專利名稱：用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造二氧化碳和輸出燃料氣體的系統和方法
技術領域：
本發明大致涉及用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以在單獨氣流中制造ニ氧化碳和輸出燃料氣體的系統和方法。
背景技術：
消耗大量碳燃料的エ廠如發電廠、水泥廠和鋼鐵廠越來越多地在它們與燃料成本的揮發性和產品的價格相關的運行中以及在特別是與碳排放相關的監管和市場環境中需要靈活性。在這種情況下，存在要由采用燃料的混合物如煤和天然氣的礦物燃料而獲得的利益，所述燃料混合物引起通常不引起的排放懲罰、生物質和廢棄物。需要更換這種燃料的制造エ藝。這種靈活燃料廠可以以(a)全部碳排放，來自無封存的礦物燃料的燃燒，具有排放懲罰，(b)具有可忽略的排放,來自具有ニ氧化碳(CO2)的封存(sequestration)的礦物燃料的燃燒或者無封存的非礦物燃料的燃燒，(c)負排放，來自具有CO2的封存的非礦物燃料的燃燒中的任何方案來運行，這會是具有排放交易方案的收入的來源。最佳運行條件會因包括來自碳排放的輸入和輸出價格的市場變化性而在小時到天的時間量程上發生變化。另外，在エ廠使用期限的時間量程中，在長期運行成本中存在另外的不確定性，從而可能使得エ廠不經濟，這起因于用于CO2排放的監管環境的變化。在該環境中，需要靈活途徑以捕獲碳，其中エ廠可以以這些方案的任何方案運行。由于エ業處理工廠的高資本成本，對エ廠使用中的靈活性的需要特別重要。例如，操作者可具有使用燃料輸入，諸如各種等級的煤，天然氣(NG)，生物質或廢棄物的選擇。操作者還可以得益于選擇包括氫，合成天然氣(SNG)的衍生燃料產品和選擇是否處理用于封存的ニ氧化碳。需要可以使用各種燃料輸入以制造各種燃料輸出并具有和不具有碳捕獲的靈活性エ藝。下面考慮更具體的實例。ー個手段是減少來自固體燃料如煤的燃耗的CO2排放，生物質和廢棄物是來自通過在部分氧化氣化器中利用蒸汽和氧將這種固體燃料部分氧化而制造的合成氣的預燃燒碳捕獲。合成氣包含可燃性氣體、氫、一氧化碳和少量的甲烷和其他烴。其還包含大量的CO2和蒸汽。在該途徑中，通過與蒸汽的水煤氣轉移反應而產生其他CO2，將其分離、壓縮和封存，同時產生氫以作為燃料氣流。該エ藝基于用于發電的整體煤氣化聯合循環(IGCC)系統。據認為，在無CO2捕獲的情況下，該エ藝具有幾乎最大的發電效率。盡管部分氧化氣化技術對于固體燃料源是通用的，但是使用預燃料捕獲技術如Benfield分離エ藝和水煤氣轉移反應的脫ニ氧化碳導致顯著的能量損失，且CO2捕獲的成本顯著。另外，氫難以運輸和儲存，因此這種系統必須在需要時立刻制造氫。煤炭地下氣化由煤層直接制得合成氣。在兩種情況下，在高壓下，通常在超過20巴下發生氣化反應，并通過用水淬冷來控制輸出溫度，但是在氣體清除前最佳為約800-900°C，假定850°C。在大部分エ業部分氧化氣化器中，將純氧注入到氣化器中。在空氣分離単元中從空氣中提取壓縮氧。在其他部分氧化氣化器中，將壓縮空氣直接引入到氣化器中，結果使得合成氣也包含惰性氣體如氮和気。對于如下脫ニ氧化碳技術存在需求其能夠在存在或不存在惰性氣體的情況下，以低能量損失對由任何這些エ藝制造的合成氣進行脫碳來制造脫碳的氫燃料流以及單獨的ニ氧化碳氣流。另ー種氣化途徑是在氫化氣化器中利用氫，并經常利用蒸汽將固體燃料氫化氣化以制造包含可燃成分甲烷、一氧化碳和氫以及少量的其他烴的燃料氣體。可以將稱作氫化氣體的這種燃料氣體部分脫碳以制造供應回氫化氣化器中的氫氣流，稱作合成或代用天然氣(SNG)的富甲烷氣流以及用于封存的単獨CO2流。SNG制造僅是典型地具有約50%脫ニ氧化碳的部分脫ニ氧化碳エ藝，因為SNG攜帶約50%的初始碳和其他量的C02。氫化氣體的脫ニ氧化碳從氫化氣體中的CO和CO2中，但是不從甲烷中除去碳，從而確保SNG滿足NG的高發熱值規格。這種氫化氣體的部分脫ニ氧化碳可以將確定的預燃燒捕獲技術如Benfield、或胺エ藝與蒸汽和水煤氣轉移反應結合使用來實現。然而，該エ藝導致了顯著的能量損失，因此CO2捕獲的成本顯著。對于能夠以低能量損失將氫化氣體部分脫碳來制造氫氣流、SNG燃料流和単獨的ニ氧化碳氣流的脫ニ氧化碳技術存在需求。煤炭地下加氫氣化通過注入氫，根據需要利用蒸汽由煤層直接制得合成氣。可以如上所述對這種氫化氣體進行脫碳。需要減少來自NG、以及由此來自SNG的排放以進ー步減少CO2排放。通常，相對于每單位生成的熱能，來自NG/SNG的燃燒的碳排放為由固體燃料的燃燒排放的CO2的約50%以下。來自NG/SNG的燃燒的CO2排放的進ー步減少可以通過例如使用胺技術進行燃燒后的碳捕獲來實現。NG/SNG的預燃燒脫ニ氧化碳可以通過對NG/SNG進行蒸汽重整以制造合成氣，然后由部分氧化氣化器如上面關于合成氣所述的對合成氣燃料流進行脫ニ氧化碳來實現。這得到了用于燃燒的氫氣流和用于封存的単獨ニ氧化碳氣流。使用例如Benfieldエ藝的蒸汽重整、水煤氣遷移和CO2捕獲的分離處理步驟具有顯著的能量損失。對于能夠以低能量損失在單一反應器中對NG/SNG進行脫碳以制造脫碳的氫燃料流和単獨的ニ氧化碳氣流的脫ニ氧化碳技術存在需求。例如，發電機可以使用來自附近的煤、生物質或廢棄物源的固體燃料以由部分氧化氣化器來制造合成氣，并且還可以從煤氣管道或者從煤層提取獲得NG。在這種情況下，可以期望具有對合成氣或NG進行脫碳以對發電提供連續氫氣流的靈活性。在另ー個實例中，選擇發電機以由氫化氣體制造SNG且發電機可得益于將過量制造的SNG轉移到NG管道中，只要獲得典型的氣體分配系統的氣體儲存能力即可。這會使得即使對于電カ的需求低，氫化氣化器也可以在其最大容量下運行。在該途徑中，優選其中可以將脫ニ氧化碳エ藝由制造氫轉變為制造SNG，或其可分離的混合物的單步驟エ藝。考慮到關于SNG和CO2的市場，期望地對這種系統進行控制以滿足對于電カ的可變需求。因此，存在的需求是提供用于處理可變組成的輸入燃料氣體如合成氣，氫化氣體，NG，SNG或它們與蒸汽的混合物以制造具有控制組成的輸出燃料氣體和單獨的CO2氣流的系統和方法，其設法解決上述問題中的至少ー種。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造単獨的CO2和輸出燃料氣流的系統，所述系統包含脫碳劑部分(脫碳劑區段，decarbonisersegment),其被構造成使得至少ー種固體吸附劑在其中與所述燃料氣體和所述蒸汽發生反應從而除去來自所述輸入燃料氣體的碳并由所述脫碳劑制造排出氣體中的所述輸出燃料氣流；煅燒爐部分(煅燒爐區段，煅燒爐部分，acalciner segment)，其被構造成使得來自所述脫碳劑部分的固體吸附劑在其中發生反應以將作為CO2的碳釋放到0)2氣流中；其中所述系統被構造成使得分別對CO2分壓以及所述脫碳劑部分和煅燒爐部分中的溫度進行控制，使得所述脫碳劑部分中的溫度高于所述煅燒爐部分中的溫度，使得從所述脫碳劑向所述煅燒爐提供熱。所述脫碳劑可以被構造成使得所述蒸汽與所述燃料氣體中的一氧化碳或者由所述脫碳劑中的所述燃料氣體制造的ー氧化碳發生反應，從而制造用于由所述固體吸附劑吸附的CO2。所述脫碳劑可以被構造成使得所述蒸汽與所述燃料氣體中的烴發生反應從而制造一氧化碳和CO2中的ー種或兩種。所述系統可以進一歩包括用于在所述脫碳劑和煅燒爐部分之間進行熱交換的熱 交換單元；其中通過所述熱交換單元來提供由所述脫碳劑提供至所述煅燒爐的熱。所述輸出燃料氣流可以包含氫或甲烷。所述輸入燃料氣體可以包含合成氣、氫化氣體、SNG或NG。