用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】描述氣體的生產(chǎn)，更具體地，用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體(包括生產(chǎn)氫氣)的系統(tǒng)和方法。在一個實(shí)施方案中，系統(tǒng)和方法包括具有包含碳酸鈉的材料的熔融池的反應(yīng)器。調(diào)理的水的供應(yīng)與反應(yīng)器連通。含碳的材料的供應(yīng)也與反應(yīng)器連通。在一個具體的實(shí)施方案中，含碳的材料可包括真空殘留物(VR)。水和VR可保持在與反應(yīng)器中發(fā)生的過程相容的期望的溫度和壓力。當(dāng)引入到反應(yīng)器中時，水、VR和熔融池可在其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(包括生產(chǎn)氫氣和其它氣體)的環(huán)境中均質(zhì)混合。
【專利說明】用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求 2011 年 7 月 21 日提交的題為“SYSTEM AND PROCESS FOR THE PRODUCTIONOF SYNGAS AND FUEL GASSES (用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體的系統(tǒng)和方法)”的美國非臨時專利申請序列號13/188，167的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其通過引用而全文結(jié)合到本文中。
[0002]政府權(quán)利
在美國能源部授予的合同號DE-AC07 05ID14517下，在Western Hydrogen和BattelleEnergy Alliance, LLC之間的合作研究和開發(fā)協(xié)議下產(chǎn)生本發(fā)明。美國政府對于本發(fā)明具有特定權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及氣體的生產(chǎn)，更具體地，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體(包括生產(chǎn)氫氣)的系統(tǒng)和方法。
[0004]背景
基于烴的燃料(包括石油產(chǎn)品、天然氣等)已成為并且保持為全球能量生產(chǎn)的主要來源。全球油儲計(jì)劃、期望提供更加"綠色"或環(huán)境友好的能量以及許多其它問題已經(jīng)激發(fā)個體、公司和政府來研究可能的能量生產(chǎn)替代品。這些研究和開發(fā)的努力包括尋求用于從現(xiàn)有的已知的能源生產(chǎn)能量的改進(jìn)的技術(shù)、系統(tǒng)和方法。例如，關(guān)于提取使用常規(guī)的技術(shù)難以達(dá)到的位于地球物理學(xué)位置中的油的能力已經(jīng)作出努力。此外，已經(jīng)作出努力以使得現(xiàn)有的能量過程更有效、更加成本高效和更加環(huán)境友好。
[0005]其它努力集中于從在過去已被大大忽略的儲量中提取能量。在一些情況下，由于這些資源或儲量不像其它可用的資源那樣富含碳而被忽略。在其它情況下，僅僅是因?yàn)楦与y以將該資源轉(zhuǎn)化為可用形式的能量。例如，已進(jìn)行實(shí)質(zhì)的努力以從例如焦油砂和油頁巖的來源提取油。雖然在技術(shù)上可行，但是在過去由這樣的來源提取油常規(guī)上認(rèn)為無效和在生態(tài)上不友好。
[0006]當(dāng)前的研究集中于潛在的新的能量來源以及其它現(xiàn)有的替代能源的改進(jìn)。例如，改進(jìn)太陽能技術(shù)、風(fēng)能生產(chǎn)、生物燃料生產(chǎn)和氫氣生產(chǎn)的努力均正在進(jìn)行。然而，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認(rèn)識到的，所有這些努力遇到各種障礙，一些是經(jīng)濟(jì)上的，一些是政治上的，而一些是科學(xué)上的。
[0007]因此，繼續(xù)期望提供新能源，以改進(jìn)能量提取努力，和改進(jìn)現(xiàn)有的方法和技術(shù)，以便更加有效、更加豐富并且采用更加環(huán)境友好的方式來提供能量。
[0008]發(fā)明概述
本發(fā)明涉及生產(chǎn)氣體和提供用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體(例如氫氣和甲烷)的系統(tǒng)和方法。本文描述的本發(fā)明的一個實(shí)施方案包括一種系統(tǒng)和方法，其包括堿金屬重整(AMR)。然而，該方法適用于一系列能量轉(zhuǎn)化。
