[發明專利]集成了制氧的分段化學鏈工藝

在審

• 申請號: 201380062854.6
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN104870894A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: 蒂賈尼·尼亞斯;穆拉德·V·尤尼斯
• 申請（專利權）人: 沙特阿拉伯石油公司
• 主分類號: F23C99/00
• 分類號: F23C99/00;F23L7/00;C01B13/02
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 丁業平;高釗

技術領域

本發明的實施方案主要涉及燃料燃燒工藝和系統。更具體地，本發明的實施方案涉及使用原位制氧以燃燒燃料并產生富二氧化碳(CO₂)的煙道氣流的兩段燃燒方法和系統，其中可以從所述煙道氣流捕集CO₂以用于以后的使用和/或者封存。

背景技術

在過去數年中，由于CO₂排放的增加，大氣中的溫室氣體濃度顯著升高。人們正在研究一些減緩技術(例如CO₂捕集與封存(CCS))以減少大氣中CO₂的排放。

減少CO₂排放的一種方法是從廢煙道氣中捕集CO₂。人們正在開發一些常規技術以在燃燒之前或者燃燒之后捕集CO₂。當使用環境空氣進行燃料的燃燒時，空氣中氮的存在稀釋了煙道氣中CO₂的濃度，因此不利于從煙道氣中分離CO₂。

人們正在評估一些另外的常規技術以從工業廢煙道氣中捕集CO₂從而克服常規氣體分離工藝的限制。然而，這些常規技術通常操作成本昂貴而難以實施。因此通常對有常規燃燒產生的煙道氣進行處理以捕集CO₂。由于使用空氣(即含氮)作為氧的來源以推進燃燒反應，導致煙道氣中的CO₂的濃度水平較低。

另一個這樣的常規技術是化學鏈燃燒(CLC)，其中在沒有氮的干擾下將氧氣轉移至燃料，從而在燃料氧化后產生CO₂和水蒸氣流。然后可以容易地除去水蒸汽(即通過冷凝)，留下高純度的CO₂流以供壓縮、運輸和/或者加工。至少因為這些原因，CLC作為減少CO₂排放的可行方法而得到廣泛地研究。化學鏈基于在空氣的存在下能夠被氧化并且在燃料的存在下能夠被還原的氧載體，從而將氧氣從空氣中轉移至燃料中。所述氧載體在空氣反應器中被氧化，其中所述氧載體與存在于空氣中的氧反應從而形成金屬氧化物或者氧載體氧化物。然后將氧化的氧載體供應到處于還原性氣氛中的燃料反應器，其中所述氧化的氧載體將自身的氧轉移到所述燃料，從而使得還原的氧載體用于空氣氧化的另一個階段。在燃料反應器中，根據燃料氧化程度以及所述化學鏈工藝用于燃燒還是轉化，所述燃料被氧化從而形成CO、CO_2,和H₂O等燃燒產物。

人們已經研究了一些用于CLC的氧載體。已經發現一些氧載體具有在燃料反應器中釋放氣態氧的特性，從而提高了燃料的氧化或燃燒。已經研究了數種用于化學鏈工藝的氧載體，發現沒有氧載體能解決傳統氧載體所面臨的所有挑戰(例如，氧輸送能力、高反應性、耐磨損性、成本、壽命等)。在許多情況下難以實現燃料的完全轉化，并且認為氧拋光是燃燒完成。在這種情況下，所需的氧由外部來源提供。

例如，原位制氧允許進行第二氧化步驟，其中全部的燃料可以完全地氧化，從而使燃料轉化率最大化。此外，在發電的情況下，通過提高氧燃燒或者氧化后所產生的煙道氣溫度，可以產生更高的新鮮蒸汽溫度，從而提高該工藝的總熱效率。

發明內容

一般而言，本發明的實施方案涉及集成制氧的兩段燃料燃燒的方法。某些實施方案提供化學鏈燃燒工藝，其中氧從空氣轉移至燃料中從而部分地或者完全地氧化所述燃料。如下文將更詳細地描述的那樣，根據某些實施方案，原位制氧提供第二氧化階段以進一步燃燒燃料，從而得到富CO₂的煙道氣流，其中可以捕集CO₂用于以后的使用和/或者封存。根據本發明的多個實施方案，分段的化學鏈燃燒工藝減少了燃燒過程后的CO₂后處理的需要，使得成本節約。

多個實施方案表明，可以并入具有在特定條件(稱為化學鏈解氧耦合(CLOU)效應)下釋放氣態氧的性能的氧載體，從而提高燃料的氧化，而與在常規燃燒工藝中使用的空氣反應器或者燃料反應器的床構造無關。特別地，根據本發明的實施方案，分段化學鏈燃燒工藝在第一階段在燃料反應器中使用具有CLOU效應的氧載體氧化所述燃料，然后在第二階段使用純氧完成燃料的氧化，所述純氧是由具有CLOU效應的氧載體釋放的氧生成的。