用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其可以包括第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器、第二反應(yīng)器以及非機(jī)械閥。第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器可以包括至少一個(gè)錐形部分和多個(gè)注入氣體端口。多個(gè)注入氣體端口可以構(gòu)造成用以將燃料輸送到第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器可以構(gòu)造成用以通過(guò)相對(duì)于載氧材料限定用于燃料的逆流流動(dòng)路徑而用燃料被還原載氧材料。第二反應(yīng)器可以與第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器連通，并且可以被操作以接收氧氣源。第二反應(yīng)器可以構(gòu)造成用以通過(guò)氧化使得被還原載氧材料再生。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)
[0001]與相關(guān)申請(qǐng)的交互參考
[0002]本申請(qǐng)要求對(duì)于在2011年5月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/485，010的權(quán)益，該臨時(shí)申請(qǐng)通過(guò)參考全部包括在這里。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]概言之，本發(fā)明的目的在于轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)和方法，詳言之，本發(fā)明的目的在于在燃料轉(zhuǎn)化中使用的氧化-還原反應(yīng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]對(duì)于清潔和高效的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，存在著持續(xù)不斷的需要。產(chǎn)生能量載體(如蒸汽、氫氣、合成氣(煤氣)、液體燃料和/或電力)的化學(xué)過(guò)程的大多數(shù)基于礦物燃料。此外，對(duì)于礦物燃料的依賴(lài)性，由于與可再生源相比的低得多的成本，預(yù)期在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)。當(dāng)前，含碳燃料(如煤炭、天然氣、石油焦)的轉(zhuǎn)化通常通過(guò)燃燒或重整過(guò)程進(jìn)行。然而，含碳燃料(特別是煤炭)的燃燒是碳強(qiáng)化過(guò)程，該碳強(qiáng)化過(guò)程將大量二氧化碳排放到環(huán)境中。在這個(gè)過(guò)程中由于在煤炭中的復(fù)雜成分，也產(chǎn)生硫和氮化合物。
[0005]另一方面，在金屬氧化物與含碳燃料之間的化學(xué)反應(yīng)可以提供對(duì)在燃料中存儲(chǔ)的能量加以回收的較好途徑。幾種過(guò)程基于金屬氧化物顆粒與含碳燃料的反應(yīng)，以產(chǎn)生有用的能量載體。例如，Ishida等 的美國(guó)專(zhuān)利N0.5，447，024描述了這樣的過(guò)程，其中，氧化鎳顆粒用來(lái)將天然氣通過(guò)化學(xué)環(huán)路過(guò)程轉(zhuǎn)化成熱量，該熱量可以用在渦輪機(jī)中。然而，純金屬氧化物的可再利用性不良，并且構(gòu)成其用在商業(yè)和工業(yè)過(guò)程中的障礙。此外，這種技術(shù)具有有限的適用性，因?yàn)樗荒苻D(zhuǎn)化天然氣，而天然氣比其它礦物燃料成本高。另一種公知過(guò)程是蒸汽-鐵過(guò)程，其中，煤炭衍生發(fā)生爐煤氣與在流化床反應(yīng)器中的氧化鐵顆粒反應(yīng)，以便隨后與蒸汽再生以產(chǎn)生氫氣。然而這個(gè)過(guò)程由于在反應(yīng)固體與氣體之間的不適當(dāng)接觸而存在著氣體轉(zhuǎn)化速率不良的問(wèn)題，并且不能夠產(chǎn)生富氫流束。
[0006]隨著對(duì)于更清潔和更高效轉(zhuǎn)化燃料系統(tǒng)的需要，出現(xiàn)對(duì)改進(jìn)型系統(tǒng)、和其中的系統(tǒng)元件的需要，所述改進(jìn)型系統(tǒng)和系統(tǒng)元件將有效地轉(zhuǎn)化燃料，同時(shí)減少污染物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的概念總體上適用于用來(lái)由煤炭或其它含碳燃料產(chǎn)生氫氣的系統(tǒng)。按照本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)可以包括第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器、第二反應(yīng)器以及非機(jī)械閥。第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器可以包括至少一個(gè)錐形部分和多個(gè)注入氣體端口。多個(gè)注入氣體端口可以構(gòu)造成用以將燃料輸送到第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器可以構(gòu)造成用以通過(guò)相對(duì)于載氧材料限定用于燃料的逆流流動(dòng)路徑而用燃料還原載氧材料。第二反應(yīng)器可以與第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器連通，并且能被操作以接收氧氣源。第二反應(yīng)器可以構(gòu)造成用以通過(guò)氧化使得被還原載氧材料再生。非機(jī)械閥可以包括曲折管道組件，該曲折管道組件布置在第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器與第二反應(yīng)器之間。至少一個(gè)氣體開(kāi)口可以構(gòu)造成用以接收氣體流束。氣體流束能夠起作用以減少在第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器與第二反應(yīng)器之間的氣體泄漏。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]當(dāng)與如下附圖一起閱讀時(shí)，可以最好地理解本公開(kāi)的具體實(shí)施例的如下詳細(xì)描述，在這些附圖中，類(lèi)似結(jié)構(gòu)用類(lèi)似附圖標(biāo)記指示，并且在這些附圖中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0012]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0014]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0015]圖7是根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的另一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
[0017]圖9A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的還原反應(yīng)器的側(cè)視不意圖；
[0018]圖9B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的側(cè)視示意圖；
[0019]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的側(cè)視示意圖；
[0020]圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的還原反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0021]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0022]圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0023]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0024]圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)還原反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0025]圖16A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的燃燒反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束的橫截面示意圖；
[0026]圖16B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)燃燒反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束的橫截面示意圖；
[0027]圖16C是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)燃燒反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束的橫截面示意圖；
[0028]圖16D是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的另一個(gè)燃燒反應(yīng)器和燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束的橫截面示意圖；
[0029]圖17是安裝到還原反應(yīng)器上的固體流量測(cè)量裝置的橫截面示意圖；
[0030]圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的燃料注入系統(tǒng)的側(cè)視橫截面示意圖；
[0031]圖19是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的燃料注入系統(tǒng)的俯視橫截面示意圖；
[0032]圖20A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的燃料注入系統(tǒng)的側(cè)視不意圖；
[0033]圖20B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的燃料注入系統(tǒng)的俯視橫截面示意圖；
[0034]圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)的固體分離單元的側(cè)視示意圖；
[0035]圖22A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的燃燒反應(yīng)器的橫截面示意圖；
[0036]圖22B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)燃燒反應(yīng)器的橫截面示意圖；以及