[0009]根據(jù)一個具體的實(shí)施方案，提供了一種生產(chǎn)氣體的方法。所述方法包括在反應(yīng)器內(nèi)提供熔融池。所述熔融池可包括材料，例如碳酸鈉。向所述熔融池中引入氧化材料，和向所述熔融池中引入含碳的材料。所述氧化材料、含碳的材料和熔融池反應(yīng)，以生產(chǎn)包括含有氫氣的蒸氣的輸出流。
[0010]所述方法還可包括根據(jù)以下平衡反應(yīng)式使材料反應(yīng):
Na2CO3 + 2C + 4H20 ^ Na2CO3 + 2C02 + 4H2。
[0011]所述方法還可包括向所述熔融池中引入真空殘留物作為碳來源和向所述熔融池中引入軟化水作為氧化劑。在一個實(shí)施方案中，在引入到熔融池中之前，可將真空殘留物和軟化水混合。
[0012]所述方法還可包括其它行為，例如從反應(yīng)器的輸出產(chǎn)物提取水，和使水再循環(huán)返回至在反應(yīng)器內(nèi)的熔融池，根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)分離氣體、液體和固體，和從分離過程提取熱能，用于例如加熱熔融池或引入到熔融池中的其它成分。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施方案，提供了一種用于生產(chǎn)氣體的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括具有含有碳酸鈉的熔融池的反應(yīng)器、與反應(yīng)器連通的軟化水的供應(yīng)和與反應(yīng)器連通的真空殘留物的供應(yīng)。
[0014]所述系統(tǒng)可另外包括各種控制系統(tǒng)。例如，控制系統(tǒng)可與水供應(yīng)關(guān)聯(lián)，以保持水供應(yīng)在期望的溫度、期望的壓力和期望的流速。同樣，控制系統(tǒng)與真空殘留物供應(yīng)關(guān)聯(lián)，以保持真空殘留物供應(yīng)在期望的溫度、期望的壓力和期望的流速。
[0015]所述系統(tǒng)還可設(shè)置成在引入到所述熔融池中之前，混合軟化水和真空殘留物。一旦引入到熔融池中 ，所述系統(tǒng)可設(shè)置成保持混合物在期望的溫度和壓力下為基本上均質(zhì)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)期望的反應(yīng)。例如，混合物可保持在約930°C或更大的溫度和約13.9 MPa或更大的壓力下。
[0016]所述系統(tǒng)還可包括分離系統(tǒng)，以分離可由反應(yīng)器生產(chǎn)的氣體、液體和固體。分離系統(tǒng)可設(shè)置成由輸出提取水和將水再循環(huán)返回至水供應(yīng)。此外，可將可溶性固體分離，溶解于水中，并且返回至熔融池。
[0017]如以下描述的，其它各種組件和行為可包括在這些方法和系統(tǒng)中，并且為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解。
[0018]附圖簡述
在閱讀以下詳細(xì)說明并且結(jié)合附圖時，本發(fā)明的前述和其它優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的系統(tǒng)的框圖；
圖2為顯示可用于本發(fā)明的水調(diào)理(conditioning)、儲存和再循環(huán)過程的一個實(shí)例的流程圖；
圖3為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案引入過程水的流程圖；
圖4為顯示可用于本發(fā)明的烴接受、儲存和再循環(huán)過程的一個實(shí)例的流程圖；
圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案引入過程烴的流程圖；
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的反應(yīng)器調(diào)理和控制的流程圖；
圖7為涉及根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的熔融池調(diào)理、化學(xué)和控制的流程圖；
圖8為涉及根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的產(chǎn)物相分離和調(diào)理的流程圖；
圖9為涉及根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的水提取、調(diào)理和再循環(huán)的流程圖；
圖10為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案凈化和分離產(chǎn)物氣體的流程圖；和圖11為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案提取、調(diào)理和再循環(huán)產(chǎn)物固體的流程圖。