可以在所述脫碳劑部分中設置固體催化劑以激活反應從而由所述脫碳劑制造所述排出氣體中的輸出燃料氣體。可以將所述固體催化劑負載在所述脫碳劑部分中，或者可以將其與作為單獨顆粒的所述固體吸附劑一起混合，或者可以將其并入到所述固體吸附劑中。所述固體催化劑可以包含氧化鉄。所述固體催化劑可以與所述固體吸附劑混合，且所述固體催化劑的粒度可以大于所述固體吸附劑的粒度。所述固體催化劑的粒度可以等于或大于約150微米，并且所述固體吸附劑的粒度小于約125微米。所述系統可以進一歩包括用于向所述煅燒爐部分提供另外的熱的燃燒室。所述固體吸附劑可以包含石灰顆粒。所述石灰顆粒可以在約20-200微米的范圍內，并且在所述煅燒爐部分和脫碳劑部分的排氣處的溫度在約700-950°C的范圍內。所述系統可以進一歩包括用于向分配網絡進料輸出氣流的進料部(進料器，feed)。所述甲烷氣體分配系統可以包括現有的NG分配網絡(分配網)。所述NG分配網絡可以包含液化氣體的運輸部(transportation)和低壓氣體輸送部(low pressure gas delivery)。所述氣體分配網絡可以進ー步被構造成向被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器中輸送甲烷形式的輸出燃料氣體。所述被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器可以從所述甲烷產生單獨的氫和αν流股。所述系統可以進一歩包括用于向CO2氣體分配網絡進料CO2氣流的進料部。
所述CO2氣體分配網絡可以被構造成輸送用于封存(sequestration)的CO2氣流。所述CO2氣體分配網絡可以被構造成由被構造為預燃燒除去CO2的Endex反應器接收另外的進料。根據本發明的第二方面，提供一種用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造単獨的CO2和輸出燃料氣流的方法，所述方法包括如下步驟將脫碳劑部分用于使至少ー種固體吸附劑與燃料氣體和蒸汽發生反應從而由所述脫碳劑制造排出氣體中的輸出燃料氣體；將煅燒爐部分用于使來自所述脫碳劑部分的所述固體吸附劑在其中發生反應從而將CO2釋放到CO2氣流中；其中分別對CO2分壓以及所述脫碳劑部分和煅燒爐部分中的溫度進行控制，使得所述脫碳劑部分中的溫度高于所述煅燒爐中的溫度。在所述脫碳劑中，所述蒸汽可以與所述燃料氣體中的一氧化碳發生反應或者由所述脫碳劑中的所述燃料氣體制造的ー氧化碳發生反應，從而制造用于由所述固體吸附劑吸附的CO2。在所述脫碳劑中，所述蒸汽可以與所述燃料氣體中的烴發生反應從而制造ー氧化碳和CO2中的ー種或兩種。所述方法可以進一歩包括將熱從所述脫碳劑提供至所述煅燒爐。所述輸出燃料氣流可以包含氫或甲烷。所述輸入燃料氣體可以包含合成氣、氫化氣體、SNG或NG。所述方法可以進一歩包括在所述脫碳劑部分中提供固體催化劑以激活反應從而由所述脫碳劑制造所述排出氣體中的輸出燃料氣體。 所述固體催化劑可以包含氧化鉄。所述固體催化劑的粒度可以大于所述固體吸附劑的粒度。所述固體催化劑的粒度可以等于或大于約150微米，且所述固體吸附劑的粒度小于約125微米。所述方法可以進一歩包括將燃燒室用于向所述煅燒爐部分提供另外的熱。所述固體吸附劑可以包含石灰顆粒。所述石灰顆粒可以在約20-200微米的范圍內，并且在所述煅燒爐部分和脫碳劑部分的排氣處的溫度在約700-950°C的范圍內。所述方法可以進一歩包括向分配網絡進料輸出氣流。
所述方法可包括運輸液化氣體和低壓氣體輸送。所述方法可以進一歩包括向被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器中輸送甲烷形式的輸出燃料氣體。所述方法可以進一歩包括使用所述被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器可以從所述甲烷產生單獨的氫和CO2氣流。所述方法可以進一歩包括向CO2氣體分配網絡進料CO2氣流。所述方法可以進一歩包括將所述氣體分配網絡用于輸送用于封存的CO2氣流。所述方法可以進一歩包括由被構造為預燃燒除去CO2的Endex反應器接收用于所述CO2氣體分配網絡的另外進料。
結合附圖并僅通過實例，對于本領域的普通技術人員來說，由下述說明，會更好地理解本發明的實施方式且本發明的實施方式會顯而易見，其中圖I示出了根據示例性實施方式的說明用于靈活燃料Endex反應器的通用エ藝流程的示意圖。圖2示出了根據示例性實施方式的說明用于靈活燃料Endex反應器的エ藝流程和反應器系統的示意圖。圖3示出了根據示例性實施方式的說明包含具有節點的電力、NG/SNG管道和CO2網絡/管道，封存位點和NG/SNG位點的能量分配網絡的示意圖，所述節點為NG/SNG的源和NG/SNG的用戶。
圖4示出了根據示例性實施方式的エ藝的示意圖，其中布置大量靈活燃料Endex反應器從而(a)從固體燃料中提取CO2以制造SNG純天然氣流，(b)在煤至甲烷產生器中在采礦位點處或其附近提取CO2，或者在生物質至甲烷產生器中在生物質源處或其附近提取CO2和(c)在用于包括產生能量的低排放エ業處理的氫的制造中由天然氣/合成天然氣流提取CO2。圖5是示出用于實施圖I的通用エ藝流程且用于圖3的能量分配網絡和圖4的エ藝中的靈活燃料Endex反應器的另ー個實施方式的示意圖。圖6示出了說明用于根據示例性實施方式處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造単獨的CO2和輸出燃料氣流的方法的流程圖。
具體實施例方式靈活燃料Endex反應器(Flexible Fuel Endex reactor)將輸入燃料氣流脫碳為具有不同組成的可燃性氣體和ニ氧化碳氣流的輸出燃料氣流。將用于5個構造實施方式
10、20、30、40和50的靈活燃料Endex反應器的通用エ藝流程示于圖I中。實施方式10、
20、30和40說明了單一反應器110如何能夠被構造為用于不同的燃料流和不同的產物燃料流，而實施方式50說明了一對靈活燃料Endex反應器120、130如何能夠被串聯構造為用于另外的靈活性。如下所述，這些エ藝僅示出了氣體流動，且不包括固體吸附劑或催化劑的輸入和輸出或輔助系統。另外，未明確示出使用各種固體燃料諸如各種等級的煤、生物質或廢棄物來制造輸入合成氣或氫化氣體。應注意，靈活燃料Endex反應器可以有利地以通過用于在靈活燃料Endex反應器(110，120，130)中建立新的穩定狀態的時間來確定的輸入燃料之間的過渡時間，利用實施方式10，20，30和40中所示的任何輸入來運行。根據靈活燃料Endex反應器的實施方式的詳細說明，利用圖2中所示的エ藝流程,可證明，靈活燃料Endex反應器充當氣體轉換器(gas switch)。此外,靈活燃料Endex反應器能夠在實施方式10,20，30和40中所示的燃料輸入的混合物上運行，且能夠在由合成氣、氫化氣體、NG和SNG覆蓋的廣范圍的氣體組成上運行。這些燃料氣流的特征在于不同量的作為可燃性成分的甲烷、其他烴、氫和一氧化碳與作為不燃性成分的蒸汽、CO2和其他惰性成分。這些燃料氣體的溫度、壓カ和組成取決于它們的制備方法。氣流可以包含或不包含硫和其他不期望的氣體。優選在注入前由輸入氣體對這些少量組分進行洗漆。輸入壓力優選在15-40巴的范圍內且輸入溫度優選在400-900°C的范圍內。例如，如果考慮用于制造氫的輸入氣體轉換構造，則優選的是，輸入氣體壓力對于被調節為在氫氣流中提供恒定發熱值的氣流和質量流量相同。