[0037]圖22C是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)燃燒反應(yīng)器的橫截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明的目的總體而言在于用來(lái)將固體含碳燃料轉(zhuǎn)化成其它能量形式的系統(tǒng)的元件。本發(fā)明的其它構(gòu)造也可以用來(lái)轉(zhuǎn)化液體和氣體燃料。燃料的轉(zhuǎn)化一般而言可以用在系統(tǒng)中的顆粒的二元混合物進(jìn)行，其中，二元混合物可以包括載氧材料和固體含碳燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，在載氧材料中存在的氧將固體燃料氧化，同時(shí)載氧材料顆粒被還原到較低氧化狀態(tài)。一般而言，系統(tǒng)的產(chǎn)物可以包括熱量、動(dòng)力、化學(xué)制品、液體燃料和/或H2，這些可以通過(guò)使用氧化劑對(duì)被還原的載氧材料顆粒加以重新氧化而產(chǎn)生，這些氧化劑例如但不限于在分離反應(yīng)器中的空氣和/或蒸汽。在一些實(shí)施例中，可以使用由系統(tǒng)生產(chǎn)的H2和/或CO2、或通過(guò)金屬氧化物顆粒的部分氧化和含碳燃料的耦合而生產(chǎn)化學(xué)制品和液體燃料。
[0039]在一些實(shí)施例中，這里描述的系統(tǒng)可以涉及在循環(huán)流化床中基本金屬氧化物顆粒的循環(huán)，該循環(huán)流化床具有填充運(yùn)動(dòng)床或一系列互連流化床的下導(dǎo)管，在該下導(dǎo)管中，將固體燃料貫穿基本顆粒注入和分散，以便與基本載氧材料顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一般而言，具有粗顆粒尺寸的金屬氧化物可以用在填充運(yùn)動(dòng)床中作為載氧材料以避免流化，而固體燃料顆粒尺寸比金屬氧化物小，以便擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)床操作的流體動(dòng)力極限。這里描述的系統(tǒng)也 可以利用兩種類(lèi)型的顆粒的流體動(dòng)力性質(zhì)的差異，以控制它們的相互作用和將固體燃料的副產(chǎn)品或未轉(zhuǎn)化的固體燃料與載氧材料和氣體產(chǎn)物分離。這里解釋使用載氧材料循環(huán)系統(tǒng)的各種應(yīng)用方案。另外，這里解釋各種反應(yīng)器設(shè)計(jì)和關(guān)于在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中的固體燃料處置和處理策略的細(xì)節(jié)。
[0040]通過(guò)在關(guān)于碳基還原燃料和氧化氣體的氧化和還原反應(yīng)方案中的化學(xué)環(huán)路過(guò)程的使用而用來(lái)生產(chǎn)氫氣的方法分別公開(kāi)在Thomas等的(美國(guó)專(zhuān)利7，767，191)、Fan等的(PCT申請(qǐng)N0.W02007/082089)以及Fan等的(美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.W02010/037011)中，并且它們的講授通過(guò)參考全部包括在這里。
[0041]一般而言，本發(fā)明的目的在于通過(guò)載氧材料顆粒的氧化還原反應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，反應(yīng)器系統(tǒng)可以利用化學(xué)環(huán)路過(guò)程，其中，含碳燃料可以轉(zhuǎn)化成熱量、動(dòng)力、化學(xué)制品、液體燃料、和/或氫氣(h2)。在轉(zhuǎn)化含碳燃料的過(guò)程中，在系統(tǒng)內(nèi)的載氧材料，例如載氧顆粒，可以經(jīng)歷還原/氧化循環(huán)。含碳燃料可以在還原反應(yīng)器中還原載氧材料。被還原載氧材料然后可以在一個(gè)或更多個(gè)分離反應(yīng)器中由蒸汽和/或空氣氧化。在一些實(shí)施例中，鐵的氧化物作為在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中的載氧材料中的各成分中的至少一種成分是優(yōu)選的。在一些實(shí)施例中，在系統(tǒng)中也可以利用銅、鈷及錳的氧化物。載氧材料在Thomas等的(美國(guó)公布申請(qǐng)N0.2005/0175533A1)中描述，該申請(qǐng)通過(guò)參考全部包括在這里。
[0042]現(xiàn)在參照?qǐng)D1，這里描述的系統(tǒng)的實(shí)施例可以涉及一種具體構(gòu)造，其中，可以用固體含碳燃料生產(chǎn)熱量和/或動(dòng)力。在這樣一種燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)10中，可以使用還原反應(yīng)器100，以使用載氧材料將來(lái)自進(jìn)口流束110的含碳燃料轉(zhuǎn)化成在出口流束120中的富co2/h2o氣體。載氧材料可以包含具有3+的鐵化合價(jià)狀態(tài)的鐵的氧化物，該載氧材料從固體存儲(chǔ)容器700通過(guò)連接裝置750進(jìn)入還原反應(yīng)器100。在還原反應(yīng)器100中發(fā)生的反應(yīng)以后，在載氧材料中的鐵可以被還原到在約O與3+之間的平均化合價(jià)狀態(tài)。
[0043]如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟悉的那樣，載氧材料可以經(jīng)任何適當(dāng)固體輸送裝置/機(jī)構(gòu)進(jìn)給到反應(yīng)器。這些固體輸送裝置可以包括但不限于氣動(dòng)裝置、輸送機(jī)、活底料斗等。
[0044]參照在還原反應(yīng)器100中的反應(yīng)，還原反應(yīng)器100總體而言可以接收燃料，該燃料用來(lái)還原載氧材料的至少一種金屬氧化物，以生產(chǎn)還原的金屬或還原的金屬氧化物。這里定義的“燃料”可以包括:固體含碳成分，例如煤炭、焦油、油頁(yè)巖、油砂、焦油砂、生物量、石蠟、焦等等；液體含碳成分，例如汽油、油、石油、柴油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、乙醇等等；以及氣體成分，例如煤氣、一氧化碳、氫氣、甲烷、氣態(tài)烴氣體(C1-C6)、烴蒸汽、等等。例如，并且不是作為限制，如下反應(yīng)式表明可能的還原反應(yīng):
[0045]Fe203+2C0 — 2Fe+2C02
[0046]16Fe203+3C5H12 — 32Fe+15C02+18H20
[0047]在這個(gè)例子中，載氧材料的金屬氧化物Fe2O3可以由燃料還原，例如由CO還原，以生產(chǎn)還原的金屬氧化物Fe。盡管Fe可以是在還原反應(yīng)器100的還原反應(yīng)中生產(chǎn)的主要還原成分，但這里也預(yù)期到具有更高氧化狀態(tài)的FeO或其它被還原的金屬氧化物。
[0048]還原反應(yīng)器100可以構(gòu)造成運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器、一系列流化床反應(yīng)器、回轉(zhuǎn)爐、固定床反應(yīng)器、其組合、或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其它裝置。典型地，還原反應(yīng)器100可以在約400°C至約1200°C的范圍中的溫度和在約Iatm至約150atm的范圍中的壓力下操作；依據(jù)反應(yīng)機(jī)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)構(gòu)的元件的不同，在這些范圍外的溫度和壓力可能是符合期望的。
[0049]出口流束120的富C02/H20氣體可以由冷凝器126進(jìn)一步分離，以生產(chǎn)富CO2氣體流束122和富H2O氣體流束124。富CO2氣體流束122可以被進(jìn)一步壓縮以便用于螯合作用。還原反應(yīng)器100可以為固體和/或氣體處置而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，這在這里論述。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100可以構(gòu)造成填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，還原反應(yīng)器可以構(gòu)造成一系列互連的流化床反應(yīng)器，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0050]仍參照?qǐng)D1，離開(kāi)還原反應(yīng)器100的被還原載氧材料可以流過(guò)燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400，并且可以轉(zhuǎn)移到燃燒反應(yīng)器300。在燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400中的被還原載氧材料可以運(yùn)動(dòng)通過(guò)非機(jī)械氣體密封和/或非機(jī)械固體流量控制裝置。這里描述這樣的系統(tǒng)元件。
[0051]為了使載氧材料的金屬氧化物再生，系統(tǒng)10可以利用燃燒反應(yīng)器300，該燃燒反應(yīng)器300構(gòu)造成用以將載氧材料的被還原的金屬氧化物氧化。載氧材料可以進(jìn)入燃燒反應(yīng)器300，并且用來(lái)自進(jìn)口流束310的空氣或另一種氧化氣體而被流化。在載氧材料中的鐵可以在燃燒反應(yīng)器300中由空氣重新氧化到約3+的平均化合價(jià)狀態(tài)。燃燒反應(yīng)器300在載氧材料顆粒的氧化期間可以釋放熱量。這樣的熱量可以被抽取以便產(chǎn)生蒸汽和/或動(dòng)力，或者用來(lái)補(bǔ)償過(guò)程熱量需要。在一些實(shí)施例中，燃燒反應(yīng)器300可以包括用空氣填充的管線或管，該用空氣填充的管線或管用來(lái)氧化載氧材料?？蛇x擇地，燃燒反應(yīng)器300可以是熱量回收單元，例如反應(yīng)容器或其它反應(yīng)罐。
[0052]如下反應(yīng)式列出用于在燃燒反應(yīng)器300中的氧化的一種可能機(jī)理:
[0053]2Fe304+0.5O2 — 3Fe203
[0054]在燃燒反應(yīng)器300中的氧化反應(yīng)以后，被氧化載氧材料可以轉(zhuǎn)移到氣體-固體分離站500。氣體-固體分離裝置500可以將在出口流束510中的氣體和細(xì)顆粒與在出口流束520中的松散載氧材料分離。載氧材料可以從燃燒反應(yīng)器300通過(guò)固體輸送系統(tǒng)350(像例如提升管)運(yùn)輸?shù)綒怏w-固體分離裝置500。在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)e3O4產(chǎn)物可以在固體輸送系統(tǒng)350中被氧化成Fe2O3。
[0055]從氣體-固體分離裝置500排出的松散載氧材料固體可以運(yùn)動(dòng)通過(guò)固體-固體分離裝置600，運(yùn)動(dòng)通過(guò)連接裝置710，并且運(yùn)動(dòng)到固體存儲(chǔ)容器700，在該處，基本上不進(jìn)行反應(yīng)。在固體-固體分離裝置500中，載氧材料可以與其它固體分離，這些其它固體通過(guò)出口 610流出系統(tǒng)。從固體存儲(chǔ)容器700排出的載氧材料固體將通過(guò)另一個(gè)非機(jī)械氣體密封裝置750，并且最后返回到還原反應(yīng)器100，以完成全局固體循環(huán)環(huán)路。
[0056]在一些實(shí)施例中，載氧材料顆?？梢越?jīng)歷多次再生循環(huán)，例如10次或更多次再生循環(huán)，及甚至大于100次再生循環(huán)，而基本上不失去功能性。這種系統(tǒng)可供現(xiàn)有系統(tǒng)使用，涉及最小設(shè)計(jì)變更，因而使它經(jīng)濟(jì)。