[0019]發(fā)明詳述
在滿足人類的能量需求中，顯著的努力集中于能量轉(zhuǎn)化、能量效率和資源的優(yōu)化使用。本公開描述氣體的生產(chǎn)，更具體地，本公開描述用于生產(chǎn)合成氣和燃料氣體(包括生產(chǎn)氫氣)的系統(tǒng)和方法。本文描述的本發(fā)明的一個實(shí)施方案包括系統(tǒng)和方法，其包括堿金屬重整(AMR)。然而，該方法適用于一系列能量轉(zhuǎn)化。實(shí)際上，本發(fā)明的一個益處在于，寬范圍的進(jìn)料材料可重整成為更加有用的能源。進(jìn)料材料通常包括氧化材料和一些形式的烴，但是直鏈碳也有用。在一個實(shí)施方案中，氧化組分可包括水，并且烴可包括真空殘留物(VR)。VR為與在真空蒸餾原油期間生產(chǎn)的道路焦油或浙青類似的材料，并且通常認(rèn)為具有低經(jīng)濟(jì)價值。VR組合物主要為具有小百分比氫、甚至更少的硫和其它微量元素的碳，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認(rèn)識到的。
[0020]參考圖1，框圖顯示堿金屬重整系統(tǒng)100和相關(guān)過程的綜述。系統(tǒng)100包括眾多子系統(tǒng)或子過程，以下將進(jìn)一步詳述。第一子系統(tǒng)或子過程包括水供應(yīng)200。與水供應(yīng)200關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)或過程可包括各種具體的方面，例如在系統(tǒng)100內(nèi)調(diào)理、儲存和再循環(huán)水。與水供應(yīng)200關(guān)聯(lián)的為水進(jìn)料250過程或系統(tǒng)。如反饋管線102A指示的，水進(jìn)料250可將水再循環(huán)返回至水供應(yīng)200。注意到，反饋管線102A可與反饋管線102B和102C合并，如圖1所示，以形成反饋管線102。當(dāng)然，圖1示為合并的(以及在本文呈現(xiàn)的其它圖中)的各種反饋管線在其它結(jié)構(gòu)中可保持為單個反饋管線。
[0021]系統(tǒng)100還包括接受、儲存和調(diào)理待在系統(tǒng)內(nèi)使用的烴的烴來源300。與烴來源300關(guān)聯(lián)的是烴進(jìn)料350過程或系統(tǒng)。如反饋管線103指示的，烴進(jìn)料350可將烴材料再循環(huán)返回至烴供應(yīng)300。 [0022]水進(jìn)料250和烴進(jìn)料350向反應(yīng)器104提供進(jìn)行期望的化學(xué)反應(yīng)所需的材料。反應(yīng)器104可包括用于反應(yīng)器調(diào)理400的過程或系統(tǒng)控制功能和用于熔融池調(diào)理500的過程或系統(tǒng)控制功能。反應(yīng)器可包括，例如，描述于例如題為BELL COLUMN DOWN TUBE, REACTORSUTILIZING SAME AND RELATED METHODS (鐘形柱向下管、利用所述管的反應(yīng)器和相關(guān)的方法)的美國申請?zhí)?13/188，121 或題為 MOLTEN SALT ROLLING BUBBLE COLUMN, REACTORSUTILIZING SAME, AND RELATED METHODS(熔融鹽滾壓氣泡柱、利用所述柱的反應(yīng)器和相關(guān)的方法)的美國申請?zhí)?3/188,202 (兩者均于2011年7月21日提交)的組件，各美國申請的公開內(nèi)容通過引用而全文結(jié)合到本文中。
[0023]離開反應(yīng)器104的產(chǎn)物可經(jīng)歷各種過程或系統(tǒng)，例如產(chǎn)物相分離600、固體提取700、水提取800和氣體凈化900。注意，雖然作為分離的過程或系統(tǒng)顯示，但分離過程可纏繞，并且這些過程中的一些可在反應(yīng)器104內(nèi)發(fā)生，而在圖1中不是那樣顯示。這些過程或系統(tǒng)中的每一個在以下進(jìn)一步詳細(xì)討論。這些過程和系統(tǒng)彼此之間的關(guān)系和相互作用在整個附圖中使用字母A-N指示。因此，例如，圖3在226顯示對"A或B"的連接或輸入，這指的是示于圖2的輸入"A〃和〃B"。
[0024]圖2顯示用于整個過程或系統(tǒng)100的水供應(yīng)。注意，設(shè)計(jì)上，在水進(jìn)料系統(tǒng)中不存在氧化還原化學(xué)(即，沒有還原化學(xué)或氧化化學(xué))。此外，不需要有與水供應(yīng)過程關(guān)聯(lián)的任何用戶可控的化學(xué)。在某些實(shí)施方案中，與水供應(yīng)過程關(guān)聯(lián)的化學(xué)可包括常規(guī)的水軟化技術(shù)。通過系統(tǒng)100再循環(huán)的水在其通過水供應(yīng)系統(tǒng)或過程200返回時，不必再次軟化。然而，可分析從產(chǎn)物流(即，在產(chǎn)物相分離600之后，例如示于圖1)冷凝的水的組成，以確定在系統(tǒng)或過程的常規(guī)操作期間是否應(yīng)加入可溶性鈉化合物以外的礦物質(zhì)。在提取的水的這樣的分析期間，如果例如水含有應(yīng)放回反應(yīng)過程中的成分，還可關(guān)于該水的再利用作出決定。
