發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)鏈燃燒方法的運(yùn)行，其中將重質(zhì)液體烴燃料注入下流式反應(yīng)器中來與固體氧轉(zhuǎn)移材料例如金屬氧化物粒子直接接觸。

發(fā)明背景

已經(jīng)提出了碳捕集和存儲(chǔ)(ccs)，并且在某些程度上用作中長(zhǎng)期措施，來通過降低溫室氣體排放來對(duì)抗以減輕全球變暖的不期望的效應(yīng)。被忽略的一個(gè)重要因素，特別是在固定發(fā)電廠領(lǐng)域，是技術(shù)上可行的和經(jīng)濟(jì)上合理的措施，來運(yùn)行碳捕集系統(tǒng)。目前存在幾種不同的技術(shù)，其可以用于從燃燒單元中獲得純凈流形式的co2。最經(jīng)常提及的三種是后處理，o2/co2燃燒或者氧燃料，和co轉(zhuǎn)換。

石油的多種之一是重質(zhì)油。如所謂的常規(guī)石油的“桶底部物”，重質(zhì)油相當(dāng)富含碳，并且特征在于非常稠厚。據(jù)估計(jì)重質(zhì)油生產(chǎn)到2030年時(shí)將增加200％。在世界總油儲(chǔ)量中，據(jù)估計(jì)53％處于重質(zhì)油或者瀝青形式，該術(shù)語是可互換使用的，來描述這樣的油，其在室溫是非常粘稠的、固體或者近固體，例如焦油或者瀝青，其具有相對(duì)低的氫含量，并且還具有高質(zhì)量密度，例如api重力是20度或者更低。重質(zhì)液體燃料的蒸發(fā)并不總是實(shí)際的，這歸因于這些燃料的組成和物理特性，并且重質(zhì)燃料油的蒸發(fā)會(huì)需要復(fù)雜的供料系統(tǒng)，其比直接液體燃料油供料系統(tǒng)更昂貴。

精煉重質(zhì)油是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。但是，隨著輕質(zhì)原油價(jià)格的上升，用于將重質(zhì)油提質(zhì)成合成原油的經(jīng)濟(jì)性持續(xù)增加。但是，使用單個(gè)技術(shù)來提質(zhì)不同類型的重質(zhì)油是困難的。它們與典型的液體燃料相比具有非常高的粘度，并且粘度隨著溫度顯著變化。真空蒸餾底部物(其像水那樣在300℃-400℃流動(dòng)，但是在室溫保持為固體)是最難以處理和運(yùn)輸?shù)木珶挷牧现弧＿@些重質(zhì)油通常來源于精煉方法，在高溫處于液體形式，并且必須以這種形式直接引入燃燒器。循環(huán)流化床鍋爐(“cfb”)可以有效和清潔地燃燒精煉副產(chǎn)物。該cfb方法使用了流化粒子循環(huán)。

化學(xué)鏈燃燒(“clc”)是另一方法，其十年多來已經(jīng)受到日益增加的關(guān)注?；瘜W(xué)鏈燃燒可以用于將烴燃料轉(zhuǎn)化來產(chǎn)生熱能，例如用于發(fā)電，并且從該方法可以分離和回收基本上純凈的co2流?；瘜W(xué)鏈燃燒日益引起經(jīng)濟(jì)上的關(guān)注，這歸因于與這種方法的整體運(yùn)行相關(guān)的相對(duì)低的能量損失。

clc方法基于這樣的原理，即，載氧體可以充當(dāng)中間體來在大氣空氣和燃料之間傳輸氧，而不直接接觸空氣和燃料。主要優(yōu)點(diǎn)是從燃燒區(qū)消除氮?dú)夂瓦^量的氧，和因此從所生產(chǎn)的燃燒氣體中消除了它們。固體載氧體例如金屬氧化物氧化了所述燃料，其導(dǎo)致產(chǎn)生了co2和h2o。該還原形式的載氧體然后轉(zhuǎn)移到空氣反應(yīng)器，在這里該還原的粒子與大氣空氣接觸，并且氧化成它們的初始態(tài)，然后返回燃燒室或者反應(yīng)器?；瘜W(xué)鏈方法的總熱量是兩種熱態(tài)的總和，即，在燃料氧化過程中的放熱和還原過程中的吸熱，并且該總和等于常規(guī)燃燒反應(yīng)中所釋放的熱。在碳捕集方法的整個(gè)上下文中，化學(xué)鏈方法的主要優(yōu)點(diǎn)是需要最小的另外的能量來進(jìn)行co2捕集。整體燃燒效率與常規(guī)燃燒方法相當(dāng)，即，對(duì)于co2捕集來說存在著最小能量損失，其據(jù)估計(jì)產(chǎn)生了僅僅2-3％的整體效率損失。此外，在這種方法中nox形成減少，因?yàn)檠趸诳諝夥磻?yīng)器中，在不存在燃料和低于1200℃的溫度(在該溫度時(shí)nox形成顯著增加)發(fā)生。

ccs方法具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)益處二者的雙重優(yōu)點(diǎn)。例如co2可以在捕集后用于其他工業(yè)應(yīng)用。通過將co2(co2-eor)注入油存儲(chǔ)器來增加石油生產(chǎn)而增強(qiáng)的油回收是co2的一個(gè)已知的工業(yè)用途，其已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用了大約40年。co2原則上來源于天然來源，并且它在運(yùn)輸co2和它的受控的注入烴存儲(chǔ)器中的經(jīng)濟(jì)性方面的可行性已經(jīng)是公認(rèn)的。

專利公開文獻(xiàn)us2011/0171588，標(biāo)題為optimizedmethodanddeviceloopcombustiononliquidhydrocarbonfeedstock描述了一種用于co2捕集和能量生產(chǎn)的設(shè)備和方法，其利用了至少一種混合有霧化氣體的液體烴供料的化學(xué)鏈燃燒，并且噴入來在提升管反應(yīng)器(稱作運(yùn)輸區(qū))中接觸至少一部分的總金屬氧化物粒子，并且選擇處于這樣的流速使得噴入的液體供料的表面氣體速度大于金屬氧化物粒子的運(yùn)輸速度。其后，來自于運(yùn)輸區(qū)的流出物引入燃燒區(qū)，其包含至少一個(gè)致密相流化床，在這里還原另外量的金屬氧化物粒子，并且完成燃料的燃燒。發(fā)生熱裂解，并且焦炭沉積在該金屬氧化物粒子上。在一些實(shí)施方案中，燃燒是在高到三個(gè)串聯(lián)的分離反應(yīng)器中進(jìn)行的，來從粒子上燃燒焦炭。所述方法實(shí)現(xiàn)了沉積在粒子上的焦炭在燃燒反應(yīng)器中大部分燃燒，并且該氧化反應(yīng)器的氣態(tài)流出物包含在整個(gè)燃燒方法過程中產(chǎn)生的總co2的最大10％。

