用于燃料轉(zhuǎn)化的方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)涉及 2013 年 2 月 5 日提交的題為"HighQualitySyngasProduction UsingCompositeMetalOxides" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/761，016(案卷號(hào)OSU0080 MA)，以及 2013 年 3 月 13 日提交的題為"SystemsandMethodsforCo-CurrentChemical LoopingSystems"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/779, 243(案卷號(hào)OSU0080M2)，兩者的教 導(dǎo)以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開涉及化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)和方法，具體涉及用于由原料燃料制備合成氣的系統(tǒng)和 方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 持續(xù)需要清潔有效的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。產(chǎn)生能量載體（如蒸汽、氫氣、合成氣體（合 成氣）、液體燃料和/或電力）的商業(yè)過程中的許多是基于化石燃料。此外，由于相比于一 些可再生源的更低的成本，對(duì)化石燃料的依賴預(yù)計(jì)在可預(yù)見的未來繼續(xù)。碳質(zhì)燃料的目前 的轉(zhuǎn)化方法可將大量的二氧化碳排出至環(huán)境，并可能要求顯著的資本和操作成本。由于煤 的復(fù)雜內(nèi)容物，在這些過程中也可產(chǎn)生硫和氮化合物。
[0005] 存在對(duì)可有效轉(zhuǎn)化燃料并同時(shí)減少污染物的用于轉(zhuǎn)化燃料的改進(jìn)系統(tǒng)和方法以 及其中的系統(tǒng)部件的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可通過包括如下的方法轉(zhuǎn)化為合成氣：將燃料和復(fù)合金 屬氧化物以相對(duì)于彼此并流流動(dòng)的方式進(jìn)料至還原反應(yīng)器中；使用所述燃料還原所述復(fù)合 金屬氧化物，以形成合成氣和經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物；將所述經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物 輸送至氧化反應(yīng)器；通過在氧化反應(yīng)器中用氧化試劑氧化所述經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物而 再生復(fù)合金屬氧化物；和將經(jīng)再生的復(fù)合金屬氧化物再循環(huán)至還原反應(yīng)器，從而用于隨后 的還原反應(yīng)以產(chǎn)生合成氣。所述復(fù)合金屬氧化物可為包含第一金屬氧化物（primarymetal oxide)和第二金屬氧化物（secondarymetaloxide)的固體粒子。
[0007] 在另一實(shí)施方案中，天然氣可用作燃料，并可通過包括如下的方法轉(zhuǎn)化為合成氣： 將燃料和復(fù)合金屬氧化物以相對(duì)于彼此并流流動(dòng)的方式進(jìn)料至還原反應(yīng)器中；使用所述燃 料還原所述復(fù)合金屬氧化物，以形成合成氣和經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物；將所述經(jīng)還原的 復(fù)合金屬氧化物輸送至氧化反應(yīng)器；通過在氧化反應(yīng)器中用氧化試劑氧化所述經(jīng)還原的復(fù) 合金屬氧化物而再生復(fù)合金屬氧化物；和將經(jīng)再生的復(fù)合金屬氧化物再循環(huán)至還原反應(yīng) 器，從而用于隨后的還原反應(yīng)以產(chǎn)生合成氣。所述復(fù)合金屬氧化物可為包含第一金屬氧化 物和第二金屬氧化物的固體粒子。所述復(fù)合金屬氧化物可包含氧化鐵和氧化鈦；或者所 述復(fù)合金屬氧化物包含氧化鐵和氧化錯(cuò)。氧化鐵可在還原反應(yīng)中由Fe0x還原至FeOy，且 1.5>x>l>y>0. 3〇
[0008] 根據(jù)又一實(shí)施方案，燃料可通過包括如下的方法轉(zhuǎn)化：使用燃料還原復(fù)合金屬氧 化物，以形成合成氣和經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物；和通過用氧化試劑氧化所述經(jīng)還原的復(fù) 合金屬氧化物而再生復(fù)合金屬氧化物。所述復(fù)合金屬氧化物為可包含第一金屬氧化物和第 二金屬氧化物的固體粒子。所述復(fù)合金屬氧化物可包含氧化鐵和氧化鈦；或者所述復(fù)合金 屬氧化物可包含氧化鐵和氧化鋁。復(fù)合金屬氧化物的還原和復(fù)合金屬氧化物的氧化可在具 有氣體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的固定床中進(jìn)行?；蛘撸鰪?fù)合金屬氧化物的還原可在還原反應(yīng)器中進(jìn) 行，其中所述還原反應(yīng)器為包括兩個(gè)氣體出口的移動(dòng)床反應(yīng)器，且所述復(fù)合金屬氧化物的 還原產(chǎn)生合成氣和C02?；蛘撸瑥?fù)合金屬氧化物的還原和氧化可在膜基反應(yīng)器中進(jìn)行，其中 所述復(fù)合金屬氧化物集成至所述膜基反應(yīng)器的燃料側(cè)。
[0009] 用于化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的裝置和方法以及用于制造其的方法和過程的另外的特征和 優(yōu)點(diǎn)在如下詳細(xì)描述中闡述，且根據(jù)所述描述，所述另外的特征和優(yōu)點(diǎn)部分對(duì)于本領(lǐng)域技 術(shù)人員而言是易于顯而易見的，或?qū)⑼ㄟ^實(shí)施本文描述的實(shí)施方案（包括如下詳細(xì)描述、 權(quán)利要求書以及所附附圖）而被認(rèn)識(shí)。
[0010] 應(yīng)了解前述一般描述和如下詳細(xì)描述闡述了各種實(shí)施方案，并旨在提供用于理解 所要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性的概述或框架。所附附圖被包括以提供各個(gè)實(shí)施方案的進(jìn)一步理解，并被引入本說明書并構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示出了本文描述的各個(gè)實(shí)施 方案，并與說明書一起用于解釋所要求保護(hù)的主題的原理和操作。