[0057]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，在另一個(gè)實(shí)施例中，H2和/或熱量/動(dòng)力可以從含碳燃料由燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)20產(chǎn)生，該燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)20與在圖1中描述的系統(tǒng)10相似，但還包括氧化反應(yīng)器200。在這個(gè)實(shí)施例中的還原反應(yīng)器100的構(gòu)造因循與在圖1中所示的先前實(shí)施例相似的構(gòu)造。圖2的系統(tǒng)20可以使用載氧材料將來(lái)自還原反應(yīng)器進(jìn)口流束110的含碳燃料轉(zhuǎn)化成富C02/H20氣體流束120，載氧材料包含具有約3+的化合價(jià)狀態(tài)的氧化鐵。在還原反應(yīng)器100中，在載氧材料中的鐵為了 H2生產(chǎn)可以被還原到在約O與2+之間的平均化合價(jià)狀態(tài)。應(yīng)該理解，包括氧化反應(yīng)器200的系統(tǒng)20 (三反應(yīng)器系統(tǒng))的操作和構(gòu)造,與不包括氧化反應(yīng)器的系統(tǒng)10 (兩反應(yīng)器系統(tǒng))的操作相似，并且在圖1中的類(lèi)似附圖標(biāo)記與在圖2中的類(lèi)似部分相對(duì)應(yīng)。[0058]與圖1的系統(tǒng)10相似，在圖2的系統(tǒng)20的出口流束120中的富C02/H20氣體可以由冷凝器126進(jìn)一步分離，以生產(chǎn)富CO2氣體流束122和富H2O氣體流束124。富CO2氣體流束122可以被進(jìn)一步壓縮以便用于螯合作用。還原反應(yīng)器100可以為固體和/或氣體處置而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，這在這里論述。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100可以作為填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器而操作。在另一個(gè)實(shí)施例中，還原反應(yīng)器可以作為一系列互連的流化床反應(yīng)器而操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0059]離開(kāi)還原反應(yīng)器100的被還原載氧材料可以通過(guò)連接裝置160轉(zhuǎn)移到氧化反應(yīng)器200，該連接裝置160可以具有非機(jī)械氣體密封裝置。被還原載氧材料可以用來(lái)自進(jìn)口流束210的蒸汽重新氧化。氧化反應(yīng)器200可以具有富含H2和蒸汽的出口流束220。在出口流束220中的過(guò)多/未轉(zhuǎn)化蒸汽可以用冷凝器226與在流束220中的H2分離。可以產(chǎn)生富H2氣體流束222。氧化反應(yīng)器200的蒸汽進(jìn)口流束210可以來(lái)自在系統(tǒng)20中再循環(huán)的冷凝蒸汽，該冷凝蒸汽來(lái)自還原反應(yīng)器100的出口流束124。在一個(gè)實(shí)施例中，在還原反應(yīng)器100中的固體含碳燃料的一部分可以故意或非故意地引入到氧化反應(yīng)器200，這會(huì)導(dǎo)致在出口流束220中含有H2、CO以及CO2氣體。這樣一種氣體流束220可以或者直接用作合成氣體(煤氣)，或者分離成各種純產(chǎn)品的流束。在氧化反應(yīng)器200中，還原的載氧材料可以部分地重新氧化成對(duì)于鐵在O與3+之間的平均化合價(jià)狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100構(gòu)造成按填充運(yùn)動(dòng)床模式或作為一系列互連的流化床反應(yīng)器操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。 [0060]氧化反應(yīng)器200 (該氧化反應(yīng)器200可以包括與還原反應(yīng)器100相同的反應(yīng)器類(lèi)型或不同的反應(yīng)器類(lèi)型)可以構(gòu)造成用以將還原的金屬或還原的金屬氧化物氧化，以產(chǎn)生金屬氧化物中間體。這里使用的“金屬氧化物中間體”是指具有比被還原的金屬或金屬氧化物高的氧化狀態(tài)、和比載氧材料的金屬氧化物低的氧化狀態(tài)的金屬氧化物。例如，并且不作為限制，如下反應(yīng)式表明在氧化反應(yīng)器200中的可能氧化反應(yīng):
[0061 ] 3Fe+4H20 — Fe304+4H2
[0062]3Fe+4C02 — Fe304+4C0
[0063]在集中在載氧材料上這個(gè)例子中-這些載氧材料可以是將Fe2O3用作金屬氧化物的陶瓷復(fù)合物，在氧化反應(yīng)器200中使用蒸汽的氧化可以產(chǎn)生生成混合物，該生成混合物包括金屬氧化物中間體，該金屬氧化物中間體主要包括Fe304。Fe2O3和FeO也可能存在。此外，盡管H2O,具體地說(shuō)蒸汽，在這個(gè)例子中是氧化劑，但預(yù)期到多種其它氧化劑，例如CO、
O2、空氣以及其它復(fù)合物。
[0064]氧化反應(yīng)器200可以構(gòu)造成運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器、一系列流化床反應(yīng)器、回轉(zhuǎn)爐、固定床反應(yīng)器、其組合、或其它裝置。典型地，氧化反應(yīng)器200可以在約400°C至約1200°C的范圍中的溫度和在約Iatm至約150atm的范圍中的壓力下操作；然而,依據(jù)反應(yīng)機(jī)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)構(gòu)的元件的不同，在這些范圍外的溫度和壓力可能是合意的。
[0065]氧化反應(yīng)器200可以包括運(yùn)動(dòng)床，該運(yùn)動(dòng)床具有氣體和固體的逆流接觸圖案。蒸汽可以引入在反應(yīng)器的底部處，并且隨著顆粒在氧化反應(yīng)器200內(nèi)部向下運(yùn)動(dòng)可以將還原的載氧材料顆粒氧化。在這個(gè)實(shí)施例中，形成的產(chǎn)物可以是氫氣，氫氣隨后從氧化反應(yīng)器200的頂部排出。在進(jìn)一步的實(shí)施例中將示出的是，除氫氣之外，諸如CO和煤氣之類(lèi)的產(chǎn)物是可能的。盡管Fe2O3形成在氧化反應(yīng)器200中是可能的，但預(yù)期來(lái)自氧化反應(yīng)器200的固體產(chǎn)物主要是金屬氧化物中間體Fe304。在氧化反應(yīng)器200中產(chǎn)生的Fe2O3的量取決于使用的氧化劑、以及進(jìn)給到氧化反應(yīng)器200的氧化劑的量。在氧化反應(yīng)器200的氫氣產(chǎn)物中存在的蒸汽然后可以冷凝，以便提供富氫流束222。這種富氫流束的至少一部分可以重新循環(huán)回還原反應(yīng)器100。除利用與還原反應(yīng)器100相同的反應(yīng)器類(lèi)型之外，氧化反應(yīng)器200可以類(lèi)似地在約400°C至約1200°C之間的溫度和約Iatm至約150atm的壓力下操作。
[0066]離開(kāi)氧化反應(yīng)器200的被部分重新氧化的載氧材料可以流過(guò)燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400，并且可以轉(zhuǎn)移到燃燒反應(yīng)器300。在燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400中的被還原載氧材料可以運(yùn)動(dòng)通過(guò)非機(jī)械氣體密封和/或非機(jī)械固體流量控制裝置。
[0067]載氧材料可以進(jìn)入燃燒反應(yīng)器300，并且可以用來(lái)自進(jìn)口流束310的空氣或另一種氧化氣體而被流化。在載氧材料中的鐵可以由在燃燒反應(yīng)器300中的空氣重新氧化到約3+的平均化合價(jià)狀態(tài)。燃燒反應(yīng)器300在載氧材料顆粒的氧化期間會(huì)釋放熱量。這樣的熱量可以被抽取以便產(chǎn)生蒸汽和/或動(dòng)力，或者用來(lái)補(bǔ)償過(guò)程熱量需要。
[0068]在燃燒反應(yīng)器300中的氧化反應(yīng)以后，被氧化載氧材料可以按與在圖1中的先前實(shí)施例相同的方式，例如通過(guò)諸如提升管之類(lèi)的固體輸送系統(tǒng)350，轉(zhuǎn)移到氣體-固體分離裝置500，轉(zhuǎn)移到固體分離裝置600，并且轉(zhuǎn)移到固體存儲(chǔ)容器700。
[0069]現(xiàn)在參照?qǐng)D3，在一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)30可以構(gòu)造成，由含碳燃料產(chǎn)生化學(xué)制品、燃料、H2、熱量、和/或動(dòng)力?？梢允褂眠€原反應(yīng)器100，以使用載氧材料(該載氧材料可以包含錳和/或鐵的氧化物)將來(lái)自進(jìn)口流束110的含碳燃料轉(zhuǎn)化成含烴(優(yōu)選地含乙烯(C2H4))的氣體流束120。期望的烴產(chǎn)物可以從還原反應(yīng)器的頂部從沿還原反應(yīng)器100的流束120或滑動(dòng)流束130中 抽出。含烴流束120可以在必要的分離/升級(jí)單元801中進(jìn)一步處理。來(lái)自還原反應(yīng)器100的烴可以被分離和用作松散化學(xué)制品，或者可以在出口流束811中升級(jí)成液體燃料，例如汽油和/或柴油。在還原反應(yīng)器100中的載氧材料的作用可以是將氧給予含碳燃料，以便使它們部分氧化和重整成烴，例如C2H4。在載氧材料中的金屬氧化物可以在還原反應(yīng)器中被部分地還原。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100按填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器構(gòu)造或者作為一系列互連的流化床反應(yīng)器而操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0070]被還原載氧材料然后可以通過(guò)非機(jī)械氣體密封裝置160轉(zhuǎn)移到可選擇的氧化反應(yīng)器200。在氧化反應(yīng)器200中，被還原載氧材料可以用來(lái)自進(jìn)口流束210的蒸汽而被重新氧化成含H2氣體流束220。在出口流束220中的蒸汽可以在冷凝器126中進(jìn)一步冷凝，產(chǎn)生富H2氣體流束122和富蒸汽流束124。出口流束122可以用來(lái)升級(jí)在還原反應(yīng)器100中產(chǎn)生的烴產(chǎn)物。在一些實(shí)施例中，含碳燃料的至少一部分可以故意或非故意地引入到氧化反應(yīng)器200，這會(huì)導(dǎo)致含H2、CO以及CO2的氣體流束220。這樣一種氣體流束220可以或者直接用作煤氣，或者可以分離成各種純產(chǎn)品的流束。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器可以構(gòu)造成作為填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器或一系列互連的流化床反應(yīng)器而操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0071]被重新氧化的載氧材料然后可以通過(guò)燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400 (該燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400選擇性地包括非機(jī)械氣體密封和/或非機(jī)械固體流量控制裝置)轉(zhuǎn)移到燃燒反應(yīng)器300，在該處它可以用空氣流化。金屬氧化物在燃燒反應(yīng)器300中被進(jìn)一步氧化。燃燒反應(yīng)器300會(huì)釋放熱量。這樣的熱量可以被抽取以便用以或者產(chǎn)生蒸汽和/或動(dòng)力，或者補(bǔ)償過(guò)程熱量需要。