已知的是不同的金屬可以用作該載氧體。過渡金屬氧化物例如鎳、銅、鈷、鐵和錳是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兊挠欣倪€原/氧化熱力學(xué)性能。

反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)于clc系統(tǒng)的整體效率會(huì)是重要的。例如在提升管反應(yīng)器中，例如注入液體烴油來與固體氧化物催化劑接觸的常規(guī)fcc方法，會(huì)發(fā)生稱作返混的現(xiàn)象，其不利地影響了同流移動(dòng)固體和供料的分布和接觸時(shí)間。當(dāng)發(fā)生返混時(shí)，整個(gè)反應(yīng)器體積中的催化劑的分布/氣體保持時(shí)間會(huì)廣泛變化。此外，反應(yīng)器中催化劑濃度的徑向分布是不均勻的。當(dāng)流速高時(shí)，即，當(dāng)該反應(yīng)器運(yùn)行用于最大生產(chǎn)來滿足精煉廠規(guī)格時(shí)，由返混所形成的提升管內(nèi)速度/濃度分布的偏差會(huì)是特別嚴(yán)重的。

本發(fā)明所解決的問題是如何進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的捕集基本上純凈的co2流的化學(xué)鏈方法的整體效率，包括提供具有很少的部件的更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，來由此降低與構(gòu)建clc單元和日常運(yùn)行和維護(hù)該單元的花費(fèi)相關(guān)的資金成本。

所解決的相關(guān)問題是增加從燃燒步驟回收的co2的比例和增加相對(duì)于在系統(tǒng)中循環(huán)的氧化的載氧體的量，所產(chǎn)生的能量的量。

本發(fā)明所解決的另一問題是如何構(gòu)建和運(yùn)行clc系統(tǒng)，其使得載氧體粒子的保留時(shí)間和必須循環(huán)來實(shí)現(xiàn)所需熱能輸出的載氧體的量二者最小化，以及避免與現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器相關(guān)的返混的已知的問題。

作為此處使用的，術(shù)語“金屬氧化物粒子”，“載氧體粒子”，“金屬氧化物”，“載氧體”和“氧轉(zhuǎn)移材料”是可互換使用的，并且包括任何反應(yīng)性氧化物組分，單獨(dú)地或者與另一材料組合形成，該另一材料充當(dāng)了載氧體的物理載體，其可以可逆地還原和氧化，其是目前已知的或者其是未來開發(fā)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

上述問題得以解決，并且其他優(yōu)點(diǎn)和益處是通過本發(fā)明的方法和系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其寬泛地包括clc方法，在其中氧化的粒子是通過重力供料和以受控的流動(dòng)從存儲(chǔ)容器或者料斗送入垂直布置的下流式反應(yīng)器的上端，向該下流式反應(yīng)器中注入可燃供料來與載氧體的一些或者全部的氧反應(yīng)。另外的載氧粒子(其是燃料供料完全燃燒所需的)也以受控的流動(dòng)從料斗上排出，并且在重力影響下落入位于料斗下面的多個(gè)連續(xù)或者分級(jí)的反應(yīng)區(qū)中。引入三個(gè)燃燒區(qū)的載氧體粒子的總量是預(yù)定的，基于燃料的碳含量，來滿足完全燃燒燃料的化學(xué)計(jì)量比要求。將料斗供以再循環(huán)的新鮮氧化的粒子，其在它們通過大氣空氣氧化之后從空氣反應(yīng)器中排出。

原料供料與在重力以及蒸汽與燃燒氣體膨脹作用下送過下流式反應(yīng)器的載氧體粒子的接觸時(shí)間相比于現(xiàn)有技術(shù)的方法是相當(dāng)短的。較短接觸時(shí)間的一種令人期望的效應(yīng)是降低了粒子上形成的焦炭的量。通過將下流式反應(yīng)器用于初始燃燒步驟，還消除了與返混相關(guān)的潛在的低效率。

將其余未燃燒的供料和從下流式反應(yīng)器排出的完全或者部分還原的粒子送到分級(jí)流化床反應(yīng)器，其供給有另外的新鮮的氧化的粒子，該粒子在重力作用下從料斗通過一個(gè)或多個(gè)豎管(其終止于反應(yīng)器床上面的自由空間中)以受控的流速供給。將氧化的粒子引入反應(yīng)區(qū)據(jù)預(yù)測(cè)導(dǎo)致了燃料供料完全燃燒成co2和水蒸氣，或者來生產(chǎn)由h2和co組成的合成氣體或者合成氣。

因此，在一方面，將載氧體的完全氧化的固體粒子以預(yù)定比例或者在預(yù)定比例范圍內(nèi)引入，并且與具有已知的燃燒特性的烴燃料混合，以預(yù)定的體積流速進(jìn)入下流式反應(yīng)區(qū)，和其后進(jìn)入至少一個(gè)燃料反應(yīng)區(qū)，但是優(yōu)選進(jìn)入多個(gè)連續(xù)的燃料反應(yīng)區(qū)，該一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)區(qū)由分離裝置部分地限定，燃燒產(chǎn)物從中通過，并且將部分或者完全還原的固體載氧體粒子保留在其中，該還原的固體粒子經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)密封閥進(jìn)入空氣氧化反應(yīng)器，在這里它們通過送過該空氣氧化反應(yīng)器的大氣空氣中所含的氧氣來氧化，優(yōu)選氧化到它的最大氧化態(tài)。作為分離流回收最終的主要由co2和h2o組成的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物。

該clc方法單元由燃料注入系統(tǒng)、下流式反應(yīng)器、第一級(jí)燃料反應(yīng)器、第二級(jí)燃料反應(yīng)器、流化床熱交換器、固體載氧體粒子轉(zhuǎn)移管線、空氣氧化反應(yīng)器、氧化的粒子收集料斗和壓力控制床組成。該粒子收集料斗位于下流式反應(yīng)器的上部以上和第一和第二級(jí)反應(yīng)器以上，以使得氧化的粒子有利的是以預(yù)定的受控速率來重力供料的，該速率可以在空閑時(shí)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)載氧體的基本完全的還原。

將烴燃料泵送到位于下流式反應(yīng)器上游的供料注射器和送到多個(gè)供料注射噴嘴。將氧化的氧轉(zhuǎn)移材料從料斗傳送到該下流式反應(yīng)器，并且在重力作用下下降。如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的，料斗收集了氧化步驟后來自于空氣反應(yīng)器的全部氧化的粒子。