對于作為用于使用燃氣輪機進行發電的燃料的應用，還可以通過氫氣流中的過量蒸汽來調節沃布指數(Wobbe Index)。靈活燃料Endex反應器(110，120，130)優選通過優選利用空氣燃燒輸入或輸出燃料氣流而產生在反應器中發生的化學反應所需要的任何處理熱。處理熱包括輔助熱交換器所需要的處理熱和由蒸汽或燃氣輪機發電可能需要的處理熱。用于處理熱的輸入燃料氣體的燃燒產生具有碳排放的煙道氣，而脫碳氣流的燃燒產生少量的碳排放。氫氣流以可忽略的碳排放進行燃燒，同時伴隨不完全的碳酸化。在圖I的實施方式10中，輸入燃料氣流是可以由部分氧化氣化器制造的合成氣112，且輸出是氫燃料氣流116。在實施方式20和30中，輸入燃料氣體蒸汽是氫化氣體122、132，其分別用于制造甲烷或氫燃料氣流126、136。在實施方式40中，輸入燃料氣體是用于制造氫燃料氣流146的NG或SNG 142。在各實施方式中，將蒸汽114、124、134、144用于引發在反應器中制造CO2的化學反應，所述CO2 作為CO2氣流118、128、138、148被提取。在實施方式10、30和40中，輸出氣流是氫氣流，其中脫ニ氧化碳基本完全(具有典型的90%捕獲效率)，而在實施方式20中，輸出燃料氣體是甲烷126，在所述情況下，脫ニ氧化碳典型地為約45%。下面考慮這些反應的細節。在實施方式50中，將一對靈活燃料Endex反應器120、130串聯用于處理氫化氣體152，其中第一反應器120利用部分脫ニ氧化碳制造甲烷氣流156，而第二反應器130制造氫燃料氣流166，從而完成脫ニ氧化碳。在該構造中，輸出可以是來自第一反應器120的甲烷156和/或來自第二反應器130的氫燃料氣體166。相反，實施方式20和30使用單一反應器來將氫化氣體122、132處理為這些氣流中的任ー種。通過蒸汽輸入的量、不同催化劑的存在并通過提供外部加熱來控制構造20和30的不同輸出126、136。實施方式50的靈活性可以利用通過NG管道運輸甲烷而在幾百千米上將反應器物理分離。應理解，在這種情況下，如果管道是NG分配系統的一部分，則不太可能將相同的氣體用于第二反應器中。反而，エ藝會通過與NG管道操作者一致的供應和取出(指示為NG流162)，例如需要到管道中的SNG輸入滿足與輸入NG相同的規格而工作。為了完成在單一反應器中的實施方式10、20、30和40的上述エ藝，上述各エ藝有利地涉及反應性脫ニ氧化碳。即，輸入燃料氣流通常包含非常少的CO2，且CO2與合成氣輸入中一祥由輸入氣體中的CO制造，或者與氫化氣體輸入中一祥通過甲烷的蒸汽重整來制造。本領域的技術人員應理解，使得導致脫ニ氧化碳的這種轉化可行的基礎氣相化學反應在600-900°C的區域內活躍，從而使得CO2捕獲エ藝優選在這種范圍內運行。在反應器中發生的初步反應是實施方式10、20和50 (反應器120)中的水煤氣轉移反應(WGS)，以及實施方式30、40和50 (反應器130)中的WGS和蒸汽重整反應(SR)。這些反應是CCHH2O — C02+H2 水煤氣轉移CH4+H20 — C0+3H2 蒸汽重整在氫化氣體122和132、NG和SNG142輸入的情況下，兩種反應都發生，而在合成氣112輸入的情況下，僅發生WGS反應。這些反應通常在固態催化劑的存在下，在600-1000°C的范圍內在高溫下發生。燃料氣體中的烴還可以例如以CH4+2H20=C02+4H2的化學計量與蒸汽發生反應而形成co2。即，蒸汽可以與燃料氣體中的烴發生反應從而制造一氧化碳和CO2的ー種或兩種。這些反應不分離CO2，而是通過注入以固體碳酸鹽，例如以碳酸鈣CaCO3來提取CO2的CO2吸附劑如石灰(CaO)或煅燒白云石(CaO. MgO)來完成分離。凈效果是通過氣體脫ニ氧化碳反應，根據LeChatalier’ s原理，通過WGS和SR反應兩者的移動平衡，通過固體CaO顆粒吸附CO2增強了氫的形成，所述氣體脫ニ氧化碳反應在石灰作為吸附劑的情況下是CaO (s)+CO2-CaCO3 (S)氣體脫ニ氧化碳凈反應是C0+H20+Ca0 (s) —CaCO3 (s)+H2 吸附劑增強水煤氣轉移CH4+2H20+Ca0 (s) — CaC03+4H2 吸附劑增強蒸汽重整吸附劑增強WGS エ藝，SEWGS 已經由 S. Y. Lin，M. Harada, Y. Suzuki 和H. Hatano, uCO2Separation auring hydrocarbon gasification , Energy,30,2186-2193(2005)以及 S. Y. Lin,M. Harada, Y. SuzuKi ネロ H. Hatano, Process analysis for hydrogenproduction by Reaction Integrated Novel Gasification (HyPr-RING)，，，EnergyConversion and Management,46,869-880 (2005)所描述。利用水滑石的 SEWGS エ藝由2009 年 9 月，奧維耶多的 IEA Solid Network Looping Conference, P. D. Cobden, “HighCapacity Hydrotalcites” 所描述。吸附劑增強 SR 反應，SESR 由 Balasubramanian,B. ；Ortiz, A. L. ;Kaytakogiu, S. ；Harrison. , D. P. Hyarogen from methaneinsingle-step process", Chem. Eng. Science,1999,54,3543-3552 和 Ding. Y. ；Alpay,E. Adsorption-enhanced steam-reforming^, Chem. Eng. Science,2000, 55, 3461-3474 所描述。盡管很好地理解了 SESR和SEWGS反應，但是先前尚未描述如本文中所述的用于將它們應用于靈活脫ニ氧化碳的條件。常規的碳捕獲系統如胺或專利的溶劑技術不能在該溫度范圍內運行且在這些溫度下不能容忍燃料氣流中的活性物質。還可以通過蒸汽將燃料氣體中的少量烴組分重整為氫和ニ氧化碳。甲烷的蒸汽重整初始制造一氧化碳，然后通過WGS反應將其轉化為ニ氧化碳和另外的氫。在吸附劑增強WGS (SEWGS)和吸附劑增強SR (SESR)中，氣體的脫ニ氧化碳造成WGS和SR反應而制造另外的氫，從而驅動反應完成。理解了這些反應的熱力學，其中WGS反應輕微放熱且反應熱為-41. 2kJ πιοΓ1，SR反應以165. OkJ moF1強烈吸熱，并且脫ニ氧化碳反應以-179. 6kJmoF1強烈放熱。理解了這些反應的動力學，且WGS反應和SR反應兩者都通常在1000°C以下太慢，且由固體催化劑催化。在約850°C的溫度下，最常用的催化劑是混合價態氧化鉄，已知其催化兩種反應。在大多數WGS反應器設計中，氧化鐵發生燒結且喪失其催化活性。低溫WGS反應器使用更強大的催化劑如鎳。在エ業WGS和SR反應器中，通過負載在保持在反應器中的各種基材上而將催化劑保持在反應器中。已經對引入石灰，CaO作為在600-900°C的期望范圍內用于SEWGS和SESR反應器的吸附劑進行了研究。當裝載有CaCO3吋，將吸附劑運輸到煅燒爐反應器中，其中通過煅燒反應(焙燒反應)再生吸附劑CaO并以純氣流釋放CO2，將其冷卻并壓縮，CaCO3 — CaO (s) +CO2 煅燒將在氣體脫ニ氧化碳(或吸附劑碳酸化)反應器和煅燒反應器之間循環吸附劑的全部エ藝稱作最初由Temminck和Heesink (PCT W094/012034994)關于由煙道氣捕獲CO2和由水煤氣轉移反應器對燃料氣體捕獲CO2描述的鈣循環或氧化鈣循環。