[0072]在燃燒反應(yīng)器300中的氧化反應(yīng)以后，被氧化載氧材料可以按與在圖1和2中的先前實(shí)施例相同的方式，通過(guò)提升管600轉(zhuǎn)移到氣體-固體分離裝置500、固體分離裝置600及固體存儲(chǔ)容器700中。
[0073]通過(guò)控制在氧化反應(yīng)器進(jìn)口流束210中的蒸汽的量，可以調(diào)整在烴、H2以及動(dòng)力中生產(chǎn)速率的整體比值。在當(dāng)H2不是符合期望的產(chǎn)品時(shí)的情況下，氧化反應(yīng)器可以旁通，并且還原反應(yīng)器100和燃燒反應(yīng)器300可以通過(guò)燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束直接連接，類(lèi)似于圖1的實(shí)施例。
[0074]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)40可以涉及一種構(gòu)造，其中，由來(lái)自進(jìn)口流束810的含碳燃料，優(yōu)選地固體含碳燃料，例如生物量、油頁(yè)巖和/或煤炭，共同生產(chǎn)裂解油、H2、熱量和/或動(dòng)力。在這樣一種構(gòu)造下，裂解爐反應(yīng)器800可以用來(lái)將來(lái)自進(jìn)口流束810的含碳燃料轉(zhuǎn)化成裂解油和/或固定碳。用于裂解的熱量可以由高溫載氧材料顆粒提供，該高溫載氧材料顆?？梢园ň哂?+的化合價(jià)狀態(tài)的氧化鐵。載氧材料可以在裂解爐反應(yīng)器800中輕微地還原。碳然后可以與載氧材料一起轉(zhuǎn)移到還原反應(yīng)器100，在該處，它由載氧材料氧化成富CO2氣體流束120。在出口流束120中的蒸汽可以由冷凝器126進(jìn)一步分離，以生產(chǎn)富CO2氣體流束122，該富CO2氣體流束122可以被進(jìn)一步壓縮以便用于螯合作用。在載氧材料中的金屬可以還原成在O與2+之間的平均化合價(jià)狀態(tài)。在出口流束820中的裂解產(chǎn)品的不符合期望的部分的至少一部分可以通過(guò)進(jìn)口流束830引入到還原反應(yīng)器作為還原劑。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器可以作為填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器或一系列互連的流化床反應(yīng)器而操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0075]被還原載氧材料然后可以通過(guò)非機(jī)械氣體密封裝置160轉(zhuǎn)移到選擇性氧化反應(yīng)器200。被還原載氧材料可以用蒸汽重新氧化，生產(chǎn)含H2氣體出口流束220。在氣體流束220中的蒸汽可以由冷凝器226分離，產(chǎn)生富H2氣體流束222。H2可以用來(lái)升級(jí)由還原反應(yīng)器100生產(chǎn)的裂解油。對(duì)于氧化反應(yīng)器200的蒸汽進(jìn)口流束210，在來(lái)自還原反應(yīng)器的出口流束124中的冷凝蒸汽的使用可以是選擇性的。在一些實(shí)施例中，含碳燃料的一部分可以故意或非故意地引入到氧化反應(yīng)器200，這會(huì)導(dǎo)致在出口流束220中含有H2、CO以及CO2氣體。這樣一種氣體流束可以或者直接用作煤氣，或者分離成各種純產(chǎn)品的流束。在氧化反應(yīng)器200中，在被還原載氧材料中的氧化鐵也被重新氧化到在O與3+之間的平均化合價(jià)狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，氧化反應(yīng)器200可以作為填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器或一系列互連的流化床反應(yīng)器而操作，其中，載氧材料可以相對(duì)于氣體物質(zhì)逆流地流動(dòng)。
[0076]仍然參照?qǐng)D4，離開(kāi)還原反應(yīng)器100的被還原載氧材料可以流過(guò)燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400，并且可以轉(zhuǎn)移到燃燒反應(yīng)器300。在燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400中的被還原載氧材料可以運(yùn)動(dòng)通過(guò)非機(jī)械氣體密封和/或非機(jī)械固體流量控制裝置。這里描述這樣的系統(tǒng)元件。為了再生載氧材料的金屬氧化物，系統(tǒng)40可以利用燃燒反應(yīng)器300，該燃燒反應(yīng)器300構(gòu)造成用以將被還原的金屬氧化物氧化。載氧材料可以進(jìn)入燃燒反應(yīng)器300，并且可以用來(lái)自進(jìn)口流束310的空氣或另一種氧化氣體而被流化。在載氧材料中的鐵可以由在燃燒反應(yīng)器300中的空氣重新氧化成約3+的平均化合價(jià)狀態(tài)。燃燒反應(yīng)器300在載氧材料顆粒的氧化期間會(huì)釋放熱量。這樣的熱量可以被抽取以產(chǎn)生蒸汽和/或動(dòng)力，或者用來(lái)補(bǔ)償過(guò)程熱量需要。在一些實(shí)施例中，燃燒反應(yīng)器300可以包括用空氣填充的管線或管，該用空氣填充的管線或管用來(lái)使金屬氧化物氧化?？蛇x擇地，燃燒反應(yīng)器300可以是熱量回收單元，例如反應(yīng)容器或其它反應(yīng)罐。
[0077]在燃燒反應(yīng)器300中的氧化反應(yīng)以后，被氧化載氧材料可以轉(zhuǎn)移到氣體-固體分離裝置500。氣體-固體分離裝置500可以將在出口流束510中的氣體和細(xì)顆粒與在出口流束520中的松散載氧材料固體分離。載氧材料可以從燃燒反應(yīng)器300通過(guò)固體輸送系統(tǒng)350 (像例如提升管)運(yùn)輸?shù)綒怏w-固體分離裝置500。在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)e3O4產(chǎn)物可以在固體輸送系統(tǒng)350中被氧化成Fe203。
[0078]從氣體-固體分離裝置500排出的松散載氧材料固體可以運(yùn)動(dòng)通過(guò)固體-固體分離裝置600，運(yùn)動(dòng)通過(guò)連接裝置710，并且運(yùn)動(dòng)到固體存儲(chǔ)容器700，在該處，基本上不進(jìn)行反應(yīng)。在固體-固體分離裝置500中，載氧材料可以與其它固體分離，這些其它固體通過(guò)出口 610流出系統(tǒng)。從固體存儲(chǔ)容器700排出的載氧材料固體將通過(guò)另一個(gè)非機(jī)械氣體密封裝置750，并且最后返回到還原反應(yīng)器100，以完成全局固體循環(huán)環(huán)路。
[0079]可選擇地，來(lái)自氣體-固體分離裝置500的載氧材料的一部分可以旁通過(guò)固體-固體分離裝置600和裂解爐反應(yīng)器800，并且通過(guò)流束550直接進(jìn)入還原反應(yīng)器100。
[0080]可選擇地，在進(jìn)口流束310中的含碳燃料的一部分可以直接引入到燃燒反應(yīng)器100。通過(guò)控制在到氧化反應(yīng)器200的進(jìn)口流束210中的蒸汽的量和在還原反應(yīng)器100與裂解爐反應(yīng)器800之間的燃料注入比值，可以調(diào)整在裂解產(chǎn)品、H2以及動(dòng)力中的整體產(chǎn)品比值。在當(dāng)H2不是符合期望的產(chǎn)品時(shí)的情況下，氧化反應(yīng)器200可以旁通，并且還原反應(yīng)器100和/或諸如提升管之類(lèi)的固體輸送系統(tǒng)350可以通過(guò)非機(jī)械氣體密封和固體流量控制裝置直接連接，以便補(bǔ)償在還原反應(yīng)器100中的熱量需要。
[0081]現(xiàn)在參照?qǐng)D5，在 另一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)50的氧化步驟可以分兩個(gè)或更多個(gè)步驟完成，以便為了更好的能量管理。兩個(gè)氧化反應(yīng)器200、330可以用于載氧材料再生?？諝馐紫刃羞M(jìn)到第二氧化反應(yīng)器或燃燒反應(yīng)器300，并且然后行進(jìn)到第一氧化反應(yīng)器200。氧化反應(yīng)器200可以構(gòu)造成具有逆流氣體固體流動(dòng)圖案的運(yùn)動(dòng)床設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)可以通過(guò)使廢棄空氣流束510在第一氧化反應(yīng)器200中與較多被還原載氧材料相接觸，而保證對(duì)于廢棄空氣流束510的較好轉(zhuǎn)化。燃燒反應(yīng)器300構(gòu)造成使用空氣流束310的流化床，以保證來(lái)自第一氧化器200的載氧體的完全氧化。完全氧化的載氧體顆粒然后通過(guò)諸如提升管之類(lèi)的固體輸送系統(tǒng)350轉(zhuǎn)移。在燃燒反應(yīng)器300和固體輸送系統(tǒng)350中使用的廢棄空氣用來(lái)分別氧化和轉(zhuǎn)移顆粒，并且再循環(huán)到第一氧化反應(yīng)器200。這樣的實(shí)施例可以減小反應(yīng)器尺寸和過(guò)大空氣需要。
[0082]現(xiàn)在參照?qǐng)D6，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)60可以包括兩步驟氧化過(guò)程，該兩步驟氧化過(guò)程轉(zhuǎn)化燃料。氧化鐵在這個(gè)實(shí)施例中可以是優(yōu)選載氧材料，并且在氧化反應(yīng)器200中使用的氧化劑可以是蒸汽。通過(guò)蒸汽-鐵反應(yīng)，被還原的氧化鐵顆?？梢员徊糠值匮趸蒄e3O4，并且可以生產(chǎn)氫氣。氫氣可以用作用于氣體渦輪機(jī)的燃料、或用于在反應(yīng)器540中的化學(xué)合成的原料。來(lái)自氧化反應(yīng)器200的氫氣流束和來(lái)自燃燒反應(yīng)器300、反應(yīng)器系統(tǒng)550的氮?dú)饬魇慕M合可以被集成以便用于氨合成。在一些實(shí)施例中，所公開(kāi)的設(shè)計(jì)可以將氨生產(chǎn)率增進(jìn)大于10%。
[0083]現(xiàn)在參照?qǐng)D7，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)70可以利用來(lái)自銅、錳、和/或鈷的氧化物的氧解耦材料。在這個(gè)實(shí)施例中，固體燃料和銅、錳、和/或鈷的氧化物都通過(guò)進(jìn)口流束144引入在還原反應(yīng)器100的頂部中，并且向下運(yùn)動(dòng)。主要包括CO2和H2O的再循環(huán)流束142用來(lái)為了燃料轉(zhuǎn)化而強(qiáng)迫被釋放的氧氣向下運(yùn)動(dòng)。銅、錳、和/或鈷的廢氧化物然后可以從還原反應(yīng)器100的底部排出，并且可以發(fā)送到燃燒反應(yīng)器300，用于與在進(jìn)口流束310中的空氣再生。經(jīng)在運(yùn)動(dòng)床還原反應(yīng)器300中的順流流動(dòng)，可以控制氧氣釋放速率和程度，從而在轉(zhuǎn)化期間不形成低熔點(diǎn)材料，這避免銅、錳、和/或鈷基載氧材料的聚結(jié)。