在與下流式反應(yīng)器中的供料反應(yīng)后，金屬氧化物氧粒子的粒子落入燃料反應(yīng)器中，并且所產(chǎn)生的氣體(其包含co2和h2o，稱作反應(yīng)的氣體，和co，h2，ch4，c2，c3，c4和少量其他烴氣體，稱作未反應(yīng)的氣體)流到氣體收集裝置。該氣體收集裝置的直徑小于燃料反應(yīng)器，并且用耐熱難熔材料作為襯里。該氣體收集裝置收集了反應(yīng)的和未反應(yīng)的氣體產(chǎn)物。因?yàn)樵摎怏w收集裝置不能分離反應(yīng)的和未反應(yīng)的氣體，因此這些氣體與經(jīng)由管線逆流流動(dòng)(其增強(qiáng)了金屬氧化物粒子、未反應(yīng)的氣體和蒸汽之間的接觸)引入的完全氧化形式的金屬氧化物粒子反應(yīng)。該氣體收集裝置起到了將未反應(yīng)的氣體在它們逆流流動(dòng)接觸新鮮的氧化的金屬氧化物粒子時(shí)徹底混合的作用。

使用下流式反應(yīng)器減少了氧轉(zhuǎn)移粒子上的焦炭沉積，這歸因于與烴氣體的相對(duì)短的停留時(shí)間。來自于下流式反應(yīng)器的氣體與金屬氧粒上時(shí)的焦炭沉積物的氣化產(chǎn)物混合，并且將該流化氣體引入并從燃料反應(yīng)器底部提升。

該空氣反應(yīng)器和下流式反應(yīng)器通過料斗連接，并且通過料斗中的氧化的固體粒子床來提供氣密性。在可能的程度上，要避免燃料和大氣空氣和它的氣態(tài)氧之間的直接接觸。本發(fā)明中反應(yīng)物的連續(xù)循環(huán)是通過控制所述單元中的壓力平衡來保持的。逆流流動(dòng)是經(jīng)由控制料斗中的壓力和燃料反應(yīng)器中的壓力(其是經(jīng)由各自區(qū)域中的固體粒子的高度來控制的)之間的壓力來保持的。因此，本發(fā)明減少了固體處置裝置部件的數(shù)量和類型。固體粒子在反應(yīng)器中的流動(dòng)和流過是根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法和設(shè)備，通過系統(tǒng)的壓力平衡來控制的。已經(jīng)開發(fā)和公開了用于工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器設(shè)計(jì)的壓力平衡模型和方法。參見例如pressurebalanceofamultiple-loopchemicalreactor，hadley等人，第13int’lconf.onfluidization(2010)，ecidigitalarchives，其公開內(nèi)容在此引入作為參考。

例如，循環(huán)流化床回路系統(tǒng)中的最低壓力位于氣體-固體分離器的區(qū)域中，這里固體粒子從氣體-固體分離器回收，并且送到下流式豎管。這里，氣體-固體分離器的區(qū)域和豎管端部中的壓力基本未變。在進(jìn)入后，該豎管、固體粒子處于流化條件下。沿著豎管的壓力降是與床高度成比例的，并且壓力是從下流式豎管的床水平到豎管的底部線性增加的。因?yàn)楫?dāng)下落的固體粒子從豎管下端轉(zhuǎn)移到向上流動(dòng)的空氣反應(yīng)器時(shí)需要克服壓力降，因此該壓力從豎管底部到空氣反應(yīng)器底部而降低。該壓力在空氣反應(yīng)器中隨著粒子從底部到頂部的上升而逐漸降低。空氣反應(yīng)器和料斗頂部之間的壓力降低是通過沿著料斗本身的壓力降來產(chǎn)生的。

本發(fā)明提供了完全或者改進(jìn)的載氧體的還原，其不依賴于載氧體在燃料反應(yīng)器中的停留時(shí)間，或者增加燃料反應(yīng)器的尺寸來增加停留時(shí)間。

另外，載氧體的循環(huán)速率可以較低，而仍然實(shí)現(xiàn)載氧體粒子在下流式反應(yīng)器中基本完全的還原，其通過設(shè)計(jì)以固體金屬氧化物載氧體相對(duì)高的循環(huán)速率，并且以連續(xù)燃料反應(yīng)器運(yùn)行。這導(dǎo)致了載氧體更快的動(dòng)力學(xué)和更能量有效的還原。因此，本發(fā)明提供了完全或者明顯改進(jìn)的載氧體還原可能性，同時(shí)使用較小的反應(yīng)器，例如分級(jí)燃料反應(yīng)器和/或空氣反應(yīng)器，或者較低的載氧體循環(huán)速率，或者二者。

本發(fā)明的方法通過減少所需的固體處置裝置部件的數(shù)目(包括旋風(fēng)分離器和回路密封器閥)而降低了現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)鏈方法的成本。本發(fā)明還消除了或者明顯降低了現(xiàn)有技術(shù)的用于加工液體燃料的化學(xué)鏈構(gòu)造的諸多限制，并且提供了燃燒重質(zhì)液體烴和真空殘留物，和煤的最大靈活性。

附圖說明

本發(fā)明將在下面，并且參考附圖來進(jìn)一步詳細(xì)描述，其中相同或者類似的元件是用相同的附圖標(biāo)記來表示的，并且其中：

圖1是具有兩個(gè)燃料反應(yīng)器的本發(fā)明的clc的一種實(shí)施方案的示意圖；

圖2是具有單個(gè)反應(yīng)器的本發(fā)明的clc的另一實(shí)施方案的示意圖；和

圖3是適用于本發(fā)明cpc方法實(shí)踐的密封類型的現(xiàn)有技術(shù)的回路密封器代表的圖示。

具體實(shí)施方式

參見圖1，圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的clc方法單元(1)，其用于燃燒重質(zhì)液體烴燃料。將所述燃料(其已經(jīng)預(yù)熱)泵送到位于下流式反應(yīng)器(10)上游的燃料注射器(19)，并且通過多個(gè)供料噴嘴分成相同的流量，在噴嘴處燃料被細(xì)微霧化，并且在供料噴嘴中與經(jīng)由蒸汽注射器(20)引入的分散蒸汽混合，并且注入到下流式反應(yīng)器(10)中。由此促進(jìn)了重質(zhì)烴燃料的快速蒸發(fā)，并且使得液相焦化反應(yīng)最小化。在化學(xué)鏈燃燒中，該反應(yīng)在蒸氣相中發(fā)生，并且使得燃料在最短可能的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)最大化對(duì)于使得所述單元運(yùn)行的整體效率最大化是關(guān)鍵的。保留在液相中的大的油滴會(huì)包圍該金屬氧化物粒子并有效隔離活性氧化表面區(qū)域。因此，供料蒸發(fā)緩慢是不期望的，因?yàn)樗龠M(jìn)了焦炭的形成。

