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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2290428

VERFAHREN ZUR Umwandlung von Kohle in PRODUZIEREN QUALITÄT FÜR WASSERSTOFFGEMISCH UND KOHLENDIOXID, bereit für das Recycling
UND VORRICHTUNG ZU SEINER DURCHFÜHRUNG

Name des Erfinders: Richard K. Lyons (US)
Der Name des Patentinhabers: General Electric Company (US)
Korrespondenzanschrift: 129010, Moskau, ul. Boris Spassky, 25, S. 3, Ltd. "Gorodissky und Partner", pat.pov. E.E.Nazinoy
Startdatum des Patents: 2002.07.30

Verwendung: Die Erfindung betrifft Verfahren zur Umwandlung von Kohle in Gegenwart von Luft und Wasserdampf. Die erfindungsgemäße Kohle wird durch Verbrennung umgewandelt. Bei der Verwendung dieser Kombination aus zwei Fließbettreaktoren und einen dritten Reaktor Transferleitung. Der erste Reaktor wird mit Kohleteilchen oder "char" und fluidisiert mit Hochtemperaturdampf zugeführt, der zweite Reaktor mit Dampf Wärme fluidisiert wird und dem dritten Reaktor fluidisiert mit Druckluft. Feststoffe im Kreislauf zwischen diesen drei Reaktoren umfassen eine Mischung aus Materialien , die Calciumverbindungen (vorliegend als CaO, _CaCO3 und Mischungen davon) und Eisenverbindungen (vorliegend als FeO, Fe ₂ O ₃ und Mischungen davon). Die Kohle wird in den ersten Reaktor in Gegenwart von CaO mit Dampf vergast CaCO ₃ und Wasserstoff zu erzeugen. In dem zweiten Reaktor wird die Umsetzung durchgeführt , die CaCO ₃ zu CaO und Kohlenstoff - Reaktion und / oder der verkohlten Kohle zur Wiederherstellung mit Fe ₂ O ₃ FeO und Kohlendioxid zu bilden. Der dritte Reaktor wird zu FeO Fe ₂ O ₃ oxidiert Sauerstoff abgereicherte Luft zu erhalten. Es beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das technische Ergebnis: Vereinfachung der Verfahrenstechnik.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Kohle, Luft und Dampf Wärme zu drei separate Gasströme, denen eine aus nass, im wesentlichen reinen Wasserstoff, ein zweites , das Kohlendioxid "bereit zur Entsorgung" Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung dh. e. CO _2, die relativ rein ist und bei einem erhöhten Druck, der Luft es weniger schwierig zu entfernen, und einem dritten Strom verarmte aus Sauerstoff macht.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, in welchem ​​Winkel Mischungen von Calciumverbindungen und Eisen mehrere Reaktoren mit Dampf hoher Temperatur oder mit Druckluft und erzeugt im wesentlichen reinem Wasserstoff für die Verwendung in Brennstoffzellen als Produkt der kontrollierten Reaktions geladen zirkuliert Vergasung. Das Verfahren nach der Erfindung stellt einen Abfallstrom in einem trennbaren und im wesentlichen reines Kohlendioxid Restmengen an Schwefeldioxid und der Luftstrom, an Sauerstoff verarmten, mit Hochtemperatur-Wärme enthält, die verwendet werden können, beispielsweise in den Subsystemen der Stromerzeugung sind in den nachfolgenden Prozess einbezogen Kette. Die Redox-Reaktionen der vorliegenden Erfindung haben eine viel höhere thermodynamische Effizienz als Systeme für die Verbrennung mit dem Mischen von konventionellen fossilen Brennstoffen durchgeführt und ermöglicht erhebliche Vorteile des Umweltschutzes gegenüber den bekannten Verfahren zu erhalten, in denen Kohle oder andere fossile Brennstoffe oder Brennstoffe aus Biomasse verwenden, zur Wärme- und brennbaren Gasen für den Einsatz in Gasturbinenmotoren.

Während des 21. Jahrhunderts, werden die Vereinigten Staaten vor allem auf fossilen Brennstoffen wie Erdgas, Erdöl und Erdöldestillate zu verlassen, als die Hauptenergiequelle für Gasturbinen zur Stromerzeugung genutzt. Kürzlich entdeckte ich, dass die Verwendung von im wesentlichen reinen Wasserstoff in Brennstoffzellen effizienter und praktisch wird die Verschmutzung im Vergleich zu anderen herkömmlichen Technologien fossiler Brennstoffmischungen und Luft verbrennen. Wasserstoff-Brennstoffzellen wäre eine ideale Lösung für viele der Bedürfnisse des Zustandes des Kraftstoffs und als Quelle sauberer verbrennenden Brennstoff sein. Es besteht jedoch ein Bedarf an einem thermodynamisch effizienten und wirtschaftlichen Prozess der Lage, große Mengen an reinem Wasserstoff aus einem leicht verfügbaren und preiswerten Energiequelle, wie beispielsweise Kohle.

Verschiedene herkömmliche Systeme existieren zur Oxidation (Verbrennung) Kohle Wärme frei Wasserstoff zusätzlich zu bilden Dampf zur Bildung zu erzeugen. Auf jeden Fall stellen diese Systeme erhebliche Umweltprobleme, weil es aus der Verbrennung von Kohle wahrscheinlich, dass die Emissionen von oxidiertem Kohlenstoff und Schwefelverbindungen in die Atmosphäre ist. Herkömmliche Techniken zum Wasserstoff zu erhalten und mit hohen Kosten der Ausrüstung und Wiederherstellungsversuche seit der Veröffentlichung von Wasserstoff von den anderen Produkten aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und Luft inhärente Ineffizienz der Umsetzung.