[0084]現(xiàn)在參照?qǐng)D8，在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)80可以包括還原反應(yīng)器100，該還原反應(yīng)器100可以是氧氣釋放反應(yīng)器，該氧氣釋放反應(yīng)器可以進(jìn)行來(lái)自銅、錳、和/或鈷的氧氣釋放，并且可以嵌在流化床燃燒(FBC)鍋爐900中，該流化床燃燒鍋爐900用于在進(jìn)口流束950中的含碳燃料的燃燒。在還原反應(yīng)器100中氧氣可以從銅、錳、和/或鈷的氧化物釋放，并且出流氣體可以是來(lái)自燃燒反應(yīng)器300的混合C02、H2O及02，該混合C02、H2O及O2可以進(jìn)入進(jìn)口流束950，并且用于在FBC鍋爐900中的燃料燃燒。在還原氧氣釋放反應(yīng)器100內(nèi)部，氣體物質(zhì)與銅、錳、和/或鈷的氧化物順流地向下流動(dòng)，并且通過(guò)出口流束960離開(kāi)。來(lái)自FBC鍋爐900的排出氣體流束970的至少一部分可以通過(guò)進(jìn)口流束910再循環(huán)到還原反應(yīng)器100。在還原反應(yīng)器100中氧脫耦所需的熱量可以從FBC鍋爐900傳遞。這種集成使燃料與銅、錳、和/或鈷基載氧體顆粒的接觸最小化，并因而保證其可再循環(huán)性。氧化反應(yīng)器200可以通過(guò)連接裝置920和連接裝置910與還原反應(yīng)器100連通。氣體進(jìn)口930和氣體出口 940可以與在這里描述的實(shí)施例中的氧化反應(yīng)器進(jìn)口和出口流束相似地起作用。[0085]這里描述的系統(tǒng)的反應(yīng)器可以用適于經(jīng)受高達(dá)至少1200°C的溫度的各種耐用材料建造。反應(yīng)器可以包括碳鋼，碳鋼在內(nèi)側(cè)上具有使熱量損失最小化的耐熔層。這種構(gòu)造也允許反應(yīng)器的表面溫度相當(dāng)?shù)停纱嗽鲞M(jìn)碳鋼的抗蠕變性能。也可以采用適用于在各種反應(yīng)器中存在的環(huán)境的其它合金，特別是如果它們用作內(nèi)部元件，這些內(nèi)部元件構(gòu)造成，幫助固體流動(dòng)或增強(qiáng)在運(yùn)動(dòng)床實(shí)施例內(nèi)的熱傳遞。對(duì)于各個(gè)反應(yīng)器的互連可具有活底料斗設(shè)計(jì)或旋轉(zhuǎn)/星形閥設(shè)計(jì)，以保證良好密封。然而，也可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易地確定的其它互連方式。[0086]各種機(jī)構(gòu)可用于在這里公開(kāi)的多種系統(tǒng)中的固體運(yùn)輸。例如，在一些實(shí)施例中，這里描述的固體運(yùn)輸系統(tǒng)可以是這樣的運(yùn)輸系統(tǒng)，這些運(yùn)輸系統(tǒng)使用由空氣驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、斗式升降機(jī)、螺旋輸送機(jī)、運(yùn)動(dòng)床以及流化床反應(yīng)器。所生成的廢棄空氣流束可以與顆粒分離，并且其高級(jí)熱含量可以被回收以便用于蒸汽生產(chǎn)。在再生之后，載氧材料顆粒可以基本上不降級(jí)，并且可以保持充分的顆粒功能性和活性。[0087]在系統(tǒng)和全部系統(tǒng)元件內(nèi)的熱量集成和熱量回收將會(huì)是符合期望的。在系統(tǒng)中的熱量集成具體地聚焦在為氧化反應(yīng)器200的蒸汽需要而產(chǎn)生蒸汽上。這種蒸汽可以使用在氫氣、CO2及廢棄空氣流束中可得到的高級(jí)熱量而產(chǎn)生，這些氫氣、CO2及廢棄空氣流束分別離開(kāi)各個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)器100、200、和/或300。在這里描述的過(guò)程中，可能有產(chǎn)生純氧氣的期望。為了產(chǎn)生這種純氧氣，可以利用氫氣的至少一部分。[0088]在每個(gè)反應(yīng)器中的駐留時(shí)間取決于各種載氧材料顆粒的尺寸和成分，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的那樣。例如，對(duì)于包括Fe基金屬氧化物的反應(yīng)器的駐留時(shí)間范圍可以從約0.1至約20小時(shí)。[0089]在一些實(shí)施例中，在系統(tǒng)中可能存在另外的有害元素。不期望像Hg、As、Se之類(lèi)的微量元素在過(guò)程的高溫下與Fe2O3反應(yīng)。結(jié)果，期望它們?cè)谒a(chǎn)的CCV流束中存在。如果CO2用作市售產(chǎn)品，則可以將這些微量元素從流束中除去。這里預(yù)期到各種清除單元，例如水銀去除單元。依據(jù)現(xiàn)時(shí)存在的規(guī)則和法規(guī)，在讓CO2流束出去到大氣中的情況下，將需要運(yùn)用類(lèi)似選項(xiàng)。如果決定為了長(zhǎng)期良性存儲(chǔ)將CO2隔絕，例如在深地質(zhì)巖層中，則將無(wú)需除去這些有害元素。此外，CO2可以經(jīng)礦物螯合作用而隔絕，這可能比地質(zhì)存儲(chǔ)更加符合期望，因?yàn)樗赡苁歉踩⑶腋霉芾淼摹?br> [0090]此外，硫會(huì)構(gòu)成有害元素，在系統(tǒng)中必須考慮該有害元素。在固體燃料轉(zhuǎn)化實(shí)施例中，在煤炭中存在的硫預(yù)期與Fe2O3反應(yīng)，并且形成FeS。這將在氧化反應(yīng)器200中與蒸汽反應(yīng)時(shí)釋放成H2S，并且將污染氫氣流束。在來(lái)自這種蒸汽的水的冷凝期間，這種H2S的大部分將冷凝出?？梢允褂脗鹘y(tǒng)技術(shù)(像胺洗滌或使用Zn、Fe、或Cu基吸著劑的高溫除去)而將剩余的H2S除去。用來(lái)除去硫的另一種方法可以包括引入吸著劑(例如CaO、Mgo等等)。另外，吸著劑可以引入到還原反應(yīng)器100中，以便除去硫和防止其與Fe相締合?？梢允褂贸龎m裝置以便將吸著劑從系統(tǒng)中除去。
[0091]盡管本系統(tǒng)的一些實(shí)施例涉及生產(chǎn)氫氣，但可以期望進(jìn)一步處理，以生產(chǎn)超高純度氫氣。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可能熟悉的那樣，一些碳或其衍生物可能從還原反應(yīng)器100轉(zhuǎn)移到氧化反應(yīng)器200，并且污染氫氣流束。依據(jù)要求的氫氣的純度，可能必要的是，對(duì)于氫氣使用壓力回轉(zhuǎn)吸收(PSA)單元，以實(shí)現(xiàn)超高純度。來(lái)自PSA單元的廢氣可以包括作為燃料的價(jià)值，并且在固體燃料轉(zhuǎn)化實(shí)施例中，可以與煤炭一起再循環(huán)到還原反應(yīng)器100中，以便增進(jìn)在系統(tǒng)中氫氣生產(chǎn)的效率。
[0092]應(yīng)理解，盡管這里描述的系統(tǒng)的實(shí)施例的幾個(gè)利用包括氧化鐵的載氧材料，但在此描述的燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中可以使用其它載氧材料。
[0093]還原反應(yīng)器設(shè)計(jì)
[0094]在化學(xué)環(huán)路過(guò)程中固 體燃料的直接轉(zhuǎn)化可以認(rèn)為按兩個(gè)階段發(fā)生，即氣體易揮發(fā)物轉(zhuǎn)化和含不易揮發(fā)物固體燃料轉(zhuǎn)化。在一些實(shí)施例中，填充運(yùn)動(dòng)床構(gòu)造用在當(dāng)前系統(tǒng)中，該系統(tǒng)用于在圖1-8的系統(tǒng)中的還原反應(yīng)器100。在圖1-8中所示的還原反應(yīng)器100對(duì)于某些情況可以用一系列流化床代替。當(dāng)固體燃料通過(guò)固體燃料輸送和注入系統(tǒng)注入到還原反應(yīng)器100中時(shí)，在固體燃料中的氣體易揮發(fā)物質(zhì)迅速放出，并且隨氣體運(yùn)送到還原反應(yīng)器100的上部部分。在這個(gè)部分中，易揮發(fā)物可以由從載氧材料顆粒貢獻(xiàn)出的氧轉(zhuǎn)化。
[0095]隨著氣體易揮發(fā)物在還原反應(yīng)器100的上部部分中轉(zhuǎn)化，固體燃料的剩余部分可以貫穿還原反應(yīng)器100或在還原反應(yīng)器100的某些區(qū)域中借助于載氧材料和氧化氣體被轉(zhuǎn)化。氧化氣體可以促使剩余固體燃料的轉(zhuǎn)化，并且為金屬氧化物的還原提供后隨還原氣體，以降低金屬氧化物的氧化狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，來(lái)自還原反應(yīng)器100的出口的新鮮0)2或H2O或再循環(huán)C02/H20流束可以用作氧化劑，但O2也可以是用于固體燃料轉(zhuǎn)化的促進(jìn)的可接受的氧化氣體。諸如CO和H2之類(lèi)的還原性氣體可以由固體燃料的剩余部分的氣化而形成，并且可以導(dǎo)致金屬氧化物的還原。
[0096]在填充運(yùn)動(dòng)床構(gòu)造中，固體燃料的剩余部分轉(zhuǎn)化策略由氣體速度(該氣體速度由上文中述及的氧化氣體表現(xiàn))、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、或在還原器中固體燃料注入的構(gòu)造而確定。填充運(yùn)動(dòng)床的特征是按逆流接觸圖案提供氣體和載氧材料，并且固體燃料的流動(dòng)圖案按這樣一種方式?jīng)Q定，從而為轉(zhuǎn)化提供足夠的駐留時(shí)間。固體燃料可以相對(duì)于載氧材料的流動(dòng)逆流或順流地流動(dòng)。
[0097]因?yàn)楣腆w燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程隨著它們被轉(zhuǎn)化放出氣體，所以在填充運(yùn)動(dòng)床中的氣體速度需要小心地調(diào)節(jié)，以便貫穿還原反應(yīng)器100保持運(yùn)動(dòng)床工況。一些錐體形連接(這些錐體形連接在上部部分上具有較大橫截面面積)中的一個(gè)或更多個(gè)級(jí)可以用來(lái)減小在上部部分中的氣體速度，在該處放出氣體向其流動(dòng)。用于錐體的級(jí)的數(shù)量和錐體的角度和高度可以基于固體燃料轉(zhuǎn)化預(yù)期和載氧材料和固體燃料的流體動(dòng)力學(xué)特性而確定。在一些實(shí)施例中，載氧材料顆粒尺寸傾向于足夠大，從而它們?cè)谶€原反應(yīng)器100和氧化反應(yīng)器200中按填充運(yùn)動(dòng)床方式相對(duì)于氣體逆流地流動(dòng)，并且固體流化/捕集分別在燃燒反應(yīng)器300和固體輸送系統(tǒng)350中總體上是可實(shí)現(xiàn)的和實(shí)際的。另一種可能策略是從反應(yīng)器的中間部分中抽出氣體的一部分。這種氣體可以或者直接用作燃料氣體/化學(xué)環(huán)路，或者被分離并且隨燃料部分再循環(huán)。 [0098]圖9A描繪填充運(yùn)動(dòng)床還原反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例，該填充運(yùn)動(dòng)床還原反應(yīng)器與在圖1-8中的還原反應(yīng)器100相對(duì)應(yīng)。在還原反應(yīng)器100的底部處，上文中述及的氧化氣體為了其較好分布通過(guò)環(huán)型氣體分配器而引入，該環(huán)型氣體分配器起注入氣體端口 170的作用。隨著錐體的橫截面面積增大，氣體速度在錐體接頭的上部部分處逐漸減小。在圖9B中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100沿環(huán)形布置的反應(yīng)器壁的錐形部分可以具有多個(gè)注入氣體端口 170。這個(gè)實(shí)施例允許氧化氣體局部地打散固體，這防止在錐體附近形成橋接。寬范圍的顆粒尺寸分布可能使固體鎖住在錐體中。