油注入金屬氧化物流的方向是向下的，與加速的金屬氧化物粒子的移動(dòng)方向相同。這種注入方式促進(jìn)了供料滴和熱氧化的金屬氧化物之間的接觸，使得熱轉(zhuǎn)移最大化。

均勻的供料分布和快速蒸發(fā)也具有其他益處。在該下流式反應(yīng)器(10)的上部，金屬氧化物通過注入的蒸汽而朝向下方，然后該氧化的粒子借助蒸汽注入(20)而穩(wěn)定化，并且在燃料注入點(diǎn)處與霧化的燃料/蒸汽薄霧相遇。良好分布、快速蒸發(fā)的供料有助于以平穩(wěn)方式將該反應(yīng)混合物加速到它的最終速度。金屬氧化物粒子滑移和返混是不期望的，因?yàn)樗€將促進(jìn)焦炭在粒子上的沉積。

現(xiàn)有技術(shù)的供料注入噴嘴通過高能量剪切作用霧化了液體重質(zhì)烴油供料。該注射器排出楔形噴霧，其以預(yù)定角度從尖端扇形散出。供料噴嘴的組合作用提供了下流式反應(yīng)器橫截面的均勻覆蓋，而不撞擊側(cè)壁。高速蒸汽噴射進(jìn)一步剪切所述油，形成細(xì)薄霧或者蒸氣。

蒸汽注射器位于距離料斗(3)底部的預(yù)定距離上，金屬氧化物粒子從這里送入下流式反應(yīng)器(10)的這樣的區(qū)域，在這里會(huì)發(fā)生大的紊流和不均勻的氧化物粒子流動(dòng)形式。所以，必須提供高密度區(qū)域來吸收振動(dòng)和穩(wěn)定固體流動(dòng)。這種穩(wěn)定區(qū)也充當(dāng)了反向密封。如果發(fā)生了壓力彈跳，則該密封將降低返流的潛在風(fēng)險(xiǎn)。霧化蒸汽是燃料供料的1-10重量％和優(yōu)選2-5重量％，這取決于燃料的性能。

將蒸汽注入該下流式反應(yīng)器(10)中來促進(jìn)金屬氧化物粒子在供料注入點(diǎn)的平穩(wěn)和均勻流動(dòng)。蒸汽是通過多個(gè)注射器(19)引入的，例如2-10個(gè)注射器和優(yōu)選2-6個(gè)注射器。該注射器是離垂直軸10°-45°和優(yōu)選15°-30°向下流方向定向的。蒸汽的量基于0.1-1.5m/s和優(yōu)選0.2-1.2m/s的反應(yīng)器表觀速度。

燃料注射器(19)位于穩(wěn)定化蒸汽注射器(20)下面。注射器的角度離垂直方向15°-60°和優(yōu)選25°-45°，并且是向下定向的。供料注射器在下流式反應(yīng)器(10)軸上的噴射點(diǎn)應(yīng)當(dāng)高于穩(wěn)定化蒸汽注射器(20)?？紤]到設(shè)備物理尺寸的限制，對(duì)于下流式反應(yīng)器中良好的供料分布，注射器的數(shù)目應(yīng)當(dāng)盡可能高。

將該霧化的燃料滴接觸熱氧化的金屬氧化物粒子，并且蒸發(fā)。該蒸發(fā)的油與裂化氣相燃料的金屬氧化物粒子密切混合，并且產(chǎn)物氣體與該金屬氧化物的氧反應(yīng)，由此金屬氧化物被還原。反應(yīng)產(chǎn)物、co2、h2o和其他未反應(yīng)的氣體攜帶著金屬氧化物的同時(shí)沿著下流式反應(yīng)器(10)行進(jìn)。

在該下流式反應(yīng)器(10)的出口處，金屬氧化物粒子通過重力落入以紊流化方式運(yùn)行的第一流化燃料反應(yīng)器(20)。該金屬氧化物粒子通過重力在自由空域區(qū)(freeboardregion)(即，高于第一流化床反應(yīng)器中移動(dòng)粒子的表面)與氣體分離。分離的粒子可以包含夾帶的未反應(yīng)的烴氣體。未反應(yīng)的氣體的燃燒將在金屬氧化物粒子的流化床中完成，所述流化床通過經(jīng)由常規(guī)流化環(huán)等引入的蒸汽管線(32)而流化，并且優(yōu)選以致密或者紊流方式來運(yùn)行。第一流化燃料反應(yīng)器(20)以紊流方式運(yùn)行，來促進(jìn)良好混合和金屬氧化物粒子在這種反應(yīng)器中的分布，來增強(qiáng)焦炭氣化以形成co和h2，然后與金屬氧化物反應(yīng)。焦炭沉積可以在下流式反應(yīng)器(10)中發(fā)生。結(jié)焦的金屬氧化物粒子在流化床中的蒸氣存在下氣化，并且產(chǎn)物氣體和co、h2進(jìn)一步與載氧體粒子反應(yīng)來產(chǎn)生另外的熱、co2和h2o。

在本發(fā)明的第一流化燃料反應(yīng)器中，金屬氧化物粒子上的焦炭在850℃-1200℃和優(yōu)選950℃-1100℃的溫度氣化。氣化產(chǎn)物將與未還原的或者部分還原的金屬氧化物粒子反應(yīng)。粒子在第一流化燃料反應(yīng)器(20)中的停留時(shí)間是1-15分鐘和優(yōu)選3-10分鐘。

第一燃料反應(yīng)器(20)的設(shè)計(jì)直徑基于氣體表觀速度來確定。對(duì)于良好的流化氣體分布和金屬氧化物粒子在底部區(qū)段(20a)的均勻混合，所述速度可以是0.3-1.25m/s和優(yōu)選0.5-0.75m/s。在存在的氣體多于固體氧化物粒子的分離區(qū)，所述速度不應(yīng)當(dāng)超過大約0.75m/s，來使得第一燃料反應(yīng)器(20)的粒子輸出最小化。擋板和具體填料形狀和尺寸的選擇可以用于抑制流化床中繞流和垂直混合的傾向。例如在限定的氣體速度范圍內(nèi)，使用擋板來控制、打破和恢復(fù)氣泡，由此明顯改進(jìn)氣體-固體接觸和貫穿所述床的均勻流化。當(dāng)clc方法是在具有深床的大直徑塔(來避免或者使得垂直流道和穿過床的其他不一致性最小化)中運(yùn)行時(shí)，這是特別重要的。

經(jīng)由流化管線(32)引入床底部的流化介質(zhì)可以是蒸汽或者蒸汽和co2的混合物。第一燃料反應(yīng)器(20)中的反應(yīng)產(chǎn)物將與來自于下流式反應(yīng)器(10)的未反應(yīng)的和反應(yīng)的氣體組合。