在約850°C下SEWGSエ藝的主要障礙與CaO吸附劑的三種基本性能，即CaO顆粒在這些溫度和壓カ下的燒結，CaO顆粒的磨損以及CaO與如果存在的揮發性硫化合物如H2S和COS形成CaS的不可逆反應和與如果存在的揮發性氯化物制造CaCl2的反應相關。燒結通過在900°C以上由CO2和H2O兩者催化的熱燒結和約10%以上的吸附劑碳酸化的反應性燒結來進行。如果作為累積形成CaS、燒結或磨損的結果，必須補充吸附劑的比率非常高，則存在能量損失，因為CaO吸附劑首先通過煅燒石灰石CaCO3來制造。這種制造エ藝消耗能量并產生 CO2。零排放煤エ藝(J. . Ruby, A. Johnson, H. Ziock 和 K. Lackner, Proceedings of21st International Technica丄 Conference on Coal Utilization and Fuel Systems,Clearwater, Florida, 4-7，March 767 (2002))考慮使用石灰來制造甲燒,但是未建立分離CO2的有效手段。Sceats在"System and method for Processing Flue Gas^CPCT/AU2009/000613)中描述了對于煙道氣CO2分離的有效手段。通過引用將PCT/AU2009/000613的內容并入本文，且在本文中在所有方面都不再對其進行再陳述。所述工作描述了稱為Endex構造的吸 附劑碳酸化和煅燒反應器的構造，其中可以利用可忽略的附加能量來實現CO2分離。這通過熱耦合反應器來實現，使得它們作為耦合對來運行，其中在穩態條件下一個反應器放熱運行(碳化器)且另ー個吸熱運行，其中來自放熱反應器的熱自發地流向吸熱反應器。通過控制CO2排放壓力，將煅燒爐的溫度設定為低于碳化器的溫度，使得可實現這種條件。Endex構造的優勢在于通過低煅燒溫度使CaO的熱燒結最小化且通過以低碳酸化程度有效地運行反應器的能力使反應性燒結最小化。通過反應器壁或吸附劑傳遞或兩者的組合來發生熱傳遞。由此，在反應器系統中循環吸附劑和能量兩者。對于從煙道氣分離CO2，用于吸附劑碳酸化的能量等于煅燒的能量，從而優選不需要寄生能量損失如輻照熱損失之外的附加能量。本文中的示例性系統和方法實施方式描述了將Endex原理應用于燃料氣流的脫ニ氧化碳以由靈活燃料Endex反應器來制造脫ニ氧化碳的或部分脫ニ氧化碳的燃料氣體蒸汽和壓縮的C02。圖I的實施方式各自使用高溫CO2吸附劑循環以實現燃料氣體的脫ニ氧化碳。吸附劑通常是石灰石，但是可以使用其他高溫循環吸附劑如煅燒白云石CaO. MgO。實施方式還包括可以通過氧化鐵或其他催化劑實現的反應的催化，所述氧化鐵或其他催化劑為利用CO2吸附劑循環的粒子狀或者保持/負載在其中需要催化劑的反應器中的負載催化齊U。可以發現石灰石在顆粒中包含CaCO3和氧化鐵作為組分，因此在ー個實施方式中吸附劑石灰顆粒包含催化劑。或者，如果在諸如Ca(OH)2的沉淀的エ藝中制備石灰吸附劑，則可以在所述階段添加催化劑。即，可以將固體催化劑負載在脫碳劑反應器或與作為單獨顆粒的固體吸附劑混合或并入到固體吸附劑中。在實施方式中，使用石灰顆粒作為固體吸附劑，顆粒優選在約20-200微米的范圍內，并且在煅燒爐和脫碳劑的排氣處的溫度在約700-950°C的范圍內。示例性實施方式中的靈活燃料Endex反應器通常包含三個部分(區段)。第一部分是氣體脫碳劑，其利用高溫吸附劑使用SEWGS或SESR反應來對輸入氣流進行脫碳，并且通過控制對其他部分的耦合和輸入氣流的蒸汽含量，規定燃料氣體輸入的反應以制造需要量的燃料氣體和裝載CO2的固體吸附劑流股。該反應器包含負載且保持在反應器中或者利用CO2吸附劑運輸的催化劑。第二部分是煅燒爐，其再生吸附劑并制造用于壓縮和封存的CO2氣流。CO2氣流的壓カ用于控制氣體脫碳劑中的脫ニ氧化碳程度，并且優選是控制碳酸化程度的手段。第三部分是燃燒室，其將燃料燃燒以產生成比例地供應至氣體脫碳劑和煅燒爐的處理熱，從而控制反應器的運行。將這三個反應器部分熱耦合，使得可以在它們之間流動熱。熱可以通過普通的反應器壁流動或者可以在反應器之間傳遞，后ー種機制能夠規定熱傳遞的量并根據需要控制氣體脫碳劑和煅燒爐部分中的反應程度。優選通過對煅燒爐的熱損失來抑制氣體脫ニ氧化碳反應器中的溫度上升，在所述煅燒爐中也限制了溫度下降。在本發明中，將Endex反應器的應用擴展至其中在Endex反應器的氣體脫碳劑部分中存在一種或多種燃料氣體的化學反應的用于燃料氣體的情況。在本文中將這種構造稱作靈活燃料Endex反應器。在所關注的特定情況中，主要的化學反應是CO與蒸汽的WGS反應和甲烷與蒸汽的SR反應。化學反應的存在通常需要處理熱，所述處理熱由明確地作為控制期望反應的手段的単獨燃燒室部分，以規定的量明確地提供。在Endex反應器中，通過規定用于恒定輸入的CO2排出氣體壓力來控制從煙道氣的CO2分離。在靈活燃料Endex反應器中，通過規定CO2排出氣體壓力以及蒸汽輸入的燃料氣體輸出流股的化學組成和碳捕獲程度，以及從燃燒室部分到氣體脫碳劑和煅燒爐部分的每ー個中的熱傳遞控制CO2分離。 圖2示出了 WGS靈活燃料Endex反應器200實施方式，其中在三個反應器部分，氣體脫碳劑201、煅燒爐202和燃燒室203之間傳遞熱。到反應器的輸入是合成氣206、氫化氣體208和NG/SNG 210。這些是圖I中考慮的輸入燃料氣流選擇。考慮到各輸入氣流的溫度和壓力，可以通過可用于選擇或混合燃料氣流的氣體閥系統212來選擇輸入。將所得氣流214與蒸汽216 —起注入到氣體脫碳劑部分201中。將質量流量、溫度、壓カ和到該部分中的熱交換用于控制SEWGS和SR反應的程度。例如，SESR反應輕微放熱且反應熱為-14. 6kJ πιοΓ1，因此產生的熱比較小而實現平衡。另ー方面，SEWGS反應高度放熱且反應熱為-220.8kJ πιοΓ1，因此產生的熱比較大。產生的熱的一部分可用于對輸入氣流214和216進行加熱。下面考慮控制熱傳遞以提供期望的輸出燃料氣流218的手段。蒸汽輸入216通過在鍋爐222中對水220進行加熱而產生，這需要處理熱224。到反應器201的吸附劑輸入226包含來自煅燒爐202部分的流股228。可以存在通過氣體脫碳劑201和煅燒爐202部分之間的壁的熱傳遞230以及在氣體脫碳劑200和燃燒室203部分之間的熱傳遞(未示出)。前ー種熱流動的方向通過總體靈活燃料Endex反應器200穩定狀態來確定，而燃燒室203通常處于比其他反應器部分201、202的溫度更高的溫度。將現在裝載有CO2的吸附劑排氣232傳輸(234)至煅燒爐202部分以再生。在氣體冷卻器236中對燃料氣體輸出218進行冷卻并根據煙道氣流240的指定應用所需要的來提取熱238。在一些應用中，將熱壓的輸出煙道氣流240直接注入到エ業處理中，例如用于產生電カ。在其他應用中，在氫分離器242中將烴和氫成分分離以得到富氫氣流244和富甲烷氣流246(即基本為SNG)。可以將輸出240中的任何過量蒸汽作為水(未示出)從氣流240中冷凝，并進行循環。可以根據需要在燃燒室部分203中通過閥248將富氫氣流244分離為兩個流股，產物流股250和用于燃燒的處理燃料氣流252。在煅燒爐部分202中，引入新鮮石灰石顆粒和催化劑的固體進料254以補充吸附劑和催化劑。在該實施方式中，催化劑可以是一次性的、低成本的氧化鐵顆粒。