[0099]現(xiàn)在參照?qǐng)D9A和9B，還原反應(yīng)器可以包括具有多個(gè)錐體(如第一錐體161和第二錐體162)的幾何形狀。錐形設(shè)計(jì)允許還原反應(yīng)器100在較高區(qū)域中比在較低區(qū)域中具有較大橫截面面積，從而還原反應(yīng)器100在其頂部處比在其底部處具有較大橫截面面積。應(yīng)該理解，還原反應(yīng)器100可以具有一個(gè)錐體，或者根本沒(méi)有錐體。在一些實(shí)施例中，還原反應(yīng)器可以具有多于兩個(gè)錐體。錐體可以分別具有不同的尺寸和形狀。在還原反應(yīng)器100的一個(gè)實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100的整個(gè)豎向長(zhǎng)度可以是錐形的，從而橫截面面積相對(duì)于還原反應(yīng)器100的豎向高度連續(xù)地增大。
[0100]現(xiàn)在參照?qǐng)D10，在一些實(shí)施例中，可以使用還原反應(yīng)器100的較大容器尺寸，并且在還原反應(yīng)器100的底部級(jí)處可以應(yīng)用并聯(lián)的多個(gè)錐形部分，從而還原反應(yīng)器具有多個(gè)出口流束。第一錐體177和第二錐體176都可以發(fā)源于還原反應(yīng)器100的底部部分，并且形成用于載氧材料的多個(gè)出口。多個(gè)錐體連接可以防止在單個(gè)錐體上的過(guò)大應(yīng)力和固體的通道流動(dòng)。在這個(gè)實(shí)施例中，可以安裝多個(gè)非機(jī)械閥，以將顆粒轉(zhuǎn)移到多個(gè)燃燒器。然后，可以并聯(lián)地重復(fù)相同提升管、氣體-固體分離系統(tǒng)及固體-固體分離。
[0101]分別在還原反應(yīng)器100和氧化反應(yīng)器200中，一系列流化床可以可選擇地用于固體燃料轉(zhuǎn)化和/或H2生產(chǎn)。在這樣一種構(gòu)造中，優(yōu)選載氧材料顆粒尺寸范圍可以在約50微米與約2，000微米之間。載氧材料和固體燃料剩余物都通過(guò)氧化進(jìn)口氣體和來(lái)自反應(yīng)的中間和生產(chǎn)氣體而流化。在多級(jí)流化床的一些構(gòu)造中，氣體和載氧材料逆流地交換氧。可選擇地，固體燃料和載氧材料可以一起順流地流動(dòng)，并且/或者在一些實(shí)施例中逆流地流動(dòng)。
[0102]在一個(gè)實(shí)施例中，一系列流化床的順流流動(dòng)具有相同的固體燃料(如果有的話)和載氧材料的進(jìn)口和出口，并且將氧化氣體在流化床系列的底部處引入到第一流化床中，該第一流化床取得從在第一流化床上方的第二流化床輸入的固體，并且產(chǎn)生固體的最后輸出。來(lái)自第一流化床的生成氣體可以運(yùn)動(dòng)到第二流化床中。將來(lái)自存儲(chǔ)容器的再循環(huán)載氧材料引入到最上部流化床中。固體燃料的注入可以在各流化床中的任一個(gè)流化床處進(jìn)行。氣體和固體的交換規(guī)范地發(fā)生在每個(gè)流化床之間。在流化床系列的順流流動(dòng)中，載氧材料和固體燃料典型地具有類(lèi)似的流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。載氧材料和固體燃料顆粒尺寸也傾向于在這樣的范圍中:其中，它們的同時(shí)流化在還原反應(yīng)器100和/或氧化反應(yīng)器200中是可實(shí)現(xiàn)的和實(shí)際的。
[0103]在流化床系列的逆流流動(dòng)中，其中固體燃料和載氧材料流入彼此相反的方向，固體燃料可以從每個(gè)流化床與氣體一起帶出，而載氧材料在它們運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)反應(yīng)器之前可以在每個(gè)反應(yīng)器中連續(xù)地流化。對(duì)于這種逆流流化床操作，載氧材料顆粒的密度和尺寸應(yīng)當(dāng)是適當(dāng)?shù)?，以便使流化工況保持在每個(gè)流化反應(yīng)器中，并且固體燃料小得足以由氣體快速帶走，以便于容易地與載氧材料分離。
[0104]流動(dòng)工況
[0105]現(xiàn)在參照?qǐng)D11，在填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施例中，氧化氣體150在錐體161的下部部分處，具有在固體燃料140的剩余部分的終端速度與載氧材料130的最小流化速度之間的速度。反應(yīng)器可以構(gòu)造成填充運(yùn)動(dòng)床，其中，固體燃料140和載氧材料130的流動(dòng)方向是逆流的。在高速度下的氧化氣體150添加到錐體161的下部部分，并且固體燃料的剩余部分隨氧化氣體150流過(guò)下降的載氧材料130的空穴空間。在這個(gè)實(shí)施例中，氣體-固體-固體接觸模式可能傾向于比較大尺寸顆粒的載氧材料130(在約Imm與IOmm之間的任何尺寸)、比載氧材料130小的粉碎固體燃料顆粒140 (在約I μ m與約1，000 μ m之間的任何尺寸)以及在底部區(qū)中比較高氧化氣體150流動(dòng)速度(比粉碎固體燃料140的最小流化速度高，但比載氧材料130最小流化速度低)。在這個(gè)實(shí)施例中，在燃燒反應(yīng)器300和提升管350中基本上可能不存在固體燃料140的副產(chǎn)品和/或未轉(zhuǎn)化的固體燃料，因?yàn)樵阱F體161的底部處的高氣體速度只允許載氧材料130的循環(huán)，這些載氧材料130可以具有較粗顆粒尺寸。固體燃料140的副產(chǎn)品和/或未轉(zhuǎn)化的固體燃料可以在還原反應(yīng)器100的頂部處從系統(tǒng)中分離和排出，如這里描述的那樣。
[0106]現(xiàn)在參照?qǐng)D12，在另一個(gè)實(shí)施例中，具有高的易揮發(fā)物含量的固體燃料140可以在錐體161下面注入。如有必要，則可以在固體燃料注入點(diǎn)下面注入另外的氧化氣體150，以便防止固體燃料140的向下流動(dòng)。固體燃料140和載氧材料130的流動(dòng)方向可以是逆流的。這個(gè)實(shí)施例為來(lái)自固體燃料140的易揮發(fā)物提供最大反應(yīng)區(qū)。在這個(gè)實(shí)施例中，在燃燒反應(yīng)器300和提升管350中基本上可能不存在固體燃料140的副產(chǎn)品和/或未轉(zhuǎn)化的固體燃料，因?yàn)樵阱F體161的底部處的高氣體速度只允許載氧材料130的全局循環(huán)，這些載氧材料130可以具有較粗顆粒尺寸。固體燃料140的副產(chǎn)品和/或未轉(zhuǎn)化的固體燃料可以或者在還原反應(yīng)器100的頂部處、或者與新鮮固體燃料一起，從系統(tǒng)中分離和排出。
[0107]現(xiàn)在參照?qǐng)D13，在另一個(gè)實(shí)施例中，固體燃料140和載氧材料130是順流的。還原反應(yīng)器100可以構(gòu)造成使得固體燃料140可以與載氧材料130的顆粒一起向下流動(dòng)，而氧化氣體150可以向上流動(dòng)。在這個(gè)實(shí)施例中，氣體-固體-固體接觸模式可能傾向于在錐體161的下部部分中的低氧化氣體150速度，并且/或者固體燃料140的剩余部分具有與載氧材料130相似的流體動(dòng)力學(xué)特性。任何未轉(zhuǎn)化的固體燃料140可以在燃燒反應(yīng)器300中用空氣轉(zhuǎn)化，并且它們的副產(chǎn)品可以在載氧材料重新進(jìn)入還原反應(yīng)器100之前與載氧材料130分離。這種轉(zhuǎn)化方案可能導(dǎo)致在燃燒反應(yīng)器300的氣體出口中的二氧化碳副產(chǎn)品。在一個(gè)實(shí)施例中，固體-固體分離單元可以定位在燃燒反應(yīng)器300之前，例如流化床之前，以將載氧材料130和未轉(zhuǎn)化的固體燃料140基于它們的不同流體動(dòng)力學(xué)性能而分離。這個(gè)實(shí)施例可以允許未轉(zhuǎn)化的固體燃料140回到還原反應(yīng)器100的再循環(huán)，并且可以消除通過(guò)燃燒反應(yīng)器300和提升管350的碳泄漏。
[0108]參照?qǐng)D14，在另一實(shí)施例中，可以利用不易揮發(fā)或低揮發(fā)固體燃料140，例如但不限于炭或焦，且固體燃料140的注入可以在還原反應(yīng)器100頂部進(jìn)行。固體燃料可以隨來(lái)自存儲(chǔ)容器的再循環(huán)載氧材料130引入，且可在還原反應(yīng)器100中順流地向下流動(dòng)。在另一實(shí)施例中，在類(lèi)似流動(dòng)構(gòu)造中可以利用一系列流化床。
[0109]現(xiàn)在參照?qǐng)D15，在另一個(gè)實(shí)施例中，氣體-固體-固體接觸模式可以通過(guò)載氧材料130和固體燃料140的剩余部分的順流和逆流流動(dòng)工況的組合而實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)施例中，固體燃料140可以具有寬范圍的顆粒尺寸。具有比較小顆粒尺寸的固體燃料140的剩余部分可以跟隨逆流流動(dòng)，而比較大尺寸的固體燃料140可以相對(duì)于載氧材料130順流地流動(dòng)。任何未轉(zhuǎn)化的固體燃料140可以在燃燒反應(yīng)器300用空氣轉(zhuǎn)化，并且它們的副產(chǎn)品可以在重新進(jìn)入還原反應(yīng)器 100之前分離。這種轉(zhuǎn)化方案可能導(dǎo)致在燃燒反應(yīng)器出口中的二氧化碳副產(chǎn)品。在另一個(gè)實(shí)施例中，固體-固體分離單元可以定位在燃燒反應(yīng)器100之前，例如流化床之前，以將載氧材料130和未轉(zhuǎn)化的固體燃料140基于它們的不同流體動(dòng)力學(xué)性能而分離。這個(gè)實(shí)施例可以允許將未轉(zhuǎn)化的固體燃料140再循環(huán)回還原反應(yīng)器100，并且可以消除通過(guò)燃燒反應(yīng)器300和提升管350的碳泄漏。
[0110]非機(jī)械閥
[0111]在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中的載氧材料可能需要按受到調(diào)節(jié)并且符合期望的流量從還原反應(yīng)器100或氧化反應(yīng)器200運(yùn)輸?shù)饺紵磻?yīng)器300。因?yàn)橹T如盤(pán)式送料機(jī)或球閥之類(lèi)的傳統(tǒng)機(jī)械裝置依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)零件，所以操作成本將會(huì)是昂貴的，并且裝置當(dāng)它們應(yīng)用在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)(在該化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中，在升高溫度下處置磨蝕載氧材料和固體燃料)中時(shí)將會(huì)是不可靠的。因此，非機(jī)械閥可以引入到這里公開(kāi)的化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中在燃燒反應(yīng)器進(jìn)口 400處。非機(jī)械閥可以運(yùn)輸固體，并且可以構(gòu)造成用以例如防止在還原反應(yīng)器100或氧化反應(yīng)器200與燃燒反應(yīng)器300之間的氣體混合。這里使用的“非機(jī)械閥”是在其操作中不依賴(lài)于運(yùn)動(dòng)零件、而是例如依賴(lài)于氣體流動(dòng)的任何閥。非機(jī)械閥可以具有曲折管道組件。