金屬氧化物粒子床位于在第二流化燃料反應(yīng)器(30)下部水平延伸的多孔板(22)上并由它負(fù)載。該床可以由金屬氧化物材料的離散粒子組成，將所述粒子通過豎管(39)或者以任何其他已知的方式引入第二燃料反應(yīng)器(30)中。例如豎管(39)從料斗(3)延伸，并且所述流動(dòng)可以通過操作性連接到可變速電機(jī)(其為螺桿傳送機(jī)供能來將粒子引入豎管(39)中，在這里它們?cè)谥亓ψ饔孟孪侣?上的程序化處理器/控制器來控制。

要理解的是吸附硫的材料例如石灰石也可以以受控的速度以類似方式引入第二燃料反應(yīng)器(30)中，例如經(jīng)由豎管從外部存儲(chǔ)容器(未示出)引入來吸附含硫燃料例如煤燃燒所產(chǎn)生的硫。

多孔板(22)允許將在第一燃料反應(yīng)器(20)和下流式反應(yīng)器(10)中所產(chǎn)生的燃燒氣體送入第二燃料反應(yīng)器(30)，其是另一分級(jí)的燃料反應(yīng)器，在這里來自于下流式反應(yīng)器(10)的未反應(yīng)的氣體燃燒，并且來自于反應(yīng)器(20)的蒸汽和co2可以與所存在的金屬氧化物粒子反應(yīng)。還原的氧化物粒子由多孔板(22)截留在第一反應(yīng)器(20)中，并且經(jīng)由回路密封器(27)抽出以轉(zhuǎn)移到空氣反應(yīng)器(40)底部。因此，板(22)用于分開兩個(gè)分級(jí)的反應(yīng)器床(20，30)并基本上防止了還原的氧化物粒子彼此共混。由于它們通過流化而摩擦，因此會(huì)發(fā)生粒子細(xì)料中的某些通過。

在反應(yīng)器(20)中注入和來自于下流式反應(yīng)器(10)的蒸汽(32)被用于反應(yīng)器(30)中的粒子床的流化。不需要引入任何另外的流化介質(zhì)來保持反應(yīng)器(30)的穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)橛煞磻?yīng)器(20)和下流式反應(yīng)器(10)的co2和h2o反應(yīng)產(chǎn)物提供了流化氣體所必需的體積。結(jié)果，降低了與流化蒸汽產(chǎn)生相關(guān)的資金和運(yùn)行成本。

第二燃料反應(yīng)器(30)的設(shè)計(jì)直徑和其他參數(shù)基于表觀氣體速度來確定。對(duì)于良好的流化氣體分布和良好的金屬氧化物粒子混合，在底部區(qū)段(30a)中的速度是0.15m/s-0.8m/s和優(yōu)選0.5-0.75m/s。在分離區(qū)段，所述速度不應(yīng)當(dāng)超過0.75m/s以使得來自于第二反應(yīng)器的金屬氧化物的運(yùn)輸最小化。

下面的因素和設(shè)計(jì)參數(shù)涉及床的流化。待流化的整個(gè)表面積被分為每個(gè)具有相同表面積的多個(gè)區(qū)段。每個(gè)區(qū)段通過一個(gè)對(duì)應(yīng)于環(huán)上的噴嘴的流化射流來噴涂。對(duì)于給定的滲透，從噴嘴出口排出的流化氣體保持了它的初始定向，然后以它分散時(shí)的方向垂直向上流動(dòng)。噴射密度基于15個(gè)噴射機(jī)/m²-45個(gè)噴射機(jī)/m²，和優(yōu)選20-40個(gè)噴射機(jī)/m²的環(huán)表面積來選擇。

優(yōu)選具有孔的噴嘴用于流化，因?yàn)闅怏w分布需要穿過該噴嘴的顯著壓力降，而不超過最大噴嘴出口速度。所述孔提供了大約0.1-0.4bar和優(yōu)選0.15-0.3bar的壓力降。選擇該噴嘴孔來提供20-60m/s和優(yōu)選45-55m/s的最大出口速度。全部噴嘴優(yōu)選具有相同直徑和因此該氣體是均勻分布的，并且穿過每個(gè)噴嘴的流速對(duì)應(yīng)于總流速除以噴嘴總數(shù)。超過噴嘴出口速度的限度將導(dǎo)致固體粒子更快的摩擦。

經(jīng)由煙道管線(35)從第二燃料反應(yīng)器(30)離開的熱煙道氣體可以夾帶一部分相對(duì)較小的顆粒材料，并且送入分離區(qū)段(36)，該分離區(qū)段可以包括旋風(fēng)分離器，u-beam慣性分離器或者以常規(guī)方式發(fā)揮作用的其他分離器，來從燃燒氣體(其經(jīng)由煙道(35a)排出)中分離夾帶的顆粒材料。然后將分離的細(xì)微粒子經(jīng)由運(yùn)輸管道(37)輸送和再循環(huán)到燃料反應(yīng)器(20)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解提供適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)管道和氣體/固體分離裝置例如旋風(fēng)分離器和u-beam慣性分離器的分離器系統(tǒng)(未示出)來防止金屬氧化物粒子和它們的細(xì)料從第一燃料反應(yīng)器(20)送到第二反應(yīng)器(30)。

將還原的金屬氧化物從燃料反應(yīng)器(20)穿過側(cè)管流入還原的金屬氧化物床氣柜密封(27)，其通過根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法(未示出)，從還原的金屬氧化物床氣柜回路集管引入流化蒸汽受控的流動(dòng)，保持為以預(yù)定的合適豎管密度的靜態(tài)床。

金屬氧化物沿著豎管向下的穩(wěn)定流動(dòng)通過在豎管上的幾個(gè)高度注入蒸汽來最終形成固體粒子和氣體的均勻流化態(tài)來提供。當(dāng)沿著豎管向下的頭壓力增加和金屬氧化物流動(dòng)被壓縮時(shí)，蒸汽注入點(diǎn)有效代替了“損失”體積，由此來確保還原的金屬氧化物粒子的流體狀流動(dòng)的連續(xù)性。

在還原的粒子送到空氣反應(yīng)器(40)之前，在還原的金屬氧化物粒子豎管(39)的底部，還原的金屬氧化物床氣柜回路密封器(29)有利地控制了床的氣密性。該還原的金屬氧化物床氣柜還用于在第二燃料反應(yīng)器(20)和空氣反應(yīng)器(40)之間保持穩(wěn)定的可操作流動(dòng)。

