專利名稱：最小化消耗氧的能量轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含碳固體燃料的能量轉(zhuǎn)換方法。
具有溫室效應(yīng)的氣體(尤其是CO2)的釋放越來越多的被限制于使用礦物燃料產(chǎn)生能量的發(fā)電廠中?？刂七@些氣體的釋放帶來了新問題的解決，如在發(fā)電廠的煙中或在使用礦物燃料的煙中或者在使用生物量(biomasse)型(非礦物碳)可更新能源的裝置中所產(chǎn)生的氣體中的CO2的捕捉，其中該裝置用于產(chǎn)生交通替代品的碳化劑，同時(shí)兼顧最小化花費(fèi)最小和對(duì)現(xiàn)有裝置改進(jìn)的最小化。
終于，由于油田的逐漸減少，建立了實(shí)施大規(guī)模回收技術(shù)的動(dòng)力學(xué)，其輔以注入CO2而可以使提取可得儲(chǔ)備的可能性增加。
為此，公知通過自熱氣化作用轉(zhuǎn)化包含含碳物質(zhì)的固體燃料的氧氣和水蒸氣，以便產(chǎn)生包含CO和H2的合成氣，其可以用于燃?xì)廨啓C(jī)、產(chǎn)生氫的設(shè)備或甲醇型化合物的合成設(shè)備。
此類型裝置在FR2 660 415和FR2 5590776中有所描述。然而，由于焦油型未轉(zhuǎn)化烴或未燃燒碳的細(xì)小顆粒存在于這些裝置中，這引起縮合作用、在制冷和合成氣體處理的系統(tǒng)中具有不理想組成的問題，以及使得所述裝置的產(chǎn)率變壞的問題。
為了去除這些焦油和未燃燒碳，通過升高溫度將該合成氣進(jìn)行熱重整(reformage thermique)，這樣可以使其部分燃燒，這需要補(bǔ)充額外的氧。
正如US 6 505 567所述，還可以通過燃燒氧和循環(huán)CO2而不外通空氣的方法轉(zhuǎn)換這些固體燃料能量，這產(chǎn)生了主要包含CO2和水蒸氣(不含氮)的燃燒的煙，以便能夠使用這些煙幫助地下石油的回收操作或以便能夠?qū)⑵涓綦x在地下。然而，這些方法消耗大量氧，而氧必然是使用部分產(chǎn)生的能量通過特定的空氣蒸餾設(shè)備產(chǎn)生的，這造成所消耗的電能的損失。
同樣公知的是，通過包含含碳物質(zhì)的固體燃料的熱化學(xué)循環(huán)燃燒方法實(shí)施該轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生主要包含CO2和水的燃燒的煙。對(duì)于這種解決方案，不需要使用特定的空氣蒸餾設(shè)備，但是卻具有在燃燒的煙中存在不能轉(zhuǎn)化的含碳化合物如烴(CnHn)或未燃燒碳的問題，這對(duì)于石油回收方法或地質(zhì)存儲(chǔ)是不能接受的，所以必須被除去。
本發(fā)明的主題是提供一種最小化消耗氧和最小化產(chǎn)生不能轉(zhuǎn)化的含碳化合物的能量轉(zhuǎn)換方法。
本發(fā)明方法是固體燃料的能量轉(zhuǎn)換方法，該固體燃料尤其包含碳，該方法包括所述燃料在能量轉(zhuǎn)換第一反應(yīng)器中的第一步反應(yīng)，其特征在于其包括在所述反應(yīng)器出口注入氧的第二步，第一步反應(yīng)在至少一個(gè)循環(huán)流動(dòng)床中實(shí)施，其特征還在于為了轉(zhuǎn)換燃料和氧化氧化物，在相互連接的兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)床之間循環(huán)金屬氧化物。
對(duì)于第一步氣化作用的情況，該第二步可以將包含在產(chǎn)生于第一步的氣體中的烴殘留物完全轉(zhuǎn)換為CO2、CO、H2和水蒸汽，對(duì)于第一步燃燒作用的情況，該第二步可以將包含在產(chǎn)生于第一步的氣體中的烴殘留物完全轉(zhuǎn)換為CO2和水蒸汽。
根據(jù)其中一個(gè)特征，第一步反應(yīng)在至少一個(gè)循環(huán)流動(dòng)床中進(jìn)行。如果此處兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)床是相互連接的。該循環(huán)床有利于物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移，有利于具有反應(yīng)物的燃料的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)另一個(gè)特征，金屬氧化物在相互連接的用于燃料轉(zhuǎn)換和氧化物的氧化作用的兩個(gè)流動(dòng)床中循環(huán)。金屬氧化物提供額外的氧，該氧是在引入轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的燃料中所含的碳的轉(zhuǎn)化和氫的轉(zhuǎn)化所需要的。