[0025]在一個實(shí)施方案中，水供應(yīng)200通過軟化過程210從廚房來源取水，以除去大多數(shù)基于金屬的礦物質(zhì)，可能鈉例外。該軟化水隨后儲存待用。可需要偶爾檢查該水，以評價其礦物質(zhì)含量和監(jiān)測軟化過程的有效性。例如，如在212指示的，可檢查該水，以確定是否充分處理和是否需要返回至水軟化系統(tǒng)。同樣，如果再循環(huán)的水需要調(diào)理，可將其重新導(dǎo)向過程中的適當(dāng)?shù)奈恢?，用于期望的處理?br> [0026]在過程中的其它位置再循環(huán)的水可被引入，如在214指示的，并且與來自儲存的水合并。比起在儲存中的軟化水，再循環(huán)的水可實(shí)際上處于更好的用于該過程的狀態(tài)。實(shí)際上，在一個實(shí)施方案中，可將來自儲存的軟化水加入到系統(tǒng)中僅作為在AMR過程期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)期間消耗的水的補(bǔ)充。如以下討論的，過量的水從在該過程期間生產(chǎn)的蒸氣流中冷凝至經(jīng)濟(jì)允許的程度，使得水可再循環(huán)。
[0027]在再循環(huán)的水和來自水儲存的補(bǔ)充水合并后，水可隨后以足夠的量加壓至所需的過程壓力，以滿足過程的流量要求，如在216指示的?？蓪?shí)現(xiàn)壓力和流量的封閉的回路控制，例如在218指示的，以確保水調(diào)理對于過程是正確的。滿足指定的壓力和流量要求的水可隨后加熱至期望的溫度，如在220指示的。期望的溫度為系統(tǒng)100的硬件容許的溫度，同時仍滿足整個過程的化學(xué)和經(jīng)濟(jì)需求?？蓪?shí)現(xiàn)封閉的回路控制，如在222指示的，以確保水溫度滿足設(shè)計(jì)要求。可隨后將在期望的溫度、壓力和流速的調(diào)理的水供應(yīng)至水進(jìn)料系統(tǒng)，如在224指示的?？纱嬖谒枨蟮耐瑫r檢查，以允許過程在適當(dāng)?shù)臈l件下停止或繼續(xù)。
[0028]現(xiàn)在參考圖3，顯示了與水進(jìn)料250關(guān)聯(lián)的過程或系統(tǒng)。水的特征(例如，壓力、溫度和流速)對于整個過程`是重要的，并且可需要持續(xù)監(jiān)測和控制。因此，例如，當(dāng)將水引入到反應(yīng)器中時，如在262指示的，控制可用于確定特征(例如水壓力、溫度和流速)是否在期望的水平，如在264指示的。如果水特征不在期望的水平，可將水返回至調(diào)理系統(tǒng)200 (即，在圖2的流程圖中的A和/或B點(diǎn))，如在266指示的。由于將來自水供應(yīng)200的水調(diào)理至匹配過程需要的狀態(tài)，將其引入其中通常從過程損失的熱量可用于使水過熱的位置，如在268指示的，并且提供盡可能接近反應(yīng)器溫度的蒸汽。同樣，控制可用于確保過熱的蒸汽在適當(dāng)?shù)臏囟?，如?70和272指示的。當(dāng)所有的參數(shù)在正確的操作范圍時，可將水注入反應(yīng)器的熔融池中，如在274指示的。在一個實(shí)施方案中，熔融池可包括鈉鹽。
[0029]現(xiàn)在參考圖4，顯示用于接受、儲存和調(diào)理烴的過程和系統(tǒng)300。在當(dāng)前描述的實(shí)施方案中，烴稱為VR(真空殘留物)，然而，可利用其它烴來源。注意，在一個實(shí)施方案中，在進(jìn)入VR進(jìn)料回路350之前，不必預(yù)處理碳質(zhì)VR (圖1和5)。對于VR進(jìn)料材料，這可需要建立對于組成、溫度、壓力、粘度或濕能力性質(zhì)的可接受的限度的限定。可指定這些性質(zhì)或特征，以(除其它原因外)幫助避免焦化和堵塞系統(tǒng)的硬件和流動管線，同時仍在過程的輸出提供可接受的產(chǎn)物。
[0030]當(dāng)將VR引入到過程中時，將其儲存和加熱，如在310指示的?？衫梅忾]的回路控制，以確保VR在足夠的溫度，如在312指示的。由于儲存條件可受VR遞送過程的條件的影響，監(jiān)測和控制儲存條件，以容納接受和分配VR 二者。例如，如果通過卡車將VR遞送至過程設(shè)備，其必須仍然處于足夠流體的狀態(tài)，以將它移至儲存。如果通過管線供應(yīng)，其必須保持在支持流體狀態(tài)的溫度，用于通過管線移動。因此，VR儲存的溫度和壓力應(yīng)與接受和分配要求二者相容。