提供床氣柜回路來防止空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間的氣體泄漏。在本發(fā)明中，床氣柜回路密封器避免了燃料反應(yīng)器中所產(chǎn)生的co2與空氣反應(yīng)器中的空氣流中存在的最后排入大氣中的氮?dú)獾幕旌稀＿@是本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭諝夥磻?yīng)器(40)和燃料反應(yīng)器(20，30)之間的氣密性或者密封通過料斗(3)中的金屬氧化物粒子床來提供。包含h2o和co2或者co和h2的燃燒氣體從料斗(3)經(jīng)由氣體煙道(18)排出。

將還原的金屬氧化物粒子送到空氣反應(yīng)器(40)基部，在這里它們通過第一空氣回路而流化?？諝夥磻?yīng)器的基部以紊流流化方式運(yùn)行，來實(shí)現(xiàn)大氣空氣與進(jìn)入的還原的金屬氧化物粒子的徹底混合?？諝夥磻?yīng)器基部區(qū)段中的流化出口確保了金屬氧化物粒子到第二空氣注入點(diǎn)(46a)的流動(dòng)是穩(wěn)定的。將金屬氧化物粒子運(yùn)輸?shù)降诙諝庾⑷胛恢?，在這里第二空氣注入分開了放熱反應(yīng)，并且提供了控制空氣反應(yīng)器中的溫度曲線的措施。還原的金屬氧化物完成了氧化，并且優(yōu)化了還原的金屬氧化物的氧化的放熱反應(yīng)和因此所釋放的熱的量。

該金屬氧化物粒子在空氣存在下氧化和以足以將它們升高到料斗(3)的速率運(yùn)輸，在這里它們以完全氧化態(tài)排出。在粒子在反應(yīng)器之間移動(dòng)的過程中，它們經(jīng)歷了摩擦和/或分裂，并因此排入料斗的粒子包括一定的尺寸分布。較小的粒子例如小于50微米可以通過氣體運(yùn)輸和通過旋風(fēng)分離器(44)回收，并且經(jīng)由豎管(45)運(yùn)輸回到空氣反應(yīng)器(40)底部。具有這種回路是重要的，以便降低具有從空氣反應(yīng)器(40)排出的氣體的系統(tǒng)的粒子損失。

因此，將較小粒子經(jīng)由旋風(fēng)分離器(44)組成的分離區(qū)段再循環(huán)到空氣反應(yīng)器(40)基部，在這里粒子從氣體中分離，并且將該粒子送到再循環(huán)豎管(45)并通過重力下降到空氣反應(yīng)器(40)基部。該金屬氧化物粒子還可以從料斗(3)經(jīng)由豎管(41)和回路密封器(42)再循環(huán)到空氣反應(yīng)器(40)底部，來確保還原的金屬氧化物的完全氧化。

回路密封器可以用于控制固體循環(huán)回路系統(tǒng)中必需的壓力差，以使得粒子可以從低壓區(qū)例如旋風(fēng)分離器流到高壓區(qū)例如爐子或者提升管反應(yīng)器，而沒有不期望的反向氣體流動(dòng)?；芈访芊馄鲝V泛用于流化床系統(tǒng)。一種典型的回路密封器包括三個(gè)主要部件：供給室，再循環(huán)室和再循環(huán)管。對(duì)于回路密封器存在基于供給室和再循環(huán)管連接的不同的構(gòu)造，并且包括在所述室之間使用簡(jiǎn)單狹縫開口或者在兩個(gè)區(qū)段之間使用水平管連接。回路密封器通常具有水平管，除非將它們專門設(shè)計(jì)為在這兩個(gè)室之間不具有外壁。在一些工業(yè)高固體流動(dòng)單元中，使用兩個(gè)再循環(huán)管來增加回路密封器中的最大固體流速。這個(gè)技術(shù)被稱作雙出口回路密封器。

參見圖3，圖示了適用于根據(jù)本發(fā)明的clc方法實(shí)踐的常規(guī)類型的密封器(42)。在圖1的系統(tǒng)中一般性地展示了回路密封器(42)，這里下流式再循環(huán)管(41)在重力作用下將固體氧化物粒子引入具有下部開口(52)的供給室(50)，其與通過在密封殼的相對(duì)壁之間延伸的堰(60)限定的再循環(huán)室(54)連通。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，堰的高度部分地決定了固體氧化物粒子在送過堰(60)之后流入其中的再循環(huán)管(43)中的壓力。具有與一個(gè)或多個(gè)空氣盒(58)流體連通的多個(gè)分布的噴嘴(68)的集管(66)將流化氣體引入流過流化柵格(56)，再循環(huán)室(54)中的金屬氧化物粒子負(fù)載于該柵格上。進(jìn)入集管(66)的流化空氣的流量和壓力也造成沿著密封閥(42)的壓力降低。

回路密封器的一個(gè)改變(其可以有利地用于本發(fā)明的clc系統(tǒng)中)是將熱交換器安裝在回路密封器內(nèi)。這種排列允許從熱粒子回收熱，其可以另外用在該系統(tǒng)，例如在添加它們來代替磨損失去的材料之前預(yù)熱液體燃料和/或新的金屬氧化物粒子。

粒子流過豎管進(jìn)入供給室，然后進(jìn)入再循環(huán)室。固體在再循環(huán)室中處于流化態(tài)，并且溢流穿過水平通道或者堰進(jìn)入再循環(huán)管，在這里它們被傳送到系統(tǒng)中的隨后單元，該單元可以是提升管或者反應(yīng)器。

為了監(jiān)控和控制所述方法的運(yùn)行，在從氧化的粒子中分離后，可以通過取樣裝置(48)進(jìn)行自動(dòng)取樣和分析離開空氣反應(yīng)器的氣流，來確定氧化是否完全。在一種實(shí)施方案中，粒子的氧化態(tài)可以通過分析離開空氣反應(yīng)器(40)的氣體的氧含量來間接測(cè)定或推斷。貧氧空氣中氧濃度越低，金屬氧化物粒子的氧化態(tài)越高。

在料斗(3)中回收的氧化的金屬氧化物粒子可以經(jīng)由豎管(39)排出到反應(yīng)器(30)的自由空域(freeboard)，來與未反應(yīng)的氣體反應(yīng)。另外，可以通過使用燃料反應(yīng)器和/或空氣反應(yīng)器和/或降低載氧體循環(huán)速率來降低載氧體的循環(huán)速率，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)載氧體在第一和第二燃料反應(yīng)器中和在下流式反應(yīng)器中的基本上完全的還原，其在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中依靠固體金屬氧化物載氧體相對(duì)大的循環(huán)速率來實(shí)現(xiàn)載氧體基本上完全的還原。

如前所述，由于反應(yīng)導(dǎo)致的氣體體積的增加也增加了燃料反應(yīng)器中氣體的速度。氣體流速度的增加會(huì)導(dǎo)致夾帶金屬氧化物粒子，該金屬氧化物粒子被氣體流帶出反應(yīng)器。分離裝置例如一個(gè)或多個(gè)旋風(fēng)分離器可以用于回收粒子和將它們返回燃料反應(yīng)器。