根據(jù)本方法的第一種變型，燃料的能量轉(zhuǎn)換通過燃燒作用實(shí)施。如果在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中氧的數(shù)量大于反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量，該轉(zhuǎn)換反應(yīng)將燃燒完全，除非是不能轉(zhuǎn)化的含碳化合物。
根據(jù)尤其第一種變型的設(shè)計(jì)，本方法第二步中氧的注入在所述流動(dòng)床氣-固分離旋風(fēng)分離器(cyclone)中進(jìn)行。該旋風(fēng)分離器是強(qiáng)湍流位置(turbulence)，于該處實(shí)施在所述旋風(fēng)分離器中在保留一定時(shí)間內(nèi)分離煙道氣和循環(huán)固體。有利地，引入第二步轉(zhuǎn)換的氧，其將與存在于燃燒作用煙道氣中的不能轉(zhuǎn)化的含碳化合物(如烴(CnHm)或未燃燒的碳)混合。
根據(jù)第一種變型的第一種設(shè)計(jì)，氧的注入在該旋風(fēng)分離器入口通道(gaine)上部進(jìn)行。對(duì)于在導(dǎo)管中的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，這有利于在含待轉(zhuǎn)換化合物的物流的氣相中注入該氧，既然這些固體轉(zhuǎn)移至該導(dǎo)管的底部，而且有利于獲得額外的操作時(shí)間。
根據(jù)第一種變型的第二種設(shè)計(jì)，氧的注入于該旋風(fēng)分離器的頂部實(shí)施。這有利于該注入，使其噴射與旋風(fēng)分離器完全同軸進(jìn)行，而沒有影響旋風(fēng)分離器壁的危險(xiǎn)。
根據(jù)第一種變型的第三種設(shè)計(jì)，氧的注入在該旋風(fēng)分離器出口進(jìn)行。該設(shè)計(jì)允許在帶有非常少固體的氣相中進(jìn)行該注入，其中離心后的殘留旋轉(zhuǎn)(rotation résiduelle)非常適合于具有氧的氣體混合物。
根據(jù)第二種變型，燃料的能量轉(zhuǎn)換作用通過氣化作用實(shí)施。如果在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中氧的量不大，即如果相對(duì)于反應(yīng)化學(xué)計(jì)量，氧的量少，則該反應(yīng)是部分氣化。
根據(jù)第二種變型的特別特征，該初級(jí)氣化作用在熱化學(xué)循環(huán)中進(jìn)行。該熱化學(xué)循環(huán)通過兩個(gè)相互連接的循環(huán)流動(dòng)床之間的金屬氧化物交換實(shí)施。該循環(huán)可以隨后產(chǎn)生純化氫。
根據(jù)第二種變型的第一種設(shè)計(jì)，第二步中氧的注入在具有垂直下降氣流的反應(yīng)旋風(fēng)分離器(réacteur cyclone)中頂部進(jìn)行。
根據(jù)第二種變型的第二種設(shè)計(jì)，氧的注入幾乎在具有垂直下降氣流的反應(yīng)旋風(fēng)分離器中央進(jìn)行。這允許該注入作用的噴射與旋風(fēng)分離器完全同軸進(jìn)行，而沒有影響旋風(fēng)分離器壁的危險(xiǎn)，并且該注入作用在源自第一步(離心作用)的待轉(zhuǎn)換的氣體的殘留旋轉(zhuǎn)非常適合于具有氧的氣體混合物的情況下進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的其他變型，根據(jù)本發(fā)明的固體燃料(尤其包含碳的固體燃料)的能量轉(zhuǎn)換方法，該方法包括所述燃料在能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中反應(yīng)所述燃料的第一步反應(yīng)，其特征在于其包括在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中所述燃料反應(yīng)的兩個(gè)平行路線，其在兩個(gè)于反應(yīng)器出口注入氧的第二步的能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器和其特征在于氧化物氧化作用反應(yīng)器以控制的方式給反應(yīng)器和所述初級(jí)氣化器同時(shí)提供金屬氧化物顆粒。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括在說明書內(nèi)容中，僅提供一個(gè)實(shí)施方式作為實(shí)例，在所附附圖中-