在其他實施方式中，催化劑可以負載在反應器中或可以為礦物石灰石進料中的期望成分。在SEWGS的情況下，認為CaO和MgO兩者都在感興趣的溫度范圍內充當催化劑。煅燒爐反應是吸熱的SEWGS或SESR凈反應且需要+179. 6kJ mo Γ1的熱而與是否產生CO2無關。這種熱主要通過來自用于SEWGS的氣體脫碳劑201或用于SESR的燃燒室203的熱傳遞獲得。這種熱由壁熱傳遞230、258以及吸附劑流228、254、256、234、260和262獲得。將用過的吸附劑/催化劑262從煅燒爐202排出，且可以由該流股中提取熱并將其用于對輸入吸附劑/催化劑254進行預加熱。系統200的主要控制參數是(a)煅燒爐202排氣中的CO2壓力的設定，(b)在燃燒室203中釋放的熱能的控制和(c)在各反應器之間的吸附劑的質量流量。利用熱268的放出而在氣體冷卻器266中對CO2產物流股264進行冷卻并在壓縮系統272中對冷卻的CO2流股270進行壓縮，從而提供適用于通過應用電カ276來運輸和封存的壓縮CO2液流274。燃燒室部分203使用氫滑流252或替代燃料278來產生所需要的處理熱，所述替代燃料278可以為合成氣206、氫化氣體208、NG或SNG 210的輸入燃料氣流中的ー種。將氫用于在空氣280中燃燒產生低碳排放煙道290，而使用一種其他輸入流股產生具有顯著CO2的煙道氣。對于SEWGS反應，燃燒室203所需要的熱量小且所述熱量起因于熱損失等，而對于SESR反應，將可觀的處理熱用于確保主要通過來自燃燒室203的熱傳遞來滿足+179. 6kJmoF1的吸熱煅燒爐202的熱能需要，而在SEWGS反應器中，煅燒爐202主要通過來自氣體脫碳劑201的熱傳遞來運行。基于此，很明顯，當煅燒爐202在最低溫度下時對于兩種反應都會發生自發的熱傳遞。這是靈活燃料Endex構造與其中煅燒爐在比氣體脫碳劑高的溫度下的其他SESR和SEWGS反應器エ藝相比的ー個區分特征。在這種現有技術中，通過燃料與氧在煅燒爐內的燃燒來產生熱，從而確保排出氣體主要是CO2和蒸汽。氧產生是昂貴的エ藝。在示例性實施方式中，反應器的有效熱耦合有利地導致有效的脫ニ氧化碳エ藝。反應器200的設計優選考慮從煅燒爐202部分到氣體脫碳劑201部分和燃燒室203部分兩者的熱傳遞。為了對反應器的尺寸進行按比例調節，優選的是，主要通過吸附劑來傳遞熱。因為氣體脫碳劑201部分在高壓カ下，所以如果燃燒室203也在氣體脫碳劑201的高壓カ下運行，則存在機械設計益處。在這種實施方式中，使用高壓カ燃燒的另外益處是可以產生電力。利用電カ284的消耗通過壓縮機282對空氣輸入280進行壓縮，在燃燒室203中對其進行加熱以提供熱煙道氣286，其在渦輪膨脹機288中膨脹而產生電力290。可以燃燒充分的燃料，使得來自膨脹的電輸出290可滿足空氣壓縮機284和CO2壓縮機276，以及諸如通過氣動運輸和閉鎖料斗處理固體所需要的在系統201中使用的任何其他輔助設備的電カ需要。從燃燒室203部分到煅燒爐202部分的熱傳遞可以通過從260處的煅燒爐202通過燃燒室203運輸大量的吸附劑來控制，并且將292處的加熱的吸附劑排氣循環到256處的煅燒爐202中。可以將煙道氣294進ー步冷卻以提取用于回收的熱。可以通過使用高固體流將吸附劑的碳酸化程度有利地降低至約6%，從而降低反應性燒結的效果。通過這種熱傳遞來降低溫度變化意味著，降低吸附劑的熱燒結。然而，吸附劑仍然典型地經歷磨損和硫化，且可以周期性地補充。在具體化本發明的圖2的靈活燃料Endex反應器200中，將吸附劑和如果需要的催化劑循環，且氣體流動是連續的。連續流動反應器在制造系統中會是優選的。連續流動在如下情況中也會是優選的其中在火焰易受氣體流動的變化影響的燃燒エ藝中連續消耗所得的燃料如氫。認為可以將壓載艙和閥用于使這種系統中的氣體流動平穩。吸附劑流動系統的優勢包括優選作為ー個問題而除去磨損，且可以通過向反應器中滲入和滲出材料來簡、單地實現用于彌補燒結和硫化兩者的吸附劑和催化劑替代。對于該實施方式中的應用，本發明人認為，蒸汽和燃料氣體的輸入氣體質量的大部分作為CaCO3而被吸附劑捕獲，且留下的低質量的氫氣體不能通過氣體脫碳劑而運送吸附劑。因此，圖2中所示的靈活燃料Endex反應器200由三個停止部分201、202和203構成，并且通過用于從部分201、202和203的底部的每ー個運送顆粒流股的熱氣體進行氣動運輸以注入到接收反應器的進料口中。靈活燃料Endex系統如圖2中所示的系統對任意輸入燃料氣流如206、208、210或它們的混合物進行處理以制造需要的輸出燃料氣流如246、250和CO2流股274。如果輸入氣流不包含甲烷，則不會產生甲烷，且如果SNG或NG是純輸入，則會在邏輯上優選將系統運行條件控制為消耗SNG/NG，因此會將甲烷輸出設定為可忽略。即，會通過上述控制來設定運行條件以實現圖I中所示的結果的ー種。在靈活燃料Endex構造中，也通過將煅燒爐202排氣的溫度組織為低于氣體脫碳劑201排氣的溫度，從而使得熱自發地從氣體脫碳劑201流向煅燒爐202，且將能量循環而有利地使對外部能量輸入的需要最小化。這可以通過控制CO2分壓來實現。類似地，在靈活燃料Endex構造中，優選對燃燒室203溫度進行設定，使得其也高于煅燒爐202的溫度，從 而使得熱自發地從燃燒室203流向煅燒爐202。這可以通過控制燃料氣體252或278到空氣280的質量流量來實現。這些熱流動通過壁熱傳遞和吸附劑/催化劑熱傳遞兩者而自發地將能量從更熱的氣體脫碳劑201和燃燒室203部分傳遞至冷卻器煅燒爐202。如果可以使吸附劑流量充分高，則可以對反應器進行構造，使得不需要通過壁的熱流動。這意味著，催化劑固體不必負載在反應器中，而是可以利用吸附劑固體夾帶而移動通過反應器。容易替代催化劑的能力是指有利地，可以適當地使用直接來自礦藏或者作為石灰石中的雜質的氧化鐵顆粒，因此有利地，繞過利用CuO預處理氧化鐵的需要。即，如果CaO和氧化鐵兩者作為在兩個反應器部分之間循環的顆粒存在，則可以將它們容易地替代。優選的是，CaO吸附劑顆粒小于約125微米，因此在顆粒內以不受氣體和熱運輸抑制的快速度均勻地發生煅燒-碳酸化反應。催化劑顆粒可以例如在150-250微米的范圍內，因此根據需要可以將吸附劑和催化劑固體流股與用過的固體分離。高固體流動的其他優勢在于，僅需要部分碳酸化，且如果將這保持為小于約6%以使反應性燒結最小化，則當在反應器部分201、202之間運輸吋，每個顆粒可優選充當其自身的熱浴，且可以使通過壁的熱傳遞最小化。使壁熱傳遞最小化可促進按照大系統成比例地調節反應器。在圖2中的靈活燃料Endex反應器200中，顆粒間的快速熱交換是優選的，使得固體催化劑顆粒有助于熱交換，且能夠促進反應器部分201、202和203之間的熱交換。通過燃燒室部分203處理吸附劑具有大量ニ級益處。首先，燃燒可除去由氣體脫碳劑部分201中的吸附劑和催化劑顆粒上的Boudouard副反應累積的任何碳，否則所述碳可聚集并妨礙顆粒表面上的各煅燒/碳酸化，WGS和SE反應。其次，燃燒室203提供氧化環境，而氣體脫碳劑201是還原環境，因此可以通過控制在各反應器中的停留時間將氧化鐵催化劑優選地保持在擔負催化活性的磁鐵礦的混合價態氧化態FeO. Fe2O3中。應注意，磁鐵礦通常作為石灰石沉積物中的雜質礦物而產生，且在氣體脫碳劑200中具有優選高固體裝載的情況下，可以獲得需要的催化活性而不需要添加単獨的磁鐵礦顆粒。在単獨添加磁鐵礦的情況下，可以通過它們的磁性而將剩余的磁鐵礦顆粒與用過的吸附劑流股分離并再次注入到新的吸附劑流股中。