現(xiàn)在參見圖2，圖示了本發(fā)明的clc方法的另一實(shí)施方案(100)，在其中金屬氧化物粒子的還原發(fā)生在單個(gè)反應(yīng)器(200)中。將流化燃料反應(yīng)器(200)的幾何形狀和設(shè)計(jì)尺寸定制和配置為確保從下流式反應(yīng)器(10)引入的液體燃料完全轉(zhuǎn)化。在圖1的實(shí)施方案中，氧化的金屬氧化物粒子從料斗(3)落入下流式反應(yīng)器(10)，在這里將液體燃料注入、蒸發(fā)和通過與根據(jù)完全燃燒所注入的整個(gè)體積的烴燃料所需而化學(xué)計(jì)量比來確定的總金屬氧化物的5-30％的和優(yōu)選8-15％的金屬氧化物接觸來反應(yīng)。

將下流式反應(yīng)器(10)出口處未反應(yīng)的氣體送到位于燃料反應(yīng)器(200)中的中間位置(200a)的氣體收集裝置(220)的入口。來自于下流式反應(yīng)器(10)的還原的金屬氧化物(其可以包含少量焦炭)落入燃料反應(yīng)器(200)底部，在這里將它們通過蒸汽注入，使用常規(guī)流化設(shè)備例如環(huán)，氣泡杯或者一個(gè)或多個(gè)上面結(jié)合圖1所述的多孔板進(jìn)行流化和氣化。經(jīng)由兩個(gè)豎管(224a)和(224b)引入完全化學(xué)計(jì)量比轉(zhuǎn)化注入下流式反應(yīng)器(10)中的全部量的液體燃料所需的其余量的金屬氧化物粒子，這考慮了經(jīng)由下流式反應(yīng)器(10)引入的載氧體粒子，通過根據(jù)本領(lǐng)域公知的方法調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的壓力平衡，例如通過改變系統(tǒng)中固體粒子和/或氣體的流速。如前所述，氧化的粒子從料斗(3)到每個(gè)clc系統(tǒng)反應(yīng)器的引入量和速率可以通過也接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的程序化處理器/控制器來控制，該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)指示了進(jìn)入下流式反應(yīng)器的液體或者固體燃料供料的體積或重量流速和基于摩爾或其他方便基礎(chǔ)的碳含量的預(yù)定分析。

來自于豎管(224a)和(224b)的氧化的金屬氧化物粒子與氣體逆流流動(dòng)來引入氣體收集器(220)的上部，來確保氣體和金屬氧化物粒子的徹底混合。在還原反應(yīng)之后，將燃料反應(yīng)器(200)中還原的金屬氧化物經(jīng)由回路密封器(27)送到空氣反應(yīng)器(40)。由金屬氧化物還原所產(chǎn)生的氧化熱被該金屬氧化物粒子所保留，該金屬氧化物粒子隨后向下流式反應(yīng)器(10)和燃料反應(yīng)器(200)供給所需熱。

本發(fā)明的clc單元方法中的質(zhì)量和熱平衡比現(xiàn)有技術(shù)的液體燃料系統(tǒng)中的單級(jí)金屬氧化物還原靈活得多，因?yàn)樵摲磻?yīng)被分在了兩個(gè)不同的區(qū)域之間。液體燃料蒸發(fā)和焦炭氣化和未反應(yīng)的氣體反應(yīng)是分別控制的。在流化燃料反應(yīng)器的第一級(jí)反應(yīng)器中確保了焦炭燃燒反應(yīng)，同時(shí)未反應(yīng)的燃料的完全轉(zhuǎn)化是在第二級(jí)反應(yīng)區(qū)中完成的。

根據(jù)一種實(shí)施方案，重質(zhì)液體燃料在兩個(gè)位置的量或相對(duì)比例可以變化，從而當(dāng)合成氣是期望的終端產(chǎn)物時(shí)，產(chǎn)生不同比率的氫：一氧化碳。當(dāng)合成氣是期望的產(chǎn)物時(shí)，控制重質(zhì)燃料的量或者相對(duì)于氧化的固體粒子所提供的氧的量的相對(duì)比例可以用于增加氫：一氧化碳的比率。增加重質(zhì)液體燃料相對(duì)于系統(tǒng)中存在的氧量的量，導(dǎo)致部分燃燒產(chǎn)生h2和co，而不是co2和h2。當(dāng)供料注入是分級(jí)的，即，在不同的位置和以不同的水平注入，這里可以將載氧體還原來產(chǎn)生部分氧化的載氧體，還原形式的載氧體接觸在第二注入點(diǎn)的水平注入的供料的可能性高。部分氧化形式的載氧體與供料的接觸將導(dǎo)致產(chǎn)生合成氣、h2和co。

公知的是在化學(xué)鏈燃燒方法中將金屬氧化物還原成金屬方面，氫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)快于一氧化碳或者輕質(zhì)烴氣體的那些。輕質(zhì)烴氣體定義為具有1-4個(gè)碳原子的那些，和具有2或者更多個(gè)碳原子的烯烴。

本發(fā)明實(shí)施方案的系統(tǒng)的構(gòu)造提供了對(duì)于簡(jiǎn)單引入燃料到燃料反應(yīng)器中和/或運(yùn)輸區(qū)中的改進(jìn)，因?yàn)榭梢钥刂扑鼇韺?shí)現(xiàn)載氧體完全或者基本完全的還原，其不受限于載氧體在燃料反應(yīng)器中的停留時(shí)間，并且不需要增加燃料反應(yīng)器的尺寸來增加停留時(shí)間。而，所述結(jié)果是通過控制系統(tǒng)的內(nèi)部壓力平衡，控制載氧體材料的流速來實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明還減少了固體處置系統(tǒng)中部件，例如旋風(fēng)分離器和回路密封器的數(shù)目，因?yàn)榭諝夥磻?yīng)器和燃料反應(yīng)器之間的固體循環(huán)和氣體泄漏是經(jīng)由用引入料斗下部區(qū)域中的蒸汽來流化的料斗(3)來完成的，例如經(jīng)由多個(gè)料斗流化蒸汽管線(47)引入，所述管線與內(nèi)部分布集管和相關(guān)噴嘴(與上述那些相當(dāng))連通。

圖1和2所示的系統(tǒng)實(shí)施方案之間的差異是兩個(gè)燃料反應(yīng)器(20，30)之間的連接。在第一實(shí)施方案中，第一流化燃料反應(yīng)器(20)和第二流化燃料反應(yīng)器(30)經(jīng)由多孔板(22)連接，通過多孔板(22)將兩個(gè)區(qū)分開。來自于第一燃料反應(yīng)器(20)的未反應(yīng)的氣體必須送過多孔板(22)來與第二反應(yīng)器(30)中的金屬氧化物粒子反應(yīng)。

