提供了用于将燃料进行转化的系统，该系统包括第一反应器，该第一反应器包括许多陶瓷复合颗粒，所述陶瓷复合颗粒包含位于载体上的至少一种金属氧化物，其中所述第一反应器经配置以用燃料将至少一种金属氧化物还原从而产生还原的金属或还原的金属氧化物；第二反应器，该第二反应器经配置以将来自所述第一反应器的还原的金属或还原的金属氧化物的至少一部分氧化从而产生金属氧化物中间体；空气源；和第三反应器，该第三反应器与所述空气源连通并且经配置以通过将金属氧化物中间体氧化使来自从所述第一反应器排放的固体的剩余部分和从所述第二反应器排放的固体的至少一种金属氧化物再生。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及将含碳燃料进行转化的系统和方法。通常利用存在一种或多种化学中间体的还原-氧化(氧化还原)反应将含碳燃料进行转化。
技术介绍
为了满足不断提高的对清洁和负担得起的能量载体的要求并且确保现代经济的可持续增长，高度需要将含碳燃料例如煤、原油、天然气、生物质、焦油砂和油母岩转化成无碳能量载体的有效且环境友好的技术。能量载体是可用于产生机械功或热或者操作化学或物理过程的物质或现象。特别地当(X)2法规为强制性时，现有的含碳燃料转化技术或者为资金密集型(气化或超-超临界粉煤燃烧)，具有低的效率(亚临界粉煤燃烧)，或者其二者兼有。含碳燃料和空气/蒸汽/(X)2之间借助于金属氧化物介质的化学反应可以表现为一种将燃料进行转化的有效方法。已提出许多使用金属氧化物的技术将含碳燃料进行转化。例如，Watkins的美国专利No. 3，027，238描述了生产氢气的方法，该方法包括在还原区中还原金属氧化物，并且在氧化区中用蒸汽氧化经还原的金属以产生氢气。Thomas等的美国公开申请No. 2005/0175533和Fan等的PCT申请No. W02007/082089均描述了通过如下产生氢气的方法在碳基燃料和金属氧化物之间的还原反应中还原金属氧化物以提供具有较低氧化态的经还原的金属或金属氧化物，并且氧化所述经还原的金属或金属氧化物以产生氢气和具有较高氧化态的金属氧化物。以含有金属或金属氧化物的陶瓷材料多孔复合物的形式提供金属或金属氧化物。一种众所周知的方法为蒸汽-铁方法，其中将煤衍生的发生炉煤气与氧化铁颗粒 (随后用蒸汽再生)反应以产生氢气。然而，在该系统中使用流化床，这使铁(Fe)在FeO和 Fe3O4之间循环，没有将所述气体完全转化，并且没有能够产生纯的气体流。Ishida等的美国专利No. 5，447，024描述了使用氧化镍颗粒通过化学循环方法将天然气转化为待用于涡轮机的热的方法。然而，该技术具有有限的适用性，这是因为其仅能够高花费地将天然气转化为热/电。因此，限制了该方法的原料和产物。随着逐渐提高的对更清洁和更有效的能量载体例如电、氢气和燃料的要求，出现了对以较高效率和较低排放产生上述能量载体的改进系统和其中的系统部件的需要。
技术实现思路
本专利技术的实施方案提供了将固体、液体和气体燃料转化为有效能量载体的新型系统和方法。在一个实施方案中，提供了用于将固体、液体或气体燃料进行转化的系统并且该系统包括含有许多陶瓷复合颗粒的第一反应器。所述陶瓷复合颗粒包含位于载体上的至少一种金属氧化物，并且所述第一反应器经配置以用燃料将该至少一种金属氧化物还原从而产生还原的金属或还原的金属氧化物。该系统包括经配置的第二反应器以将所述还原的金属或还原的金属氧化物至少部分再氧化从而产生金属氧化物中间体。该系统还包括空气源和与该空气源连通的第三反应器并且该第三反应器经配置以通过氧化所述金属氧化物中间体使至少一种金属氧化物再生。在优选的形式中，燃料为固体燃料或气体燃料。任选地， 将燃料转化增强气体(优选包括CO2、蒸汽和/或H2)送到其中使该气体与固体流逆向流动的第一反应器。还提供了制备为例如丸粒形式的陶瓷复合颗粒的方法，该方法包括以下步骤将金属氧化物与至少一种陶瓷材料混合以形成混合物，将该混合物成粒，和干燥该成粒混合物。将干燥、成粒的混合物加工成使得颗粒的特征长度大于约200 μ m的颗粒形式。所述颗粒在用于反应器系统之前在约500-约1500°C的温度下热处理并且可以任选地将它们还原和氧化。考虑以下详细描述、附图和所附权利要求将更全面地理解由本文所述主题的实施方案提供的另外特点和优点。附图说明 当结合下面的附图阅读时可以最佳地理解本文所述主题的说明性实施方案的以下详细描述，在所述附图中相似的结构用相似的附图标记表示并且其中 图1是其中提供了由煤和/或生物质产生氢气和/或电的系统而不需要空气分离单元(ASU)的实施方案的示意性图解； 图2A是将煤和/或生物质转化为(X)2和蒸汽，并同时将复合颗粒中的!