在燃燒室203中消耗的燃料氣體的量優選對化學エ藝提供充分的熱并彌補來自寄生輻照和導電損失的靈活燃料Endex反應器200的溫度損失。來自燃燒室203的熱的煅燒爐202中的吸附劑顆粒的溫度升高使得煅燒爐202中的CO2的溫度升高，且CO2的分壓增大。較高CO2分壓的益處是降低了從煅燒爐202中泵抽CO2所需要的能量。優選實施方式中利用最小能量輸入從燃料氣流中連續提取CO2,同時將主要氣流的溫度維持為近似最佳的能力對于預燃燒碳捕獲非常重要，原因不僅在于凈能量損失非常小，而且在于可以在用于在聯合循環(CC)エ藝中進行燃燒以產生電的高的溫度和壓カ下使氣體可連續獲得。靈活燃料Endex反應器使得用于發電的整體煤氣化聯合循環(IGCC)エ藝可以進行預燃燒碳捕獲，在所述エ藝中通常將合成氣看作來自固體燃料的燃料氣體的源，但是可以將氫化氣體等同地用于制造燃料氣體。靈活燃料Endex反應器使得天然氣聯合循環(NGCC)エ藝可以進行預燃燒碳捕獲，在所述エ藝中燃料氣體是NG或SNG。這證明了靈活燃料Endex反應器的靈活性。從燃氣輪機系統的操作者的觀點來看，靈活燃料Endex反應器使得燃氣輪機可以與從煤到NG的各種燃料源一起使用。因此，對于發電廠的20-30年的運行時間，用于發電廠的大投資費用優選不受困于燃料的特別選擇。
將具體化本發明的靈活燃料Endex反應器集成到IGCC流股中是基于如下觀察圖2中的氫氣流250是(a)在30-40巴范圍中的燃氣輪機需要的高壓カ下；和(b)和高溫度的氣體攜帶不需要由燃氣輪機燃燒提供的高熱能以及(c)氫氣流的蒸汽和惰性氣體含量在燃氣輪機的效率中是有利的。因為已經通過靈活燃料Endex反應器中的低溫エ藝產生了輸入氫氣流中的能量，所以在燃氣輪機中產生的NOx的量顯著下降。燃燒室203中的能量消耗由氫氣流中的熱補償，使得總的來說，在IGCC/NGCCエ藝中產生的全部電能中存在可忽略的熱效率損失。在一個實施方式中，將優選由石灰石(CaCO3)制造的石灰(CaO )用作充當用于本文中所述的各種エ藝的催化劑且充當CO2吸附劑的無機鹽。在其他實施方式中，可以使用由磁鐵礦或白云石制造的其他材料如氧化鎂(MgO)、煅燒白云石(MgO. CaO)或半煅燒白云石(MgO. CaCO3X其他材料包括催化劑如碳酸鉀、碳酸鈉、硝酸亞鐵、硝酸鎳(II)和硫酸亞鐵。Sceats 和 Horely (PCT/AU2007/000424)描述了ー種其中將蒸汽用于催化由 CaCO3制造CaO的閃速煅燒爐，且可以通過水冷凝將CO2與蒸汽分離而將所述エ藝用于制造用于這種應用的CaO，通過引用將所述文獻的內容并入本文。在另ー個實施方式中，可以在常規爐中制造CaO，其中來自煅燒和燃燒兩者的CO2排放有助于整個エ藝的碳足跡。CaO制造エ藝優選制造具有高表面積的CaO以在靈活燃料Endex反應器中提供與CO2的快速反應動カ學。用過的吸附劑/催化劑流股262主要包含石灰CaO。應理解，可以將石灰注入到氫化氣化器或部分氧化氣化器中以從氫化氣體和合成氣體流股中以CaS提取硫。在氫化氣體方面，石灰可通過其作為用于固體燃料的氫化的催化劑的影響而具有附加的益處。下面，對利用天然氣分配網絡的能量產生網絡的實施方式進行描述以將燃料，如基本為甲烷的燃料輸送至發電系統，在所述發電系統中，首先在這些各固體原料的源處或其附近，在由煤或生物質的氣化產生甲烷的源處進行有效的CO2捕獲，或者在井口處或其附近由天然氣進行有效的CO2捕獲，其次，在發電或其他エ業處理的源處進行有效的CO2捕獲，從而使得建立用于能量使用的低CO2排放エ藝。
參考圖3，能量網絡300包含電カ傳輸和分配網絡301 ;壓縮的NG管道網絡302，其包括運輸作為液化天然氣的NG，且將天然氣低壓輸送至消費者；以及ニ氧化碳(CO2)分配網絡/管道303，其可以最初通過使用攜帯壓縮CO2或作為固體CO2的干冰的油槽車，駁船或船來進行。當關于CO2捕獲和封存的要求發展時，期待在可實行的地方發生用于CO2的管道的轉出。NG網絡/管道302可用于運輸SNG，條件是SNG的組成和發熱值的規格滿足NG的組成和發熱值。將NG網絡302從ー個或多個NG源304進料并將NG輸送至ー個或多個發電廠305如NG，NGCC或CHP燃氣輪機發生器和エ業加工廠306，其可以包括例如水泥廠和鋼鐵廠。通常，NG源304在偏遠場所，而發電廠305和エ業加工廠306位于大城市區域或其附近以接近人群，且在電的情況下，優選地以降低電カ傳輸損失。
可以由通過例如煤307或生物質308的氫化氣化制造的SNG來供應這種NG網絡302。在本文中煤是指任何非氣相礦物燃料如各種等級的煤，包括褐煤或泥煤、焦油砂和油頁巖。用于煤、焦油砂或油頁巖的氫化氣化器可以是エ業裝置或者可以在礦物燃料沉積物中在地下或海下進行氫化氣化工藝。CO2由大量源產生；由自身包含CO2作為雜質的天然氣產生；由煤和生物質的氫化氣化產生；由エ業處理如水泥、石灰、鋼鐵、發電和住宅用戶產生。通常，來自住宅用戶的CO2捕獲是不可行的。來自其他上述用戶的每ー種的CO2排放是使得期待對它們進行提高的規定、稅和容許以降低人類的CO2排放的等級。能量網絡300的優勢在于，可以在大的地下儲層310中儲存SNG/NG，從而可以在需要時立刻產生電カ而不需要關閉任何SNG生產エ廠。NG/SNG儲層可有利地是關于能量安全性的重要考慮。所述的能量網絡300的另ー個特征在于，在放置燃料的位點如煤田和生物質種植園處，優選將中到低發熱值燃料如煤轉化為高發熱值燃料如SNG。在所述處理中，以CO2捕獲約50%的來自煤的碳，并且通過NG/SNG網絡302將主要為甲烷形式的剩余物作為SNG傳輸到其中可捕獲剩余的50%碳的エ業或大城市中心。如果每個處理具有例如90%的捕獲效率，則在NG/SNG處理位點(104，107，108)處發生約45%的CO2捕獲且在終端用戶位點中捕獲約45%。每個NG/SNG產生器和每個NG/SNG終端用戶原則上具有通過用于封存的CO2運輸網絡303傳輸單獨的CO2的機會。用于圖3中所示的示例性實施方式中的能量網絡300的使能技術是具有可提供的高CO2捕獲效率的CO2分離技木。通常，CO2捕獲優選在高氣體壓カ下進行，因為這典型地降低了成本，原因在于較小的體積流量意味著較低的物理足跡且在于如果CO2在比常規的大氣燃燒系統中產生的壓カ更高的壓カ下，則任何CO2分離過程會具有較高的效率。能量網絡300使用預燃燒CO2捕獲系統，其中首先通過NG/SNG產生器且其次通過NG/SNG最終用戶以兩個階段由燃料源來提取C02。能量網絡300的靈活性包括打開或關閉CO2捕獲エ藝以滿足要求和規定的能力。在大多數現有CO2捕獲技術中，與CO2捕獲設備相關的能量損失使得其會優選繞過CO2捕獲單元，且如果關于CO2的要求或價格太低，則將它們關閉。然而，大型加工廠的穩定性使得它們難以斜升和下降，且該エ藝可以花費幾小時至幾天。另ー方面,包括參考圖I和2如上所述的靈活燃料Endex反應器的靈活燃料Endex反應器具有足夠低的熱能損失，使得如果關于CO2的要求或價格太低，則在關閉CO2分離エ藝時沒有優勢。反而，可以將CO2有利地局部儲存以用于封存用之后傳輸，或者可以將其排出，或者另外配置在其他エ業處理中。能量網絡300優選具有下列特征a.用于除去用于NG/SNG制造的CO2的捕獲系統應該能夠在關閉NG/SNG制造エ藝的任何水平下運行，且在NG/SNG制造エ藝的斜升/緩降中不是決定因素。關于該エ藝中的CO2捕獲的損失低，因此NG/SNG的制造與碳封存的經濟學分離。b.用于從例如發電系統除去CO2的最終用戶捕獲系統以小能量損失運行，使得其輸出會用于燃氣輪機動力単元中而與是否因規定或經濟原因而需要CO2捕獲無關。S卩，如果不保證或需要CO2封存，則唯一要做的運行決定為是否排出co2。通常，不可能利用任何燃料最佳地運行燃氣輪機，且通常使渦輪機最佳化且以單一燃料組成運行。例如通過燃料的沃布指數來對這進行設定。盡管多噴嘴燃氣輪機系統可以排除這種需要，但是優選的是，保持氣體組成而與對氫制造的需要無關。