繼續(xù)參見圖2所示的第二實(shí)施方案，燃料反應(yīng)器(200)經(jīng)由管道(220)連接。處于它們的完全氧化態(tài)的金屬氧化物經(jīng)由多個(gè)豎管(224a)和(224b)從料斗(3)送到反應(yīng)器(200)，用于與來自于反應(yīng)器(200)和來自于下流式反應(yīng)器(10)的未反應(yīng)的氣體反應(yīng)。在圖2的實(shí)施方案中，不需要第一實(shí)施方案所述的多孔板(22)。兩種實(shí)施方案之間的主要區(qū)別是來自于下流式反應(yīng)器(10)和第一流化反應(yīng)器(20，200)的未反應(yīng)的氣體接觸金屬氧化物載氧體。在第一實(shí)施方案中，未反應(yīng)的氣體之間的接觸模式是順流流動(dòng)；在第二實(shí)施方案中，未反應(yīng)的氣體和金屬氧化物粒子逆流流動(dòng)來移動(dòng)。

實(shí)施例

下面的實(shí)施例描述了圖1所示的系統(tǒng)的運(yùn)行。顆粒載氧體(oc)是在鎳/氧化鋁載體上的氧化鎳，密度是2725kg/m³和氧運(yùn)輸能力ro是大約10.9wt％，但是僅僅大約13.6％的氧參與反應(yīng)，產(chǎn)生了實(shí)際氧運(yùn)輸能力是大約1.5wt％，其是如下來計(jì)算的：

rowt％xoc的wt＝可利用的o2(1)

引入下流式反應(yīng)器(10)中的液體烴重質(zhì)燃料油(hfo)的組成如下：

該hfo具有下面的特性：

密度＠25℃＝1019.9kg/m³

傾點(diǎn)＝+15℃

軟化點(diǎn)<30℃

hhv＝40925mj/kg

lhv＝38775mj/kg

以6.126kg/s注入供料。需要來提供完全燃燒所注入的燃料所需的氧的氧化鎳是984.6kg/s。將金屬氧化物流分成三部分，第一部分98.5kg/s從料斗(3)轉(zhuǎn)移到下流式反應(yīng)器(10)，然后在第一燃料反應(yīng)器(20)中回收。經(jīng)由下流式反應(yīng)器(10)將全部燃料引入系統(tǒng)，溫度是大約1000℃和停留時(shí)間是大約2-4秒。在該下流式反應(yīng)器(10)出口處煙道氣體的組成估計(jì)由25-30％的co2、4％的co、大約3％的h2、8-10％的ch4和49-60％的c2-c9化合物組成。

還原的金屬氧化物是包含68.7kg/s的nio/nial2o4和27.8kg/s的ni/nial2o4的混合物。通過重力將該金屬氧化物粒子與未轉(zhuǎn)化的氣體分離。該金屬氧化物粒子在重力作用下下降到反應(yīng)器(20)，在這里它們例如通過經(jīng)由管道(32)引入的蒸汽流化，并且運(yùn)輸?shù)娇諝夥磻?yīng)器(40)。沒有co2被送到空氣反應(yīng)器(40)，因?yàn)槿剂戏磻?yīng)器(20)中250-380秒的停留時(shí)間確保了該金屬氧化物粒子上存在的任何焦炭的轉(zhuǎn)化。未轉(zhuǎn)化的氣體向上流動(dòng)穿過反應(yīng)器(30)，并且與新鮮的或者再生的金屬氧化物粒子反應(yīng)。

886.1kg/s的金屬氧化物粒子從料斗(3)流到反應(yīng)器(30)確保了氣體全部轉(zhuǎn)化。反應(yīng)器(30)中的停留時(shí)間是380-600秒。反應(yīng)器(30)的溫度是大約1000℃，并且通過從料斗(3)循環(huán)熱氧化的金屬氧化物粒子來實(shí)現(xiàn)。

在反應(yīng)器(30)的出口處，該粒子包含618.8kg/s的nio/nial2o4和250.26kg/s的ni/nial2o4的混合物。

進(jìn)入空氣反應(yīng)器(40)的金屬氧化物粒子混合物的組成是687.59kg/s的nio/nial2o4和278.07kg/s的ni/al2o4。在位于空氣反應(yīng)器(40)和燃料反應(yīng)器之間的流化床熱交換器(未示出)中熱交換之后，該金屬氧化物粒子的入口溫度是869℃，在燃料反應(yīng)器中從固體-氣體交換中回收了125mw的能量。

在空氣反應(yīng)器(40)出口處，離開氣體的溫度是1060℃，并且回收了89.4mw。從燃料反應(yīng)器(30)出口處的熱氣體回收了44.01mw。從所述系統(tǒng)回收的總能量計(jì)算為是258.41mw。從流化床熱交換器回收的能量效率是大約48％。

與現(xiàn)有的液體化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)相比，co2捕集速率增加了2-4％，這是因?yàn)榻饘傺趸锪Ｗ由辖固康漠a(chǎn)生和停留被最小化。co2捕集效率計(jì)算為94％-96％，基于上述測(cè)試。補(bǔ)足量構(gòu)成了從燃料反應(yīng)器逸出到空氣反應(yīng)器來降低所捕集的總co2量的碳含量百分比。

通過受控的重力供給將預(yù)定的化學(xué)計(jì)量比所需量的載氧體材料引入三個(gè)不同的燃燒區(qū)的每個(gè)中來用于分級(jí)連續(xù)燃燒蒸發(fā)的燃料和未反應(yīng)的氣體提供了對(duì)于燃燒/反應(yīng)方法的控制。將燃料和它的未反應(yīng)的副產(chǎn)物氣體的燃燒分開在下流式反應(yīng)器(10)、第一燃料反應(yīng)器(20)和第二燃料反應(yīng)器(30)中三個(gè)反應(yīng)區(qū)之間導(dǎo)致了烴燃料的完全或者接近完全的燃燒，這繼而增加了co2捕集率。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法減少了所需的輔助裝置部件例如旋風(fēng)分離器和回路密封器的數(shù)目，避免了co2從燃料反應(yīng)區(qū)泄漏到空氣反應(yīng)器中，并改進(jìn)了clc方法的整體效率。

本發(fā)明的化學(xué)鏈方法消除或者顯著減少了現(xiàn)有技術(shù)的用于液體和固體燃料二者的clc方法和系統(tǒng)的限制，并且提供了注入不同類型的燃料(包括氣體，液體和固體燃料)的最大靈活性，特別是重質(zhì)液體烴燃料例如真空殘留物和煤的燃燒。