集成了制氧的分段化學鏈工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施方案主要涉及燃料燃燒工藝和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明的實施方案涉及使用原位制氧以燃燒燃料并產(chǎn)生富二氧化碳(CO2)的煙道氣流的兩段燃燒方法和系統(tǒng)，其中可以從所述煙道氣流捕集CO2以用于以后的使用和/或者封存。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去數(shù)年中，由于CO2排放的增加，大氣中的溫室氣體濃度顯著升高。人們正在研宄一些減緩技術(shù)(例如CO2捕集與封存(CCS))以減少大氣中CO 2的排放。
[0003]減少0)2排放的一種方法是從廢煙道氣中捕集CO 2。人們正在開發(fā)一些常規(guī)技術(shù)以在燃燒之前或者燃燒之后捕集CO2。當使用環(huán)境空氣進行燃料的燃燒時，空氣中氮的存在稀釋了煙道氣中0)2的濃度，因此不利于從煙道氣中分離co2。
[0004]人們正在評估一些另外的常規(guī)技術(shù)以從工業(yè)廢煙道氣中捕集0)2從而克服常規(guī)氣體分離工藝的限制。然而，這些常規(guī)技術(shù)通常操作成本昂貴而難以實施。因此通常對有常規(guī)燃燒產(chǎn)生的煙道氣進行處理以捕集co2。由于使用空氣(即含氮)作為氧的來源以推進燃燒反應，導致煙道氣中的CO2的濃度水平較低。
[0005]另一個這樣的常規(guī)技術(shù)是化學鏈燃燒(CLC)，其中在沒有氮的干擾下將氧氣轉(zhuǎn)移至燃料，從而在燃料氧化后產(chǎn)生CO2和水蒸氣流。然后可以容易地除去水蒸汽(即通過冷凝)，留下高純度的CO2流以供壓縮、運輸和/或者加工。至少因為這些原因，CLC作為減少0)2排放的可行方法而得到廣泛地研宄?；瘜W鏈基于在空氣的存在下能夠被氧化并且在燃料的存在下能夠被還原的氧載體，從而將氧氣從空氣中轉(zhuǎn)移至燃料中。所述氧載體在空氣反應器中被氧化，其中所述氧載體與存在于空氣中的氧反應從而形成金屬氧化物或者氧載體氧化物。然后將氧化的氧載體供應到處于還原性氣氛中的燃料反應器，其中所述氧化的氧載體將自身的氧轉(zhuǎn)移到所述燃料，從而使得還原的氧載體用于空氣氧化的另一個階段。在燃料反應器中，根據(jù)燃料氧化程度以及所述化學鏈工藝用于燃燒還是轉(zhuǎn)化，所述燃料被氧化從而形成CO、CO2，和H 20等燃燒產(chǎn)物。
[0006]人們已經(jīng)研宄了一些用于CLC的氧載體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些氧載體具有在燃料反應器中釋放氣態(tài)氧的特性，從而提高了燃料的氧化或燃燒。已經(jīng)研宄了數(shù)種用于化學鏈工藝的氧載體，發(fā)現(xiàn)沒有氧載體能解決傳統(tǒng)氧載體所面臨的所有挑戰(zhàn)(例如，氧輸送能力、高反應性、耐磨損性、成本、壽命等)。在許多情況下難以實現(xiàn)燃料的完全轉(zhuǎn)化，并且認為氧拋光是燃燒完成。在這種情況下，所需的氧由外部來源提供。
[0007]例如，原位制氧允許進行第二氧化步驟，其中全部的燃料可以完全地氧化，從而使燃料轉(zhuǎn)化率最大化。此外，在發(fā)電的情況下，通過提高氧燃燒或者氧化后所產(chǎn)生的煙道氣溫度，可以產(chǎn)生更高的新鮮蒸汽溫度，從而提高該工藝的總熱效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]一般而言，本發(fā)明的實施方案涉及集成制氧的兩段燃料燃燒的方法。某些實施方案提供化學鏈燃燒工藝，其中氧從空氣轉(zhuǎn)移至燃料中從而部分地或者完全地氧化所述燃料。如下文將更詳細地描述的那樣，根據(jù)某些實施方案，原位制氧提供第二氧化階段以進一步燃燒燃料，從而得到富CO2的煙道氣流，其中可以捕集CO2用于以后的使用和/或者封存。根據(jù)本發(fā)明的多個實施方案，分段的化學鏈燃燒工藝減少了燃燒過程后的CO2后處理的需要，使得成本節(jié)約。
[0009]多個實施方案表明，可以并入具有在特定條件(稱為化學鏈解氧耦合(CLOU)效應)下釋放氣態(tài)氧的性能的氧載體，從而提高燃料的氧化，而與在常規(guī)燃燒工藝中使用的空氣反應器或者燃料反應器的床構(gòu)造無關(guān)。特別地，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，分段化學鏈燃燒工藝在第一階段在燃料反應器中使用具有CLOU效應的氧載體氧化所述燃料，然后在第二階段使用純氧完成燃料的氧化，所述純氧是由具有CLOU效應的氧載體釋放的氧生成的。