[0031]當(dāng)將VR從儲存取出時，在加入任何另外的熱量之前，將其泵送至指定的過程壓力，并且計(jì)量至所需的流速，如在314指示的?？蓪?shí)現(xiàn)封閉的回路控制，如在316指示的，以確保VR壓力和流速在過程的期望的水平。在過程的早期控制VR的壓力和流速能夠更好地控制過程，對于下游過程變量和相應(yīng)的產(chǎn)物具有較少的不期望的影響。例如，在過程的早期某些變量的更精確的控制可轉(zhuǎn)化為在過程的后期更有效的產(chǎn)物流凈化和組分分離。
[0032]在加壓和計(jì)量后，將VR的流再次加熱，如在318指示的。將VR流加熱至在關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)管道內(nèi)不揮發(fā)和焦化的溫度。如果本體流在接近材料的焦化溫度的統(tǒng)一溫度下，避免揮發(fā)和焦化可能是困難的挑戰(zhàn)。在該過程中的傳熱表面必須在比本體材料顯著更高的溫度下，以保持本體材料在期望的條件下。然而，這些傳熱表面可變?yōu)榻够某珊瞬课?。因此，控制可用于檢查和確保VR的溫度在期望的水平，如在320指示的。如在322顯示的，可存在對關(guān)聯(lián)的烴進(jìn)料系統(tǒng)350的需求的檢查(圖1和5)。
[0033]現(xiàn)在參考圖5，顯示烴進(jìn)料系統(tǒng)或過程350，其包括與向反應(yīng)器中引入VR關(guān)聯(lián)的預(yù)注射行為。隨著VR前進(jìn)至反應(yīng)器中，如在362指示的，檢查VR的條件，例如流量、壓力和溫度，如在364指示的，以確保它們滿足過程要求。如果VR特征不在期望的水平，可將VR返回至調(diào)理系統(tǒng)300 (即，在圖4的流程圖中的C和/或D點(diǎn))，如在366指示的。如果壓力和流量的條件可接受，通過反應(yīng)器將熱量加入到VR中，如在368指示的，以使其達(dá)到適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度。由于這可導(dǎo)致在設(shè)計(jì)成發(fā)生碳分解(digestion)的反應(yīng)器的區(qū)域中產(chǎn)生焦炭，在低于反應(yīng)器過程的溫度下，將VR引入到反應(yīng)器中。因此，控制可用于連續(xù)監(jiān)測和校正VR的溫度，如在370和372指示的。當(dāng)所有的參數(shù)在可接受的操作范圍內(nèi)時，可將VR注入包含在反應(yīng)器內(nèi)的熔融池中，如在374指示的。在一個實(shí)施方案中，在引入到熔融池中之前，可將VR與 至少一部分水/蒸汽混合。VR和蒸汽的混合有助于保持VR免于在熱表面上焦化，因?yàn)橥ㄟ^VR與蒸汽混合，在反應(yīng)器硬件的熱表面和VR之間可形成水蒸氣阻擋層。在其它實(shí)施方案中，在注入熔融池中之前，VR不與任何蒸汽混合。
[0034]現(xiàn)在參考圖6，顯示與反應(yīng)器調(diào)理和控制400關(guān)聯(lián)的過程和系統(tǒng)。反應(yīng)器調(diào)理和控制使得向熔融池中注射進(jìn)料(VR和水/蒸汽)(如在410指示的)、各種組分的混合(如在412指示的)和反應(yīng)器溫度的連續(xù)監(jiān)測和控制(如在414、416、418和420指示的)大大地成為必要。反應(yīng)器的控制可構(gòu)造成確保反應(yīng)的溫度、關(guān)聯(lián)的硬件和反應(yīng)組件正確，并且反應(yīng)器的內(nèi)含物均質(zhì)混合。如果充分?jǐn)嚢?，反?yīng)器內(nèi)含物的溫度應(yīng)統(tǒng)一?；旧暇|(zhì)混合物意味著蒸汽作為具有相對小尺寸的均勻分布的氣泡在漿料中離開。另一方面，VR最可能為揮發(fā)的蒸氣和固體的混合物。固體和氣體的該混合物應(yīng)接近同質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)在熔體內(nèi)有效的反應(yīng)。以任何特定的速率將能量有效轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出反應(yīng)漿料的需求取決于反應(yīng)為吸熱或放熱。因此，期望持續(xù)監(jiān)測和控制反應(yīng)器及其組件的溫度。
[0035]現(xiàn)在參考圖7，對于根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的AMR過程，顯示了與熔融池關(guān)聯(lián)的調(diào)理和化學(xué)500。如上所述，可將反應(yīng)器的內(nèi)含物均勻攪拌和攪動，以提供和保持均質(zhì)混合物，如在510指示的。該過程導(dǎo)致一些蒸氣生產(chǎn)，如在516指示的?；谀Ｐ突蛯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的化學(xué)的以下解釋假定在熔體中發(fā)生的化學(xué)為簡單的性質(zhì)，如在512指示的。此外，假定材料的各相不影響化學(xué)，直至實(shí)現(xiàn)一些水平的完成或平衡。