在圖4中，在系統中以三個角色明確示出了靈活燃料Endex反應器在能量網絡400中的應用，其中示出了用于電カ401、NG/SNG 402和C02403的三種網絡。在第一靈活燃料Endex反應器404中，將來自井口源的NG，405的輸入流股注入到將C02406與甲烷407分離的反應器中，且分別將各氣流注入到相應的管道403、402中。井口氣體的蒸汽含量優選低，或者對燃料進行干燥，從而對蒸汽重整反應進行淬火，使得未將氣流中的甲烷轉化為氫。盡管如此，少量氫仍優選確保在反應器中不形成碳沉積物。在該第一 Endex反應器604中，石灰吸附劑(未示出)從氣流提取C02。本領域的技術人員應理解，石灰也優選通過硫化作用除去硫而形成CaS，可以在之后對其進行氧化以形成石膏。將第二靈活燃料Endex反應器408用于在氫化氣化器単元410中驅動由用于氣化煤或生物質原料409的甲烷產生氫。氫化氣化器410產生基本上為甲烷的氣流411。利用蒸汽413將該氣流412的一部分注入到靈活燃料Endex反應器408中，從而使得蒸汽重整反應產生足夠的氫414以用于氫化氣化器。將甲烷氣流415的其他部分注入到NG/SNG管道402中，且將來自靈活燃料Endex反應器的CO2流股416注入到CO2網絡/管道403中。本領域的技術人員應理解，靈活燃料Endex反應器中的石灰(未示出)還優選從氣化器的輸出中捕獲硫。可以將用過的CaO吸附劑用于保護床，從而從甲烷氣流415中除去硫。第一種兩個Endex反應器404、408證明了，可以在甲烷的制造中完成從NG、煤、焦油砂、油頁巖或生物質中除去C02。在第一種情況下，作為氣體清除エ藝的一部分，在氣流中作為雜質而除去CO2,而在第二種情況下，在煤或生物質到甲烷的轉化中將CO2除去。典型地，這意味著，以約90%的效率運行的Endex反應器會除去原料中約45%的碳，同時剩余的碳在甲烷氣體中。在圖4中，將來自這兩種源的甲烷注入到NG/SNG管道402中。通過作為能量源的最終用戶來提取NG/SNG。根據原料的組成，與煤或生物質相比，對于相同的熱能，甲烷的燃燒有利地產生約50%以下的C02。系統400優選由使用原料作為燃料而將排放降低45%以上。盡管具有這種益處，但是NG/SNG的用戶會在規定壓力下以降低它們的CO2排放。來自燃氣輪機的CO2的燃燒后捕獲通常因為CO2在燃氣輪機排氣中的非常低的分壓而太難。然而，圖4中所示的第三靈活燃料Endex反應器422說明了，可以通過使甲烷流股420與蒸汽421發生反應以制造氫423來捕獲CO2，所述氫423用作用于基于氫的燃氣輪機424的燃料以產生電カ425，將所述電カ425運輸到電網401中。將來自靈活燃料Endex反應器的CO2流股426注入到用于封存的CO2網絡/管道403中。圖5是示出了靈活燃料Endex反應器500的另ー種實施方式的示意圖,所述靈活燃料Endex反應器500用于實施圖I的通用エ藝流程且用于圖3的能量分配網絡和圖4的エ藝中。更特別地，靈活燃料Endex反應器500基于氣體轉換。在該示例性實施方式中，對反應器系統502的可轉換的脫碳劑和煅燒爐部分510、506的入口設置燃料氣體和蒸汽輸入流股501。在脫碳劑部分510、506中，WGS或SR反應隨燃料氣體繼續進行，且在部分510、506和燃燒源(未示出)之間傳遞熱。 在第一轉換構造中，到第一部分506中的入ロ閥504處于打開位置，而到第二部分510中的入口閥508處于關閉位置。類似地，第一部分506的出口閥512處于打開位置，而第二部分510的出口閥514處于關閉位置。另外，第一部分506的CO2排氣閥516處于關閉、位置，而第二部分510的CO2排氣閥518處于打開位置。在這種轉換構造中，第一部分506用作用于布置在靈活燃料Endex反應器500的第一部分506中的固體吸附劑和固體催化劑520的第二部分520的脫碳劑反應器，而第二部分510用作用于布置在第二部分510內部的固體吸附劑和固體催化劑520的第二部分522的煅燒爐。本領域的技術人員應理解，通過周期性改變轉換構造以反轉圖5中的所有閥位置，靈活燃料Endex反應器500的第一和第二部分506、510可用作用于固體吸附劑和固體催化劑的各第一和第二部分520、522的脫碳劑或煅燒爐。應理解，在該實施方式中，可以使WGS碳化器和煅燒爐之間的熱交換最佳化，因為在脫碳劑和煅燒爐“之間”不需要吸附劑的物理傳遞。在該實施方式中，省略了用于在第一和第二部分506、510中控制CO2分壓的元件。在一個實施方式中，通過閥(未示出)，打開閥508、504、516和518，關閉閥512和514，將輸入流股501轉換為燃燒氣體和空氣或者來自外部燃燒室的熱煙道氣的流股并通過閥(未示出)將由CO2壓縮系統通過閥516和518的排出氣體轉換為煙道氣，從而使得CO2流股不被煙道氣污染，可以提供通過燃燒エ藝加熱吸附劑。所述エ藝可以被構造為通過使用兩個以上圖5中所示的反應器系統502并在兩個反應器系統之間轉換燃燒氣體來持續。在另ー個實施方式中，可以通過經由圖5中所示的反應器系統502的壁的外部熱傳遞，并對到各部分506、510的加熱循環進行定時以提供在部分506、510中維持各反應所需要的熱，來提供吸附劑的加熱。圖6示出了說明根據示例性實施方式的用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造單獨的CO2和輸出燃料氣流的方法的流程圖600。在步驟602處，將脫碳劑部分用于使至少ー種固體吸附劑與燃料氣體和蒸汽發生反應從而從輸入燃料氣體中除去碳并由脫碳劑制造排出氣體中的輸出燃料氣流。在步驟604處，將煅燒爐部分用于使來自脫碳劑部分的固體吸附劑在其中發生反應從而將CO2釋放到CO2氣流中，其中分別對CO2分壓以及脫碳劑和煅燒爐部分的溫度進行控制，使得脫碳劑部分的溫度高于煅燒爐的溫度。本領域的技術人員應理解，在不背離廣泛所述的本發明的精神或范圍的情況下，可以如具體實施方式
所示出的對本發明進行大量變化和/或修改。因此，認為本實施方式在所有方面都是示例性和非限制性的。
權利要求
1.一種用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造単獨的CO2和輸出燃料氣流的系統，所述系統包括 脫碳劑部分，其被構造成使得至少固體吸附劑在其中與所述燃料氣體和蒸汽發生反應從而除去來自所述輸入燃料氣體的碳并由所述脫碳劑制造排出氣體中的所述輸出燃料氣流； 煅燒爐部分，其被構造成使得來自所述脫碳劑部分的固體吸附劑在其中發生反應以將作為CO2的碳釋放到CO2氣流中； 其中，所述系統被構造成使得分別對CO2分壓以及所述脫碳劑和煅燒爐部分中的溫度進行控制，使得所述脫碳劑部分中的溫度高于所述煅燒爐部分中的溫度，從而從所述脫碳劑向所述煅燒爐提供熱。
2.根據權利要求I所述的系統，其中，所述脫碳劑被構造成使得所述蒸汽與所述燃料氣體中的一氧化碳或者由所述脫碳劑中的所述燃料氣體制造的ー氧化碳發生反應，從而制造用于由所述固體吸附劑吸附的co2。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述脫碳劑被構造成使得所述蒸汽與所述燃料氣體中的烴發生反應從而制造一氧化碳和CO2中的ー種或兩種。
