[發明專利]將含碳燃料轉化為無碳能量載體

有效

• 申請號: 200980141285.8
• 申請日: 2009-09-28
• 公開（公告）號: CN102186955A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 范良士;李凡星
• 申請（專利權）人: 俄亥俄州立大學
• 主分類號: C10J3/00
• 分類號: C10J3/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 柳冀

技術領域

本發明總體上涉及將含碳燃料進行轉化的系統和方法。通常利用存在一種或多種化學中間體的還原-氧化(氧化還原)反應將含碳燃料進行轉化。

背景技術

為了滿足不斷提高的對清潔和負擔得起的能量載體的要求并且確保現代經濟的可持續增長，高度需要將含碳燃料例如煤、原油、天然氣、生物質、焦油砂和油母巖轉化成無碳能量載體的有效且環境友好的技術。能量載體是可用于產生機械功或熱或者操作化學或物理過程的物質或現象。

特別地當CO₂法規為強制性時，現有的含碳燃料轉化技術或者為資金密集型(氣化或超-超臨界粉煤燃燒)，具有低的效率(亞臨界粉煤燃燒)，或者其二者兼有。

含碳燃料和空氣/蒸汽/CO₂之間借助于金屬氧化物介質的化學反應可以表現為一種將燃料進行轉化的有效方法。已提出許多使用金屬氧化物的技術將含碳燃料進行轉化。例如，Watkins的美國專利No.3,027,238描述了生產氫氣的方法，該方法包括在還原區中還原金屬氧化物，并且在氧化區中用蒸汽氧化經還原的金屬以產生氫氣。Thomas等的美國公開申請No.2005/0175533和Fan等的PCT申請No.WO2007/082089均描述了通過如下產生氫氣的方法：在碳基燃料和金屬氧化物之間的還原反應中還原金屬氧化物以提供具有較低氧化態的經還原的金屬或金屬氧化物，并且氧化所述經還原的金屬或金屬氧化物以產生氫氣和具有較高氧化態的金屬氧化物。以含有金屬或金屬氧化物的陶瓷材料多孔復合物的形式提供金屬或金屬氧化物。

一種眾所周知的方法為蒸汽-鐵方法，其中將煤衍生的發生爐煤氣與氧化鐵顆粒(隨后用蒸汽再生)反應以產生氫氣。然而，在該系統中使用流化床，這使鐵(Fe)在FeO和Fe₃O₄之間循環，沒有將所述氣體完全轉化，并且沒有能夠產生純的氣體流。Ishida等的美國專利No.5,447,024描述了使用氧化鎳顆粒通過化學循環方法將天然氣轉化為待用于渦輪機的熱的方法。然而，該技術具有有限的適用性，這是因為其僅能夠高花費地將天然氣轉化為熱/電。因此，限制了該方法的原料和產物。

隨著逐漸提高的對更清潔和更有效的能量載體例如電、氫氣和燃料的要求，出現了對以較高效率和較低排放產生上述能量載體的改進系統和其中的系統部件的需要。

發明內容

本發明的實施方案提供了將固體、液體和氣體燃料轉化為有效能量載體的新型系統和方法。在一個實施方案中，提供了用于將固體、液體或氣體燃料進行轉化的系統并且該系統包括含有許多陶瓷復合顆粒的第一反應器。所述陶瓷復合顆粒包含位于載體上的至少一種金屬氧化物，并且所述第一反應器經配置以用燃料將該至少一種金屬氧化物還原從而產生還原的金屬或還原的金屬氧化物。該系統包括經配置的第二反應器以將所述還原的金屬或還原的金屬氧化物至少部分再氧化從而產生金屬氧化物中間體。該系統還包括空氣源和與該空氣源連通的第三反應器并且該第三反應器經配置以通過氧化所述金屬氧化物中間體使至少一種金屬氧化物再生。在優選的形式中，燃料為固體燃料或氣體燃料。任選地，將燃料轉化增強氣體(優選包括CO₂、蒸汽和/或H₂)送到其中使該氣體與固體流逆向流動的第一反應器。

還提供了制備為例如丸粒形式的陶瓷復合顆粒的方法，該方法包括以下步驟：將金屬氧化物與至少一種陶瓷材料混合以形成混合物，將該混合物成粒，和干燥該成粒混合物。將干燥、成粒的混合物加工成使得顆粒的特征長度大于約200μm的顆粒形式。所述顆粒在用于反應器系統之前在約500-約1500℃的溫度下熱處理并且可以任選地將它們還原和氧化。

考慮以下詳細描述、附圖和所附權利要求將更全面地理解由本文所述主題的實施方案提供的另外特點和優點。

附圖說明

當結合下面的附圖閱讀時可以最佳地理解本文所述主題的說明性實施方案的以下詳細描述，在所述附圖中相似的結構用相似的附圖標記表示并且其中：

圖1是其中提供了由煤和/或生物質產生氫氣和/或電的系統而不需要空氣分離單元(ASU)的實施方案的示意性圖解；

圖2A是將煤和/或生物質轉化為CO₂和蒸汽，并同時將復合顆粒中的Fe₂O₃還原為Fe和FeO的還原器的示意性圖解；圖2B和2C描述了還原器中固體燃料注入口和反應器出口的替代設計；

圖3是煤焦/生物質轉化增強方案的示意性圖解；