[0112]現(xiàn)在參照?qǐng)D16A、16B、16C以及16D，這里公開(kāi)的是幾種非機(jī)械閥構(gòu)造。一般而言，非機(jī)械閥可以包括豎向立管410(該豎向立管410連接到還原反應(yīng)器100或氧化反應(yīng)器200上)、至少一根水平管420、選擇性地至少一根豎向管470以及選擇性地傾斜管430。豎向立管410可以導(dǎo)致在還原反應(yīng)器100或氧化反應(yīng)器200與燃燒反應(yīng)器300之間的壓力建立，以防止氣體混合。區(qū)密封氣體流束440可以用來(lái)在立管上建立壓力，該壓力可以防止在各反應(yīng)器之間的氣體泄漏。例如但不限于N2和Ar之類(lèi)的惰性氣體、蒸汽、或像CO2之類(lèi)的較小活性氣體可以用來(lái)密封反應(yīng)器。水平和傾斜管的優(yōu)選構(gòu)造由載氧材料的顆粒特性和/或在系統(tǒng)中的氣體使用而確定。載氧材料的全局循環(huán)速率主要由在閥的豎向立管上的氣化氣體流束450確定和控制。例如但不限于N2和Ar之類(lèi)的惰性氣體、蒸汽、或像CO2之類(lèi)的較小活性氣體作為氣化氣體是優(yōu)選的?？梢越⒘硗獾臍饣瘹怏w流束460，以使靜止區(qū)最小化并且防止細(xì)屑積累。[0113]非機(jī)械閥可以構(gòu)造有特定幾何形狀，該特定幾何形狀可以取決于燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格。圖16A示出了 “L形閥”，該“L形閥”按“L”的形狀構(gòu)造，并且包括立管410，該立管410連接到水平管420上，該水平管420連接到燃燒反應(yīng)器300上。圖16B示出了“延伸L形閥”，該“延伸L形閥”按具有延伸部的“L”的形狀構(gòu)造，并且包括立管410，該立管410連接到水平管420上，該水平管420連接到傾斜管430上，該傾斜管430連接到燃燒反應(yīng)器300上。圖16C示出了 “J形閥”，該“J形閥”按“J”的形狀構(gòu)造，并且包括立管410，該立管410連接到水平管420上，該水平管420連接到豎向管470上，該豎向管470連接到傾斜管430上，該傾斜管430連接到燃燒反應(yīng)器300上。圖16D示出了 “h形閥”，該“h形閥”按“h”的形狀構(gòu)造，并且包括立管410，該立管410連接到第一水平管420上，該第一水平管420連接到第一豎向管470上，該第一豎向管470連接到第二水平管420上，該第二水平管420連接到燃燒反應(yīng)器300上。
[0114]固體流量測(cè)量系統(tǒng)
[0115]在一個(gè)實(shí)施例中，這里公開(kāi)的燃料轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可以包括固體流量測(cè)量裝置，且可定位在燃燒反應(yīng)器進(jìn)口流束400處。固體流量測(cè)量裝置可與非機(jī)械閥相聯(lián)接。除固體流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)外，可建立固體流量測(cè)量以保證反應(yīng)器系統(tǒng)的適當(dāng)操作?？赡苤匾氖牵哂性谙到y(tǒng)中載氧材料循環(huán)速率的知識(shí)，以便確定在燃料進(jìn)料與載氧材料之間的化學(xué)計(jì)量平衡。不適當(dāng)全局固體循環(huán)速率會(huì)導(dǎo)致在還原反應(yīng)器100和/或氧化反應(yīng)器200中的固體聚結(jié)和/或不完全的燃料轉(zhuǎn)化。
[0116]在一個(gè)實(shí)施例中,載氧材料循環(huán)通過(guò)使用填充運(yùn)動(dòng)床的特性和在運(yùn)動(dòng)床中的固體的低熱容量而確定。一批冷顆粒可以通過(guò)活底-料斗系統(tǒng)添加到反應(yīng)器中，并且可以監(jiān)視在反應(yīng)器壁上的溫度測(cè)量裝置的溫度趨勢(shì)。在圖17中的給定例子中，溫度測(cè)量裝置480，例如但不限于熱電偶，可以安 裝在反應(yīng)器壁上，沿反應(yīng)器的豎向高度周期性地排列。表現(xiàn)大幅溫度降的第一熱電偶可以指示床的水平。由于在反應(yīng)器中的固體向下運(yùn)動(dòng)，所以冷固體的批料降低在下面區(qū)域中的溫度。這種趨勢(shì)繼續(xù)，直到固體的批料到達(dá)反應(yīng)器穩(wěn)定狀態(tài)溫度。在各個(gè)溫度測(cè)量裝置之間的各個(gè)溫度降之間的時(shí)間滯后，表示載氧材料顆粒的直線速度。如果知道固體的密度和反應(yīng)器的橫截面面積，則直線速度可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)量流量。
[0117]在另一個(gè)實(shí)施例中，固體流量測(cè)量系統(tǒng)可以包括具有運(yùn)輸窗口的運(yùn)輸線。運(yùn)輸線可以布置成與主運(yùn)輸線并聯(lián)，例如在固體分離裝置600與固體存儲(chǔ)容器700之間，并且可以保證在測(cè)量裝置和主反應(yīng)中的類(lèi)似操作條件。由在測(cè)量裝置中的固體流量乘以在測(cè)量線和主運(yùn)輸線的橫截面之間的面積比，可以得到固體流量。
[0118]固體燃料注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
[0119]現(xiàn)在參照?qǐng)D18，在一個(gè)實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100包括用于填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器構(gòu)造的固體燃料注入和分配系統(tǒng)171。固體燃料的輸入速率可以通過(guò)利用傳統(tǒng)固體處置裝置而控制。系統(tǒng)171可以包括固體燃料存儲(chǔ)單元700和固體流量控制器174。固體燃料由固體流量控制器174輸送到運(yùn)輸線，然后來(lái)自流束176的推動(dòng)氣體可以將固體燃料攜帶到填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器100中。一般而言，中性、無(wú)活性、或較小活性氣體用來(lái)將固體燃料從固體流量控制器174運(yùn)輸?shù)教畛溥\(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器100中。在某些實(shí)施例中，諸如C02、H2OjP /或O2之類(lèi)的氧化氣體可以用作推動(dòng)氣體。固體燃料運(yùn)輸系統(tǒng)170的尺寸和推動(dòng)氣體速度可以取決于固體燃料的性質(zhì)。固體燃料注入的數(shù)量和位置也可以基于反應(yīng)器尺寸、載氧材料與固體燃料的反應(yīng)性、和/或固體燃料流量而調(diào)節(jié)?？梢园惭b緊急關(guān)閉閥178，以防止氧化氣體突然回流到固體燃料存儲(chǔ)單元。
[0120]現(xiàn)在參照?qǐng)D18和19，在一個(gè)實(shí)施例中，固體燃料與推動(dòng)氣體可以繞漏斗形固體流量調(diào)整器180沿切向注入到填充運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器100中。圖18描繪關(guān)于兩點(diǎn)式切向注入構(gòu)造在流量調(diào)整器附近通過(guò)推動(dòng)氣體的固體燃料的流動(dòng)方向。載氧材料可以通過(guò)漏斗形固體流量調(diào)整器180，并且它們會(huì)聚到較小表面區(qū)域中，該較小表面區(qū)域?yàn)榇⑷氲皆诼┒沸喂腆w流量調(diào)整器180內(nèi)部的載氧材料中的固體燃料提供空間。固體流量調(diào)整器180可以同軸地布置在運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)，并且在固體流量調(diào)整器與第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器的壁之間的空隙限定出用于燃料的切向流動(dòng)路徑，該燃料經(jīng)多個(gè)燃料注入端口進(jìn)入第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。漏斗形固體流量調(diào)整器180可以由多孔材料建造，從而可以得到平順的氣體流動(dòng)。內(nèi)部反應(yīng)器設(shè)計(jì)可以是用以在填充運(yùn)動(dòng)床中分配固體燃料的、有效用的并且高效率的裝置。
[0121]還原反應(yīng)器可以包括流動(dòng)靜止混合器。隨著兩種固體的混合物通過(guò)靜止混合器，可以實(shí)現(xiàn)在固體燃料與載氧材料之間的混合。不同形狀的靜止混合器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同程度的混合。
[0122]現(xiàn)在參照?qǐng)D18和20，在一個(gè)實(shí)施例中，在該實(shí)施例中，還原反應(yīng)器100具有大尺寸，由于在大型容器中在載氧材料中分配固體燃料的困難，切向固體燃料注入的方法可能不是優(yōu)選的?？梢允褂萌缗c先前實(shí)施例相同的固體輸送系統(tǒng)，例如固體送料機(jī)和推動(dòng)氣體。然而，不同的內(nèi)部設(shè)計(jì)和多個(gè)固體送料機(jī)可以應(yīng)用在巨大容器中，以保證固體燃料分配?？梢园惭b多個(gè)內(nèi)部圓錐184以構(gòu)建貫穿容器用于固體燃料注入的空間，從而多個(gè)注入端口限定圓錐形狀。圓錐184可以是漏斗形的，并且可以由多孔材料建造，從而可以得到基本上平順的氣體流動(dòng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和固體進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)量取決于還原反應(yīng)器100的尺寸和/或使用的固體燃料的性質(zhì)?？梢园惭b緊急關(guān)閉閥，以防止氧化氣體突然回流到固體燃料存儲(chǔ)單元。在固體燃料注入以后，可以安裝靜止混合器182，以在運(yùn)動(dòng)床中實(shí)現(xiàn)較高程度的固體混合。在一個(gè)實(shí)施例中，幫助氣體和固體兩者重新分配的內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝在還原反應(yīng)器100和/或氧化反應(yīng)器200中。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以幫助固體燃料跨過(guò)反應(yīng)器床更均勻地分配。另外，在某些實(shí)施例中提供沿反應(yīng)器壁的氣體注入，以允許固體燃料被更好地分配。
[0123]固體分離系統(tǒng)