圖1是本發(fā)明的全部轉(zhuǎn)換或燃燒的設(shè)備總圖；-圖2是本發(fā)明的部分轉(zhuǎn)換或氣化的設(shè)備總圖；和-圖3是本發(fā)明的共同產(chǎn)生(coproduction)電和氫的設(shè)備總圖。
為了簡(jiǎn)單起見，在不同的附圖中使用相同的附圖標(biāo)記。
在圖1中所示燃燒裝置1包括氧化物還原反應(yīng)器2和氧化物氧化反應(yīng)器3、兩個(gè)各自專用于一個(gè)反應(yīng)器的旋風(fēng)分離器4和5，兩個(gè)各自專用于反應(yīng)器之一的后部通道短倉(cage)6和7，其包含對(duì)于基于CO2的煙道氣和對(duì)于空氣的回收交換物。在后部通道7后放置袋濾器70、通風(fēng)器71和管道72?；液脱趸锏姆蛛x器63放置于后部通道6后，以處理所述固體，而當(dāng)預(yù)處理CO2時(shí)為袋濾器60、通風(fēng)器61、制冷和冷凝循環(huán)62。所述反應(yīng)器2和3相互連接以確保尤其是氧化物顆粒的交換。
還原反應(yīng)器2由儲(chǔ)倉8通過所述床30供給燃料。而反應(yīng)器3通過儲(chǔ)倉9通過兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)床40和30供料。
反應(yīng)器2通過水蒸汽和循環(huán)CO2混合物進(jìn)行流化(fluidisé)。
在反應(yīng)器2中還原后，氧化物通入旋風(fēng)分離器5，在此處氧化物固體顆粒被與可移動(dòng)灰和由CO2、SO2以及水蒸汽組成的燃燒氣體分離。本發(fā)明第二步中的氧通過各自管道50、51和52于旋風(fēng)分離器5的上游、旋風(fēng)分離器5中或旋風(fēng)分離器5下游被引入。這三種獨(dú)立的氧注入作用可以單獨(dú)實(shí)施或組合實(shí)施以確保包含于基于源自反應(yīng)器2的CO2的煙道氣的不能轉(zhuǎn)化的化合物的完全轉(zhuǎn)換。
圖2中所示部分氣化裝置1’中，對(duì)于本方法的第一步，其具有初級(jí)氣化器20或反應(yīng)旋風(fēng)分離器和氧化物氧化反應(yīng)器3、兩個(gè)旋風(fēng)分離器4和500(其中第一個(gè)旋風(fēng)分離器4與反應(yīng)器3相連接，第二個(gè)旋風(fēng)分離器500與氣化器20相連接)、與反應(yīng)器3的旋風(fēng)分離器4串連的后部短倉6，其包含合成氣和空氣的回收交換物。在后部通道6之后放置袋濾器60、通風(fēng)器61和管道65。從旋風(fēng)分離器500提取的粗合成氣體被送向第二氣化器501，在此處實(shí)施本方法第二步的氧注入，以通過90中的合成氣的熱重整(reformage thermique)確保去除焦油和未燃燒的碳，即通過提高溫度，其源自部分燃燒作用。
初級(jí)氣化器20由例如儲(chǔ)倉80經(jīng)所述床31供給生物量物質(zhì)。
用于反應(yīng)器3的氧化物是例如金屬氧化物。本方法第二步的氧通過通道503注入第二氣化器501中，以通過合成氣的熱重整去除焦油和未燃燒的碳。
圖3所示設(shè)備1”包含氧化物還原反應(yīng)器2、氧化物氧化反應(yīng)器3和初級(jí)氣化器20、三個(gè)分別與反應(yīng)器3、2和初級(jí)氣化器20連接的旋風(fēng)分離器4、5和500。該旋風(fēng)分離器500與第二氣化器501相連。
所述反應(yīng)器2由儲(chǔ)倉8經(jīng)流動(dòng)床30供料，而反應(yīng)器3由儲(chǔ)倉9經(jīng)循環(huán)流動(dòng)床40、30和31供料，氣化器20由儲(chǔ)倉80經(jīng)床31供料。
本方法第二步的氧通過分別設(shè)置于旋風(fēng)分離器5入口、旋風(fēng)分離器5中或其出口的通道50、51或52引入旋風(fēng)分離器5。該氧同樣通過通道53引入第二氣化器501中。在90處共同產(chǎn)生氫和電的離心作用中，氧化物氧化反應(yīng)器3以控制的方式同時(shí)給燃燒反應(yīng)器2供給相對(duì)于化學(xué)計(jì)量過量的氧的金屬氧化物顆粒，給初級(jí)氣化器20供給相對(duì)于化學(xué)計(jì)量不足的氧的金屬氧化物顆粒。組成本方法第二步的氧注入的局部系統(tǒng)與圖1和圖2相類似。