【附圖說明】
[0011] 當(dāng)結(jié)合如下附圖閱讀時(shí)，可最好地理解本公開的具體實(shí)施方案的如下詳細(xì)描述， 其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中：
[0012] 圖1為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，比較隨甲烷和單個(gè)/復(fù)合金 屬氧化物之間的各種比例變化的平衡碳分布差異的圖；
[0013] 圖2為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，比較純FeO和復(fù)合金屬氧化 物之間的平衡合成氣組成差異的圖；
[0014] 圖3(a)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用氣體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0015] 圖3(b)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用氣體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0016] 圖4(a)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用固體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0017] 圖4(b)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用固體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0018] 圖5(a)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用液體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0019] 圖5(b)為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用并流反應(yīng)器的燃料 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，所述并流反應(yīng)器用于使用液體燃料的復(fù)合金屬氧化物的還原反 應(yīng)；
[0020] 圖6為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用固定床反應(yīng)器的燃料轉(zhuǎn) 化系統(tǒng)的示意性流程圖；
[0021] 圖7為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用逆流移動(dòng)床反應(yīng)器的燃 料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，其中在復(fù)合金屬氧化物的還原反應(yīng)中，合成氣從中部產(chǎn)生，濃 縮(：0 2流從頂部產(chǎn)生；
[0022] 圖8為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用移動(dòng)床反應(yīng)器的燃料轉(zhuǎn) 化系統(tǒng)的示意性流程圖，其中在復(fù)合金屬氧化物的還原（吸熱）反應(yīng)中，燃料從中部引入， 合成氣從底部產(chǎn)生，濃縮〇) 2流從頂部產(chǎn)生；
[0023] 圖9為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程 圖，其中由在分開的逆流移動(dòng)床反應(yīng)器中的蒸汽產(chǎn)生另外的氫氣；
[0024] 圖10為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用太陽能來提供兩步轉(zhuǎn) 化方案中的反應(yīng)熱的燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖；
[0025] 圖11為根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用〇TM/ITM膜基反應(yīng) 器的燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的示意性流程圖，其中復(fù)合金屬氧化物材料在燃料側(cè)用于合成氣產(chǎn)生；
[0026] 圖12為并流移動(dòng)床實(shí)驗(yàn)裝置的不意圖；
[0027] 圖13為示出了根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，隨著使用煤作為原 料燃料的并流移動(dòng)床實(shí)驗(yàn)裝置的時(shí)間而變化的C0/C02比和H2/C0比；
[0028] 圖14為示出了根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，隨著使用煤和甲烷 兩者作為原料的并流移動(dòng)床實(shí)驗(yàn)裝置的時(shí)間而變化的C0/C02比和H2/C0比的圖；
[0029] 圖15為示出了根據(jù)本文顯示和描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，使用甲烷作為原料 的并流移動(dòng)床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本文描述了用于將燃料源（有時(shí)稱為原料燃料）轉(zhuǎn)化為合成氣的系統(tǒng)和方法。通 常，合成氣包含一氧化碳和氫氣，并可包含一些其他化學(xué)品，例如但不限于二氧化碳和蒸汽 (H20)。在一個(gè)實(shí)施方案中，復(fù)合金屬氧化物的還原反應(yīng)可由燃料產(chǎn)生合成氣，氧化反應(yīng)可 再生經(jīng)還原的復(fù)合金屬氧化物。如本文所用，還原反應(yīng)可稱為"第一步驟"或"步驟一"，且 氧化反應(yīng)可稱為"第二步驟"或"步驟二"。還原反應(yīng)可在還原反應(yīng)器中進(jìn)行，氧化反應(yīng)可 在分開的氧化反應(yīng)器中進(jìn)行。在一些實(shí)施方案中，合成氣可包含至少約50mol%，至少約 60mol%，至少約70mol%，至少約80mol%，或甚至至少約85