[0010]根據(jù)至少一個實施方案，將分離器(例如固體/氣體分離器)放置于空氣反應器(例如循環(huán)流化床空氣反應器)的下游以將氧化的氧載體與貧氧空氣分離。對熱貧氧空氣進行處理以產(chǎn)生能量、熱和/或者電，同時將所述氧化的氧載體分成兩個流:(I)將第一流供應至燃料反應器，(2)將第二流供應至氧氣發(fā)生反應器。根據(jù)一個實施方案，所述氧氣發(fā)生反應器是具有受控壓力的熱床，其在合適的溫度和壓力條件下從氧載體中釋放氣態(tài)氧。
[0011]根據(jù)另一個實施方案，將熱貧氧空氣供應至離子迀移膜(ITM)從而產(chǎn)生氣態(tài)氧，所述氣態(tài)氧與從熱床中產(chǎn)生的氣態(tài)氧合并。在該實施方案中，由于所需的原位氣態(tài)氧由ITM產(chǎn)生，因此可以使用任何氧載體。
[0012]然后將所產(chǎn)生的氣態(tài)氧傳遞至第二氧化階段，其中所述燃料完全地氧化。根據(jù)還原的程度，將還原的氧載體輸送回空氣反應器或者輸送至燃料反應器，從而完成所述循環(huán)。
[0013]因此，根據(jù)一個實施方案，提供了集成了原位制氧的兩段燃燒方法。所述方法包括使用空氣反應器氧化還原的氧載體流以形成氧化的氧載體流；在初級分離器中，從氧化的氧載體流中分離氧載體和貧氧空氣。所述方法還包括在制氧系統(tǒng)中制備氣態(tài)氧。所述方法還包括使用初級燃料反應器，在氧載體的存在下燃燒燃料；以及使用次級燃料反應器，在氣態(tài)氧的存在下燃燒附加的燃料供料和離開初級燃料反應器的未燃燒燃料中的至少一種。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供了集成了原位制氧的兩段燃燒方法，其包括在所述制氧系統(tǒng)的ITM中生成氣態(tài)氧。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供了集成了原位制氧的兩段燃燒方法，其包括在所述制氧系統(tǒng)的氧氣發(fā)生反應器(OGR)中生成氣態(tài)氧。
[0016]根據(jù)至少一個實施方案，所述氧化的步驟包括使用提升管反應器和流化床反應器中的一種氧化所述還原的氧載體流。
[0017]根據(jù)至少一個實施方案，所述燃燒的步驟包括使用初級燃料反應器燃燒所述燃料，所述初級燃料反應器為流化床反應器和移動床反應器中的一種。
[0018]根據(jù)至少一個實施方案，對附加燃料供料和離開所述初級燃料反應器的未燃燒燃料中的一種進行燃燒的步驟包括使用氧-燃料鍋爐或者任意類型的燃燒室燃燒所述燃料。
[0019]根據(jù)至少一個實施方案，所述制備的步驟包括在所述制氧系統(tǒng)的離子迀移膜中生成氣態(tài)氧以用于內(nèi)部使用或者公共使用中的一種。
[0020]根據(jù)至少一個實施方案，在離子迀移膜中生成氣態(tài)氧的步驟包括從離開所述初級分離器的貧氧空氣中分離氧。
[0021]根據(jù)至少一個實施方案，所述制備的步驟包括在所述制氧系統(tǒng)的氧氣發(fā)生反應器中生成所述氣態(tài)氧以用于內(nèi)部使用或者公共使用中的一種。
[0022]根據(jù)至少一個實施方案，離開初級分離器的氧載體進入初級燃料反應器、氧氣發(fā)生反應器以及次級燃料反應器中的至少一種。
[0023]根據(jù)至少一個實施方案，所述制備的步驟包括在氧載體的存在下，通過以下至少一種在氧氣發(fā)生反應器中產(chǎn)生氣態(tài)氧:提高氧氣發(fā)生反應器內(nèi)的壓力、調(diào)整氧氣發(fā)生反應器的溫度以及注入吹掃氣體。所述吹掃氣體選自由二氧化碳和蒸汽組成的組。
[0024]根據(jù)至少一個實施方案，所述方法還包括在次級分離器中分離氣態(tài)氧和氧載體的步驟。
[0025]根據(jù)另一個實施方案，提供了用于集成了原位制氧的兩段燃燒的系統(tǒng)，包括:空氣反應器，用于氧化還原的氧載體流從而形成氧化的氧載體流；初級分離器，用于從氧化的氧載體流中分離氧載體和貧氧空氣；制氧系統(tǒng)，用于產(chǎn)生氣態(tài)氧；初級燃料反應器，用于在所述氧載體存在下燃燒燃料；以及次級燃料反應器，用于在氣態(tài)氧的存在下燃燒附加的燃料供料和離開初級燃料反應器的未燃燒燃料中的至少一種。
[0026]根據(jù)至少一個實施方案，所述空氣反應器包括提升管反應器和流化床反應器中的一種。
[0027]根據(jù)至少一個實施方案，所述初級燃料反應器包括流化床反應器和移動床反應器中的一種。
[0028]根據(jù)至少一個實施方案，所述次級燃料反應器還包括氧-燃料鍋爐或者任意類型的燃燒室。
[0029]根據(jù)至少一個實施方案，所述制氧系統(tǒng)包括離子迀移膜。
[0030]根據(jù)至少一個實施方案，所述離子迀移膜通過從離開初級分離器的貧氧空氣中分離氧從而制備氣態(tài)氧。
[0031]根據(jù)至少一個實施方案，所述制氧系統(tǒng)包括氧氣發(fā)生反應器。
[0032]根據(jù)至少一個實施方案，離開初級分離器的氧載體進入初級燃料反應器、氧氣發(fā)生反應器以及次級燃料反應器中的至少一種。
[0033]根據(jù)至少一個