權(quán)利要求
1.一種固體燃料的能量轉(zhuǎn)換方法，該固體燃料尤其包含碳，該方法包括在能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(2，20)中反應(yīng)所述燃料，其特征在于其包括在所述反應(yīng)器(2，20)出口注入氧的第二步，第一步反應(yīng)在至少一個(gè)循環(huán)流動(dòng)床(30，31，40)中實(shí)施，其特征還在于為了轉(zhuǎn)換燃料和氧化氧化物，在相互連接的兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)床(30，31，40)之間循環(huán)金屬氧化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于燃料能量轉(zhuǎn)換是燃燒作用。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于用于第二步的氧被注入流動(dòng)床(30，31，40)的分離氣-固的旋風(fēng)分離器(5)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于氧被注入旋風(fēng)分離器(5)入口通道(50)的上部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于氧被注入旋風(fēng)分離器(5)的頂部(52)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于氧在旋風(fēng)分離器(5)的出口(51)被注入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3的方法，其特征在于燃料能量轉(zhuǎn)換是氣化作用。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于初級(jí)氣化作用以熱化學(xué)循環(huán)的方式實(shí)施。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于用于第二步的氧通過頂部(53)被注入具有垂直下降氣流的旋風(fēng)分離反應(yīng)器。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于氧被基本上注入垂直下降氣流的旋風(fēng)分離反應(yīng)器的中央。
11.一種固體燃料的能量轉(zhuǎn)換方法，該固體燃料尤其包含碳，該方法包括在能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(2，20)中反應(yīng)所述燃料，其特征在于其包括在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(2，20)中的兩種用于反應(yīng)所述燃料的平行路線，其具有在所述反應(yīng)器(2，20)的出口注入氧的第二步，和其特征還在于氧化物氧化反應(yīng)器(3)以控制的方式同時(shí)向反應(yīng)器(2)和初級(jí)氣化器(20)提供金屬氧化物顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及固體燃料的能量轉(zhuǎn)換方法，該固體燃料尤其包含碳，該方法包括在能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(2，20)中反應(yīng)所述燃料，其特征在于其包括在所述反應(yīng)器(2，20)出口注入氧的第二步，第一步反應(yīng)在至少一個(gè)循環(huán)流動(dòng)床(30，31，40)中實(shí)施，其特征還在于為了轉(zhuǎn)換燃料和氧化氧化物，在相互連接的兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)床(30，31，40)之間循環(huán)金屬氧化物。
文檔編號(hào)F23C10/10GK1969150SQ200580019202
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者J·-X·莫蘭, C·比爾 申請(qǐng)人:阿爾斯托姆科技有限公司