[0036]存在均質(zhì)混合物使得化學(xué)的模型化成為更簡單的方法。因此，為了描述本發(fā)明的化學(xué)的目的，根據(jù)該實(shí)施方案，潛在的中間反應(yīng)可保持為最小。本說明書描述過程的終點(diǎn)或平衡成分，同時僅考慮兩個潛在的中間反應(yīng)，例如在514指示的。
[0037]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型化，第一中間反應(yīng)將由碳酸鈉和蒸汽相互作用產(chǎn)生氫氣氧化鈉，如以下描述的反應(yīng)式I所述:
反應(yīng)式 I Na2CO3 + C + 3H20 — 2Na0H + 2C02 + 2H2。
[0038]同樣，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型化，第二中間反應(yīng)將為氫氧化鈉、碳和水組合產(chǎn)生碳酸鈉和氫氣，如以下描述的反應(yīng)式2所述:
反應(yīng)式 2 2Na0H + C + H2O — Na2CO2 + 2H2。
[0039]由于可能有簡單的測試和模型化無法揭示的許多其他反應(yīng)，這兩個反應(yīng)不必然是基本的中間體，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的。
[0040]最高水平平衡表達(dá)將在以下顯示的反應(yīng)式3中描述:
反應(yīng)式 3 Na2CO3 + 2C + 4H20 ^ Na2CO3 + 2C02 + 4H2。
[0041]這是在以上反應(yīng)式I和2中描述的中間體的簡單的總和?；诩妓棺杂赡苡?jì)算，反應(yīng)式3實(shí)際上由許多可能的中間體組成，因此化學(xué)計(jì)量可能不像以上描述的那樣。為了將該反應(yīng)推向右邊，加入熱量，使得輸入流的溫度提高。作為一個實(shí)例，在100°C和139巴(13.9 MPa)壓力下，反應(yīng)將產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生二氧化碳和氫氣，但是當(dāng)在相同的壓力下溫度升高至930°C時，一半的碳`和水將轉(zhuǎn)化為一半量的二氧化碳和氫氣。水和碳保持為表達(dá)式右邊的產(chǎn)物。如果物類局限于在顯示的表達(dá)式中的那些，則溫度越高，則吉布斯自由能平衡看起來越像反應(yīng)式3。如果使用較大量的物類(例如，20-30)，則平衡將偏離反應(yīng)式3的顯示，使得例如產(chǎn)物流將顯示低得多的CO2和H2生產(chǎn)。注意，該過程可在其它溫度和壓力下發(fā)生。例如，可使用較低的壓力，但是對于任何氫氣產(chǎn)物，可隨后需要隨后的后壓縮。此外，可改變壓力和溫度，取決于被生產(chǎn)的終產(chǎn)物。
[0042]注意，以上反應(yīng)的模型化基于無窮小部分的均質(zhì)混合物的前提。實(shí)際上，反應(yīng)包括需要識別的各種益處和缺點(diǎn)。例如，成分的混合物可能不均質(zhì)，而是各相和成分的復(fù)雜混合物。在真實(shí)世界里可容易施用氣相和液相的分離，但是在模型化世界里難以表示。
[0043]現(xiàn)在參考圖8，顯示和描述用于產(chǎn)物相分離600的系統(tǒng)和過程。一些分離過程可實(shí)際上在反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生。在反應(yīng)區(qū)域中，固體和液體將更容易與蒸氣分離，使得蒸氣能夠離開高溫熔融的浴。夾帶的固體和液體可需要進(jìn)一步努力以從氣體流除去它們。它們將返回至反應(yīng)區(qū)域用于再加工，而氣體最終運(yùn)送至氣體凈化和物類分離單元。
[0044]如在610指示的，各相在初始時分離。液/固相可保留在反應(yīng)器中，如在612指示的，而將固體從液體除去，如在614和616指示的，并且液體保留在(或返回至)反應(yīng)器的混合物區(qū)域，如在618指示的。預(yù)期一些固體為水溶性的，而其它的可能不是水溶性的。該過程可包括溶解任何水溶性固體，同時讓任何不溶性材料從液體中過濾，然后將液相返回至反應(yīng)器。這樣的方法將保存水利用并且限制鈉從系統(tǒng)的損失。