[0124]在一些實(shí)施例中，用比較大的載氧材料顆粒、球丸或團(tuán)塊，操作反應(yīng)器系統(tǒng)。在該實(shí)施例中，載氧材料的磨碎的/再熔的細(xì)屑、固體燃料的副產(chǎn)品和/或未轉(zhuǎn)化的碳可能需要分離，因?yàn)楣腆w燃料的副產(chǎn)品、未轉(zhuǎn)化的碳、和/或再熔的細(xì)屑的嚴(yán)重積累，會(huì)引起載氧材料失活和反應(yīng)器堵塞。在單元的連續(xù)操作期間，在載氧材料重新進(jìn)入還原反應(yīng)器100之前，細(xì)屑的全部或部分，即固體燃料的副產(chǎn)品、未轉(zhuǎn)化的碳以及再熔的載氧材料粉末，可能需要從系統(tǒng)中清除。圖21代表在用于固體燃料轉(zhuǎn)化的化學(xué)環(huán)路過(guò)程中的細(xì)屑除去設(shè)備的實(shí)施例。盡管氣體-固體分離器可用來(lái)分離出極細(xì)材料，但固體燃料的副產(chǎn)品和載氧材料粉末的大部分在存儲(chǔ)容器之前除去。細(xì)屑除去設(shè)備600利用顆粒的流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的差異，將固體燃料副產(chǎn)品、未轉(zhuǎn)化固體燃料或再熔載氧材料顆粒與基本載氧材料顆粒分離。固體流動(dòng)流束520包含細(xì)屑(這些細(xì)屑在燃燒器、提升管及旋風(fēng)器中產(chǎn)生)和基本載氧材料顆粒。因?yàn)檩d氧材料在燃燒器、提升管以及旋風(fēng)器中強(qiáng)有力地運(yùn)輸，所以細(xì)屑的大部分可能產(chǎn)生在這些區(qū)域中。這些細(xì)屑包括再熔載氧材料、固體燃料副產(chǎn)品或未轉(zhuǎn)化固體燃料。細(xì)屑和較粗顆粒的混合物從旋風(fēng)器輸送。在這些顆粒進(jìn)入接收器之前，在進(jìn)口流束630處引入氣化氣體，以淘除在混合物內(nèi)的細(xì)屑，而基本粗載氧材料循環(huán)回到接收器中。依據(jù)被除去的細(xì)屑的截止尺寸，可以調(diào)整在豎向立管部分620中的載體氣體速度。一般而言，將在立管620中的載體氣體速度設(shè)置成比期望的細(xì)屑的終端速度稍高。一般而言，中性、非活性、較小活性氣體和/或空氣用來(lái)在這個(gè)設(shè)備600中分離細(xì)屑。在一些實(shí)施例中，從出口流束610收集的固體可以在反應(yīng)器系統(tǒng)中重新處理和再用。再熔載氧材料和/或未轉(zhuǎn)化的固體燃料可以由氣體-固體分離器與氣化氣體分離。
[0125]在一些實(shí)施例中，來(lái)自提升管350的捕集顆粒和氣體可以旁通過(guò)氣體-固體分離器500?？蛇x擇地，提升管350可以按傾斜角度與固體分離器直接連接。進(jìn)口流束520可能包含需要分離的顆粒。對(duì)于這個(gè)實(shí)施例，固體分離系統(tǒng)600與諸如提升管之類(lèi)的固體輸送系統(tǒng)350相比，優(yōu)選地具有大得多的橫截面面積，以便避免顆粒的捕集。如在先前實(shí)施例中提到的那樣，在出口流束610中的分離顆?？赡苓m合于被重新處理，以便在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中循環(huán)。
[0126]另外的氣化氣體可以從固體存儲(chǔ)容器700的底部輸入，以便將細(xì)屑與基本載氧材料分離，這些基本載氧材料通過(guò)固體分離裝置600，并且已經(jīng)沉積在固體存儲(chǔ)容器700中。小氣體出口安裝在固體存儲(chǔ)容器700的頂部處，以從載氧材料的表面水平噴出流化細(xì)屑。
[0127]燃燒反應(yīng)器和提升管設(shè)計(jì)
[0128]壓力流動(dòng)主要由于在燃燒反應(yīng)器300中經(jīng)歷的巨大顆粒尺寸載氧材料的遲滯效應(yīng)，有時(shí)發(fā)生在化學(xué)環(huán)路系統(tǒng)中。在燃燒反應(yīng)器300中的固體遲滯引起在存儲(chǔ)容器中固體存量的突然損失/增加、和氣體和固體流量的突然變化。
[0129]現(xiàn)在參照?qǐng)D22A、23B以及23C，在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒反應(yīng)器300可以減小在載氧材料的流體期間的遲滯。為減小在燃燒反應(yīng)器300中的遲滯可以采納的可能途徑，包括但不限于對(duì)于燃燒反應(yīng)器300的形狀和尺寸的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、和內(nèi)部裝置的添加。在一個(gè)實(shí)施例中，在頂部上具有較大橫截面面積的錐形床，如圖22A所示，可以大大地減小在固體料位的表面附近的氣體和固體波動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖22B所示，將提升管350的下端部插入到燃燒反應(yīng)器300內(nèi)部可以通過(guò)防止固體與壁碰撞而有效地減小遲滯。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖22C所示，包括豎向內(nèi)部結(jié)構(gòu)304和水平內(nèi)部結(jié)構(gòu)302的內(nèi)部裝置通過(guò)將燃燒反應(yīng)器300分離成幾個(gè)部分和限制每個(gè)部分的尺寸，也可以減小遲滯。減小遲滯的其它可行方法包括螺旋絲桿或攪拌器，這些螺旋絲桿或攪拌器可以通過(guò)改變固體的局部流動(dòng)性而防止遲滯。
[0130]在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)從在燃燒反應(yīng)器300和/或提升管350中的放熱反應(yīng)回收熱量可以生產(chǎn)蒸汽。在這個(gè)實(shí)施例中，在燃燒反應(yīng)器300和/或提升管350中的熱量可以轉(zhuǎn)移成蒸汽發(fā)生 ，導(dǎo)致在燃燒反應(yīng)器300和/或提升管350中的溫度下降。由于溫度下降使氣體體積收縮，所以在燃燒反應(yīng)器300和/或提升管350的上部部分中可以降低氣體速度。如果在提升管中的氣體速度不足以將顆粒運(yùn)輸回存儲(chǔ)容器，則另外的氣體注入端口可以安裝在提升管350的各個(gè)點(diǎn)上。
[0131]注意，這里為實(shí)施特定性能、或按特定方式起作用而按特定方式“構(gòu)造”的本公開(kāi)的元件的講述是結(jié)構(gòu)性講述，與預(yù)期用途的講述相反。更具體地說(shuō)，這里對(duì)于“構(gòu)造”元件的方式的參考指示元件的現(xiàn)有物理狀態(tài)，并且因而，要當(dāng)作元件的結(jié)構(gòu)特性的具體講述。[0132]為了描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)予注意的是，術(shù)語(yǔ)“基本上”這里用來(lái)代表固有程度的不確定性，這種不確定性可能歸因于任何量化比較、值、測(cè)量、或其它表示。術(shù)語(yǔ)“基本上”在這里也用來(lái)代表這樣一種程度:量化表示可以基于指出的參考值有所改變，但不導(dǎo)致所論述的主題的基本功能的變化。
[0133]詳細(xì)地和通過(guò)參考本公開(kāi)的具體實(shí)施例已經(jīng)描述了本公開(kāi)的主題，應(yīng)予注意的是，這里公開(kāi)的各種細(xì)節(jié)不應(yīng)該當(dāng)作意味著，這些細(xì)節(jié)涉及是這里描述的各個(gè)實(shí)施例的基本元件的元素，即使在其中特定元素在各個(gè)附圖(這些附圖伴隨本描述)中的每一個(gè)附圖中示出的情況下也如此。實(shí)際上，所附的權(quán)利要求書(shū)應(yīng)該當(dāng)作本公開(kāi)的寬度和這里描述的各個(gè)實(shí)施例的對(duì)應(yīng)范圍的唯一表示。進(jìn)一步，顯然可知的是，可以做出諸多不脫離所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍的修改和變更。更具體地說(shuō)，盡管本公開(kāi)的一些方面在這里被認(rèn)為是優(yōu)選的或特別有利的，但預(yù)期到的是 ，本公開(kāi)并非必須限于這些方面。
【權(quán)利要求】
1.一種用來(lái) 轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，包括: 第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器，所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器包括至少一個(gè)錐形部分和多個(gè)注入氣體端口，所述多個(gè)注入氣體端口構(gòu)造成用以將燃料輸送到所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器，其中，所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器構(gòu)造成用以通過(guò)相對(duì)于載氧材料限定用于燃料的逆流流動(dòng)路徑而用所述燃料還原所述載氧材料； 與所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器連通的第二反應(yīng)器，所述第二反應(yīng)器能被操作以接收氧氣源，其中，所述第二反應(yīng)器構(gòu)造成用以通過(guò)氧化使得被還原載氧材料再生；以及 非機(jī)械閥，所述非機(jī)械閥包括曲折管道組件和至少一個(gè)氣體開(kāi)口，所述曲折管道組件布置在所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器與所述第二反應(yīng)器之間，所述至少一個(gè)氣體開(kāi)口構(gòu)造成用以接收氣體流束，所述氣體流束能夠起作用以減少在所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器與所述第二反應(yīng)器之間的氣體泄漏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述第二反應(yīng)器是逆流運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述曲折管道組件包括至少一根豎向立管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述注入氣體端口環(huán)形地布置在至少一個(gè)錐形部分上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器具有并聯(lián)對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)錐形部分，從而所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器具有多個(gè)出口流束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，還包括固體流量調(diào)整器，該固體流量調(diào)整器同軸地布置在所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，在所述固體流量調(diào)整器與所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器的壁之間的空隙限定出用于燃料的切向流動(dòng)路徑，該燃料經(jīng)所述多個(gè)燃料注入端口進(jìn)入所述第一運(yùn)動(dòng)床反應(yīng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述固體流量調(diào)整器是漏斗形的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，多個(gè)注入端口限定圓錐形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用來(lái)轉(zhuǎn)化燃料的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)注入氣體端口沿錐形部分布置。
【文檔編號(hào)】C07C27/00GK103635449SQ201280031083
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月11日
【發(fā)明者】范良士, H·R·金, 李凡星, 曾亮, 王大偉, 王飛 申請(qǐng)人:俄亥俄州國(guó)家創(chuàng)新基金會(huì)