4.根據前述權利要求中任一項所述的系統，還包括用于在所述脫碳劑和煅燒爐部分之間進行熱交換的熱交換単元；其中通過所述熱交換單元來提供由所述脫碳劑提供至所述煅燒爐的熱。
5.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述輸出燃料氣流包含氫或甲烷。
6.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述輸入燃料氣體包含合成氣、氫化氣體、SNG或NG。
7.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，在所述脫碳劑部分中設置固體催化劑以激活反應從而由所述脫碳劑制造所述排出氣體中的輸出燃料氣體。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，將所述固體催化劑負載在所述脫碳劑部分中，或者將所述固體催化劑與作為單獨顆粒的所述固體吸附劑一起混合，或者將所述固體催化劑并入到所述固體吸附劑中。
9.根據權利要求7或8所述的系統，其中，所述固體催化劑包含氧化鉄。
10.根據權利要求8所述的系統，其中，所述固體催化劑與所述固體吸附劑混合，并且所述固體催化劑的粒度大于所述固體吸附劑的粒度。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述固體催化劑的粒度等于或大于約150微米，并且所述固體吸附劑的粒度小于約125微米。
12.根據前述權利要求中任一項所述的系統，還包括用于向所述煅燒爐部分提供另外的熱的燃燒室。
13.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述固體吸附劑包含石灰顆粒。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述石灰顆粒在約20-200微米的范圍內，并且在所述煅燒爐和脫碳劑部分的排氣處的溫度在約700-950°C的范圍內。
15.根據前述權利要求中任一項所述的系統，還包括用于將輸出氣流進料到分配網絡中的進料部。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述甲烷氣體分配系統包括現有的NG分配網絡。
17.根據權利要求15或16所述的系統，其中，所述NG分配網絡包括液化氣體的運輸部和低壓氣體輸送部。
18.根據權利要求15至17中任一項所述的系統，其中，所述氣體分配網絡進一步被構造成向被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器中輸送甲烷形式的輸出燃料氣體。
19.根據權利要求18所述的系統，其中，所述被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器從所述甲烷產生單獨的氫和CO2流股。
20.根據前述權利要求中任一項所述的系統，還包括用于將CO2氣流進料到CO2氣體分配網絡中的進料部。
21.根據權利要求20所述的系統，其中，所述CO2氣體分配網絡被構造成輸送用于封存的CO2氣流。
22.根據權利要求20或21所述的系統，其中，所述CO2氣體分配網絡被構造成由被構造為預燃燒除去CO2的Endex反應器接收另外的進料。
23.一種用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造単獨的CO2和輸出燃料氣流的方法，所述方法包括以下步驟 將脫碳劑部分用于使至少固體吸附劑與燃料氣體和蒸汽發生反應以從所述輸入燃料氣體中除去碳并由所述脫碳劑制造排出氣體中的輸出燃料氣流； 將煅燒爐部分用于使來自所述脫碳劑部分的所述固體吸附劑在其中發生反應從而將CO2釋放到CO2氣流中； 其中分別對CO2分壓以及所述脫碳劑和煅燒爐部分中的溫度進行控制，使得所述脫碳劑部分中的溫度高于所述煅燒爐中的溫度。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，在所述脫碳劑中，使所述蒸汽與所述燃料氣體中的一氧化碳發生反應或者與由所述脫碳劑中的所述燃料氣體制造的ー氧化碳發生反應，從而制造用于由所述固體吸附劑吸附的C02。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，在所述脫碳劑中，使所述蒸汽與所述燃料氣體中的烴發生反應從而制造一氧化碳和CO2中的ー種或兩種。
26.根據權利要求23至25中任一項所述的方法，還包括將熱從所述脫碳劑提供至所述煅燒爐。
27.根據權利要求23至26中任一項所述的方法，其中，所述輸出燃料氣流包含氫或甲燒。
28.根據權利要求23至27中任一項所述的方法，其中，所述輸入燃料氣體包含合成氣、氫化氣體、SNG或NG。
29.根據權利要求23至28中任一項所述的方法，還包括在所述脫碳劑部分中設置固體催化劑以激活反應從而由所述脫碳劑制造所述排出氣體中的輸出燃料氣體。
30.根據權利要求29所述的方法，其中，所述固體催化劑包含氧化鉄。
31.根據權利要求29或30所述的方法，其中，所述固體催化劑的粒度大于所述固體吸附劑的粒度。
32.根據權利要求31所述的方法，其中，所述固體催化劑的粒度等于或大于約150微米，并且所述固體吸附劑的粒度小于約125微米。
33.根據權利要求23至32中任一項所述的方法，還包括將燃燒室用于向所述煅燒爐部分提供另外的熱。
34.根據權利要求23至33中任一項所述的方法，其中，所述固體吸附劑包含石灰顆粒。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，所述石灰顆粒在約20-200微米的范圍內，并且在所述煅燒爐和脫碳劑部分的排氣處的溫度在約700-950°C的范圍內。
36.根據權利要求23至35中任一項所述的方法，還包括向分配網絡中進料輸出氣流。
37.根據權利要求36所述的方法,包括運輸液化氣體和低壓氣體輸送。
38.根據權利要求36或37所述的方法，還包括向被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器中輸送甲燒形式的輸出燃料氣流。
39.根據權利要求38所述的方法，還包括使用被構造為從所述甲烷中預燃燒除去CO2的反應器以從所述甲烷產生単獨的氫和CO2流股。
40.根據權利要求23至39中任一項所述的方法，還包括向CO2氣體分配網絡中進料CO2氣流。
41.根據權利要求40所述的方法，還包括將所述氣體分配網絡用于輸送用于封存的CO2氣流。
42.根據權利要求40或41所述的方法，還包括由被構造為預燃燒除去CO2的Endex反應器接收用于所述CO2氣體分配網絡的另外進料。
全文摘要
一種用于處理輸入燃料氣體和蒸汽以制造單獨的CO2和輸出燃料氣流的方法和系統。所述方法包括以下步驟將脫碳劑部分用于使至少固體吸附劑與燃料氣體和蒸汽發生反應從而從輸入燃料氣體中除去碳并由所述脫碳劑制造排出氣體中的輸出燃料氣流；將煅燒爐部分用于使來自所述脫碳劑部分的所述固體吸附劑在其中發生反應從而將CO2釋放到CO2氣流中；其中分別對CO2分壓以及所述脫碳劑和煅燒爐部分中的溫度進行控制，使得所述脫碳劑部分中的溫度高于所述煅燒爐中的溫度。
文檔編號C01B3/50GK102665871SQ201080058293
公開日2012年9月12日 申請日期2010年8月25日 優先權日2009年10月24日
發明者朱利安·韋斯特利·丁斯代爾, 馬克·杰弗里·西茨 申請人:Calix有限公司