[0045]在啟動開始時，氣化的產(chǎn)物可能在需要它們被丟棄的一種或多種材料特征的指定的可接受限度之外。一種成本高效的方法可包括驟燃?xì)怏w，例如在620指示的?？蛇M(jìn)行驟燃，直至流具有期望的值，可將其按路線送至進(jìn)一步氣體凈化和分離。如在622指示的，固體顆?？膳c氣相分離。在一個實(shí)施方案中，顆?？蓮臍怏w過濾，并隨后進(jìn)一步加工。例如，固體顆粒可經(jīng)歷升高的溫度，以引起固體顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，例如在624指示的，將所得到的氣體與前面分離的氣體再次合并，如在626指示的。如果期望，合并的氣體流可經(jīng)歷進(jìn)一步凈化和處理，如以下關(guān)于圖10進(jìn)一步詳細(xì)討論的。可監(jiān)測氣體，以確定通過該過程生產(chǎn)的氣體的含量和品質(zhì)，如628和630指示的。未氣化的固體可包括例如不溶于水的灰分。這樣的灰分可進(jìn)行加工，如在632指示的，用于隨后用作道路填充物、用于混凝土或與其它適當(dāng)?shù)牟牧弦黄鹗褂?。另外，這樣的灰分可放置在工業(yè)垃圾填埋中。
[0046]現(xiàn)在參考圖9，顯示與水提取700關(guān)聯(lián)的過程和系統(tǒng)。以上討論的高溫氣體可通過熱恢復(fù)單元運(yùn)送，其中氣體的溫度降低，同時保持系統(tǒng)壓力。這將能夠使大百分比的水蒸氣從氣體流中冷凝，如在710指示的?？呻S后發(fā)生水的液相和氣相的相分離，如在712指示的。水將返回并且再次用于反應(yīng)，如在714指示的，并且蒸氣將被運(yùn)送至氣體凈化過程，如在716指示的。可捕集由冷凝水710和液體/蒸氣分離712的過程釋放的能量或熱量并且用于升高帶入過程的材料的溫度，如在718指示的。
[0047]參考圖10，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的氣體加工800。在最簡單的情況下，氣體流主要為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氫和少量的其它攜帶硫的蒸氣。在一個實(shí)施方案中，可期望分離出氣態(tài)成分，而不經(jīng)歷顯著的壓降。
[0048]如在810顯示的，氫氣和甲烷可在初始時與氣體流分離。氫氣和甲烷可隨后彼此分離，如在812指示的，并且氫氣可行進(jìn)至另一個過程，而甲烷作為燃料氣體輸送，用于別處使用。
[0049]可加工已從中分離出氫氣和甲烷的剩余的氣體流，以使二氧化碳與剩余的組分分離，如在814指示的 。加壓下的二氧化碳可引入管線中或引入儲存中，用作相對純的產(chǎn)物流。剩余的氣體流組分可經(jīng)歷用于除去攜帶硫的氣體(例如硫化氫、二氧化硫和其它)的過程，如在816指示的。這使得能回收硫和利用剩余的氣體作為燃料，這取決于存在的氣體和它們的關(guān)聯(lián)的熱值。
[0050]圖11描述固體提取系統(tǒng)或過程900，其中將從反應(yīng)提取的可溶性固體溶解于水中，如在910指示的。不溶性固體材料可隨后與所得到的溶液分離，如在912指示的。不溶的固體可現(xiàn)場加工，如在914指示的，或者船運(yùn)非現(xiàn)場加工，如在916指示的，使用任何數(shù)量的熔融過程(如果有價值的材料保證這樣)。將可溶的材料與固體分離，溶解，并且返回至過程，如在918指示的。例如，在一個實(shí)施方案中，由于反應(yīng)熔體基于鈉，可溶性固體可包括鈉并且返回至過程。
[0051]雖然本發(fā)明可能受各種修改和替代形式的影響，在附圖中通過舉例的方式已顯示具體的實(shí)施方案，并且本文已詳細(xì)描述。然而應(yīng)理解的是，本發(fā)明不旨在局限于所公開的具體形式。而是，本發(fā)明包括落入由以下所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等價和替代。
【權(quán)利要求】
1.一種生產(chǎn)氣體的方法，所述方法包括: 在反應(yīng)器內(nèi)提供熔融池，所述熔融池包含碳酸鈉； 向所述熔融池中引入氧化材料； 向所述熔融池中引入含碳的材料； 使所述氧化材料、含碳的材料和熔融池反應(yīng)，以生產(chǎn)包括含有氫氣的蒸氣的輸出流。
2.權(quán)利要求1的方法，其中使所述氧化材料、含碳的材料和熔融池反應(yīng)以生產(chǎn)含有氫氣的蒸氣還包括根據(jù)以下的平衡反應(yīng)使材料反應(yīng):
Na2CO3 + 2C + 4H20 Na2CO3 + 2C02 + 4H2。
3.權(quán)利要求1的方法，向所述熔融池中引入含碳的材料包括向所述熔融池中引入真空殘留物。
4.權(quán)利要求3的方法，其中向所述熔融池中引入氧化材料包括向所述熔融池中引入軟化水。
5.權(quán)利要求4的方法，所述方法還包括在引入到熔體中之前，使軟化水和真空殘留物混合。
6.權(quán)利要求4的方法，所述方法還包括由輸出流提取水和使水再循環(huán)返回至在反應(yīng)器內(nèi)的熔融池。
7.權(quán)利要求4的方法`，所述方法還包括在向所述熔融池中引入水之前，加熱軟化水，以生產(chǎn)蒸汽。
8.權(quán)利要求4的方法，所述方法還包括產(chǎn)生熔融池、真空殘留物和軟化水的基本上均質(zhì)的混合物。
9.權(quán)利要求8的方法，其中產(chǎn)生基本上均質(zhì)的混合物還包括攪拌熔融池、真空殘留物和軟化水。