^e2O3还原为狗和FeO的还原器的示意性图解；图2B和2C描述了还原器中固体燃料注入口和反应器出口的替代设计； 图3是煤焦/生物质转化增强方案的示意性图解； 图4A和4B是还原器的第一级和第二级中气体固体流动型式的示意性图解； 图5是显示移动床还原器的实施方案中煤和氧载体的转化的图表； 图6是将含碳燃料转化为氢气、可封存(sequestrable)的CO2和热的系统的替代实施方案的示意性图解； 图7描述了含碳燃料转化系统的实施方案的热集成方案； 图8是将气体燃料例如合成气、甲烷和其它烃转化为氢气和/或电的系统的示意性图解； 图9是显示在移动床还原器中合成气和氧化铁的转化的图； 图10是显示在移动床还原器中甲烷和氧化铁的转化的图； 图11是显示由移动床氧化器产生的氢气的浓度的图； 图12是显示根据本专利技术实施方案制得的!^e2O3基金属氧化物复合颗粒的抗碎强度的图； 图13是显示在多个氧化还原循环后氧载体颗粒的磨耗率的图； 图14是显示氧载体颗粒的还原-氧化速率相对于氧化还原循环数目的图； 图15是显示氧载体颗粒在与煤反应4个还原-氧化循环，与合成气反应3个还原-氧化循环和与天然气反应1个还原-氧化循环后的反应性的图； 图16是描述还原器的一个实施方案的期望工作线的图。图17是由生物质发电的实施方案的示意性图解； 图18是由天然气或其它富含甲烷的气体产生氢气/电的实施方案的示意性图解； 图19是使用非机械气体密封件和固体流动控制装置的氧化还原系统的设计的示意性图解；和 图20描述了非机械气体密封和固体流动控制的替代设计。具体实施例方式总体上参考图1和8，本文所述主题的实施方案涉及通过金属氧化物陶瓷复合物的氧化还原反应将含碳燃料转化为无碳能量载体例如氢气、热和电的系统和方法。图1描述了当直接使用固体含碳燃料作为原料时系统配置方式的一个实施方案，而图8描述了当使用气体含碳燃料作为原料时系统配置方式的一个实施方案。在图1所描述的实施方案中，系统10包括第一反应器12(在本文中也称作还原器)，其经配置以将来自燃料源14的固体含碳燃料氧化为(X)2和蒸汽并同时将系统中充当氧载体的金属氧化物基陶瓷复合颗粒还原。固体燃料可以通过使其夹带入气体(例如含氧气体)流中来供给。如所示，将金属氧化物复合颗粒供给物储存在容器16中并且在需要使将其供给到还原器12。如图1中所示可以视需要通过管道(conduit) 11加入额外的复合颗粒。通过金属氧化物氧载体颗粒至少部分地提供或除去还原器12中所需或产生的热。通过管线18将燃料的燃烧产物(O)2和蒸汽)从还原器12除去。如所示，通过使气态料流穿过给加有来自管线21的冷却剂例如水的换热器19使蒸汽冷凝。(X)2料流在任选于分离器 20中除去污染物例如汞后送去封存。典型地，由还原器12产生相对纯(即> 95% )的(X)2 料流。第二反应器22 (在本文中也称作氧化器)经配置以用蒸汽和/或(X)2将部分或全部还原的金属氧化物氧载体颗粒(部分地)氧化并且产生基本上纯的氢气料流。通过管线 23将氢气从氧化器22移出。如所示，可以使用换热器25用热的氢气料流加热本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．用于将燃料进行转化的系统，该系统包括：第一反应器，该第一反应器包括具有第一级和第二级的移动床，许多陶瓷复合颗粒构成所述移动床，所述陶瓷复合颗粒包含位于载体上的至少一种金属氧化物；用于将颗粒状固体燃料随ＣＯ２和／或含氧气体一起提供到所述第二级的入口；其中所述第一级包括与所述第二级连通的限流出口，其中所述第一反应器经配置以用所述燃料将至少一种金属氧化物还原从而产生还原的金属或还原的金属氧化物；任选地，第二反应器，该第二反应器经配置以将来自所述第一反应器的还原的金属或还原的金属氧化物的至少一部分氧化从而产生金属氧化物中间体以及富含氢气和／或ＣＯ的气体料流；空气源；和第三反应器，该第三反应器与所述空气源连通并且经配置以通过将金属氧化物中间体氧化，使来自从所述第一反应器排放的固体的剩余部分和任选从所述第二反应器排放的固体的至少一种金属氧化物再生。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：范良士，
申请(专利权)人：俄亥俄州立大学，
类型：发明
国别省市：US
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