离单元16的H2流被直接用于气体涡轮发电机18。从气体涡轮18到蒸汽涡轮21，该系统和图9中所述是相同的。然而，由于输入，系统100的燃料转化部分不产生任何C02，CO2排出气体分离单元16
可以简单隔离。
[0075]图11示意性的示出了一个燃料电池供电系统。发电系统110使用氢气发生系统，例如图6a所述的系统60，排出气体分离单元16氢气流被引向并用于燃料电池22，例如固体氧化物燃料电池。燃料电池技术的持续发展，可能会产生由CO驱动的燃料电池，这将允许WGS反应器15和气体分离单元16从系统110中略去。
[0076]图5-11所示的系统是为了以非限定性的方式向本领域技术人员说明化学循环部分氧化系统提供CO作为主要的含碳燃烧产物的潜在的应用广度和范围。包括在这些图中的许多的子系统是或可以适于至少一些模块，因此，本领域技术人员可以将在先表述的一个或更多部分适用于另外的过程或系统。因此子系统的其它组合也是可以想象的。
[0077]本发明已经描述了参考示例性实施例。显然，其他人在阅读和理解了前面详细描述后会修改和变化。只要它们在所附的权利要求和或其等同的范围内，这样的修改和变化都应该在本发明解释的公开内容中。
【权利要求】
1.一种以含碳燃料提供以CO为主要含碳产物的气态产出物的方法，所述方法包括使所述含碳燃料和在第一反应器中的金属氧化物颗粒实质上以并流流动的方式接触，所述颗粒从第一、较高的氧化态还原到第二、较低的氧化态，从而提供所述的气态产出物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，处于所述第二、较低的氧化态的所述金属氧化物颗粒被转移到单独的床反应器中被氧化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，蒸汽被加入到所述单独的床反应器，从而提供H2和处于第三、中间氧化态的金属氧化物颗粒。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将H2与来自所述第一反应器的所述气态产出物中的CO结合，以提供合成气。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述金属握拳化物颗粒被引入所述第一反应器之前，处于所述第三、中间氧化态的所述金属氧化物颗粒被转移到第三反应器，以与含氧气体反应，从而提供处于所述第一、较高氧化态的所述金属氧化物颗粒。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括使部分所述的CO进行水煤气转换反应，得到的H2与另一部分所述CO结合以提供合成气。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，进一步包括将合成气引导至气体分离单元，将合成气分离成其组成成分。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，进一步包括所述CO和所述H2进入费-托合成反应器制造有机物流 体。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，含氧气体流在被引入到所述第一反应器之前，被引入到所述的第二反应器中，以提供处于所述第一、较高氧化态的金属氧化物颗粒。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将CO2引入到所述第一反应器中以促进通过碳素溶解损失反应产生CO。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，进一步包括将所述CO进行水煤气转换反应，并回收得到的氢气。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，进一步包括将部分所述的CO进行水煤气转换反应，并对得到的二氧化碳进行加氢反应。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于，进一步包括引导气态产出物到气体涡轮。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述含碳燃料包括固体颗粒。
15.根据权利要求14的方法，其特征在——所述固体颗粒包括煤粉。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述金属氧化物颗粒是多孔复合物形式的铁氧化物。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于，气态产出物中CO: CO2的比值是至少60: 40。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，气态产出物中CO: CO2的比值是至少65: 35。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物颗粒存在于移动填充床式反应器中。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触步骤发生在移动床反应器。
21.如权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述接触步骤发生在流化床反应器中。
【文档编号】C10J3/54GK104046393SQ201410186648
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】L·G·贝拉兹克兹-瓦尔佳斯, T·J·弗林, B·B·萨卡德简, D·J·迪瓦尔特, D·L·克拉夫特 申请人:巴布科克和威尔科克斯能量产生集团公司