10.權(quán)利要求1的方法，其中生產(chǎn)輸出流還包括分離由反應(yīng)器生產(chǎn)的液體和氣體。
11.權(quán)利要求10的方法，所述方法還包括使液體保留在反應(yīng)器內(nèi)，和生產(chǎn)氣體流作為輸出流，除了氫氣以外，所述輸出流還包含至少甲烷氣體和二氧化碳?xì)怏w。
12.權(quán)利要求11的方法，所述方法還包括從氣體流分離任何夾帶的固體。
13.權(quán)利要求12的方法，所述方法還包括使氫氣和甲烷氣體與二氧化碳和任何另外的氣體分離。
14.權(quán)利要求13的方法，所述方法還包括使甲烷氣體與氫氣分離。
15.權(quán)利要求13的方法，所述方法還包括使二氧化碳?xì)怏w與輸出流中的任何其它其余的氣體分離。
16.權(quán)利要求12的方法，所述方法還包括溶解可溶的任何已分離的固體并且將它們返回至熔融池。
17.權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括在約930°C或更大的溫度下使所述氧化材料、含碳的材料和熔融池反應(yīng)。
18.權(quán)利要求17的方法，所述方法還包括在約13.9 MPa或更大的壓力下使所述氧化材料、含碳的材料和熔融池反應(yīng)。
19.一種用于生產(chǎn)氣體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含: 具有含有碳酸鈉的熔融池的反應(yīng)器；與反應(yīng)器連通的軟化水的供應(yīng)；和 與反應(yīng)器連通的真空殘留物的供應(yīng)。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含與水供應(yīng)關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)，以保持水供應(yīng)在期望的溫度、期望的壓力和期望的流速。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含與水供應(yīng)關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)，以保持水供應(yīng)在期望的溫度、期望的壓力和期望的流速。
22.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含在軟化水的供應(yīng)和反應(yīng)器之間的第一流動路徑和在真空殘留物的供應(yīng)和反應(yīng)器之間的第二流動路徑，其中在水和真空殘留物進(jìn)入反應(yīng)器的熔融池中之前，所述第一流動路徑和第二流動路徑容納通過水供應(yīng)提供的水和通過真空殘留物供應(yīng)提供的真空殘留物的混合。
23.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含設(shè)置成分離作為反應(yīng)器的輸出生產(chǎn)的氣體、液體和固體的分離系統(tǒng)。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述分離系統(tǒng)設(shè)置成生產(chǎn)氫氣、甲烷和二氧化碳的輸出氣體流。
25.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述分離系統(tǒng)設(shè)置成從反應(yīng)器的輸出提取水，和將提取的水再循環(huán)返回至水供應(yīng)。
26.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述分離系統(tǒng)設(shè)置成溶解反應(yīng)器的輸出中的任何可溶性固體，和將已溶解的固體再循環(huán)至熔融池。
27.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器設(shè)置成保持熔融池和加入到熔融池中的任何軟化水和真空殘留物的基本上均質(zhì)混合物，以實(shí)現(xiàn)在以下平衡反應(yīng)式中描述的化學(xué)反應(yīng):`
Na2CO3 + 2C + 4H20 Na2CO3 + 2C02 + 4H2。
28.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述熔融池和向其中加入的任何軟化水和真空殘留物保持在約930°C溫度。
29.權(quán)利要求28的系統(tǒng)，其中所述熔融池和向其中加入的任何軟化水和真空殘留物保持在約13.9 MPa壓力。
【文檔編號】B01J19/00GK103874651SQ201280036168
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月21日
【發(fā)明者】D.N.賓漢, K.M.克林格勒, T.D.特納, B.M.維爾丁, B.C.貝內(nèi)菲爾 申請人:巴特爾能源聯(lián)合有限責(zé)任公司