Weiterhin ist es bekannt, dass das Kohlendioxid aus kohlebefeuerten Anlagen entstehen auf das Potential Treibhauseffekt in der Atmosphäre und in einer globalen Erwärmung beiträgt. Andere Arten von Luftverschmutzung verursacht Kohleverbrennungspartikelemissionen, wie feine Teilchen von Asche enthalten aus der Verbrennung von Kohlenstaub sich ergebende , sondern auch unerwünschte Emissionen von Stickstoffoxiden, hauptsächlich NO und NO _2.

Somit besteht ein dringender Bedarf, ein relativ reiner Wasserstoff zur Verwendung in elektrischen Stromerzeugung in einem wirtschaftlichen und thermodynamisch effiziente Weise zu erzeugen, aber ohne Luftverschmutzung. und es besteht ein Bedarf zur Minderung jeglicher Art und das Ausmaß von Kohlendioxid und Schwefeldioxid, das während der Verbrennung von Kohle auftritt, durch Isolierung und Entfernung von oxidischen Verunreinigungen, ohne sie in die Atmosphäre freigesetzt wird. Idealerweise könnte Kohle und andere fossile Brennstoffe verwendet werden , um Wärme in einer Weise zu erzeugen , die Nebenprodukte eine einfache und wirtschaftliche Rückgewinnung der Verbrennungs bietet, insbesondere CO _2, bei erhöhtem Druck und in einem relativ reinen Zustand, dh erzeugt CO ₂ " , für das Recycling bereit".

In der Vergangenheit eine Reihe von verschiedenen vorgeschlagenen Methoden zur Entfernung von CO _2, wie flüssiges _CO2 in tiefe Teile des Ozeans pumpen. Jedoch tritt die Entfernung von CO ₂ verwandtes Problem der Reinheit des Abfallstroms betreffen. Da die meisten Entsorgungsmöglichkeiten flüssiges _{CO2 beinhalten,} ist es allgemein anerkannt , dass die CO ₂ "bereit für das Recycling" war und nicht mehr als geringe Mengen an Verunreinigungen oder andere Gase enthalten könnte , die unter Druck nicht verflüssigen.

basierend auf der Verbrennung erfolgt unter Mischen (mit Luft) von Kohle als primäre Wärmequelle Neben Problemen der Luftverschmutzung für die Verbrennung von Kohle Turbinenmotor hat die gleichen Einschränkungen im thermodynamischen Wirkungsgrad inhärenten in allen Systemen laufen. Gasturbinen werden als einer der vorhandenen Energieerzeugungssysteme zu sein, die die niedrigsten Kapitalinvestitionen erfordern. Jedoch ist ihre thermodynamischen Wirkungsgrades ist deutlich niedriger als bei anderen Systemen. Obwohl die Effizienz steigt mit steigender Turbineneintrittstemperatur, die heißen Gase durch Kohlefeuerung erzeugt werden, enthalten Flugasche, die an Turbinenschaufeln erosive sein kann. Die Brüden und erhöhten Temperaturen kann zu Korrosion aufgrund des Vorhandenseins von sauren Nebenprodukten der Verbrennung von Kohle, wie beispielsweise Schwefeldioxid und HCl verursachen. Folglich ist die maximale Turbineneintrittstemperatur, die für Kohlefeuerung toleriert werden kann, ist wesentlich niedriger als die Temperatur, mit den "sauberen" Kraftstoffen verbunden sind, wie Öl oder Erdgas.

Innovationen in den letzten Jahren in der Metallurgie Gasturbine haben die Eintrittstemperaturen erhöht, die in Verbindung mit Kohleverbrennungssystemen toleriert werden könnte. Per Definition dienen einige technologische Fortschritte die Eintrittstemperaturen für sauberere Kraftstoffe wie Erdgas zu erhöhen. Somit bleiben die Nachteile von Kohle in Bezug auf sauberere Kraftstoffe unabhängig noch von der Gasturbine Metallurgie verhindern und Kohle trotz seiner geringeren Kosten, als attraktiver Gasturbinenkraftstoff zu behandeln. Die Gasturbinenindustrie hat seit langem erkannt, dass, wenn es möglich wäre, ein Verfahren zu entwickeln, um die Verbrennung von Kohle in einer Weise, die große Mengen an relativ "sauberen" heißen Gase zu erhalten, würde es ermöglichen, die nicht erosive wurden oder ätzend, Kohle eine viel wirtschaftlichere Kraftstoffquelle werden könnte für den Einsatz in elektrischen Stromerzeugung.

Eine vorgeschlagene Lösung für das Problem von Kohle unter Verwendung von Gasturbinen anzutreiben ist ein Verfahren , bekannt als "Vergasung" , bei dem Kohle und Dampf in einem Hochtemperaturreaktorbehälter zugeführt und reagieren ₂ eine Mischung aus H _2, CO und CO zu _bilden. Weil die Vergasungsreaktion endotherm ist, ist es in irgendeiner Weise notwendig, Wärme zu liefern. So wird in den meisten Vergasungs Designs, wird Luft mit dem Hochtemperaturdampf gemischt , so daß ein Teil der Kohle verbrennt , während der Rest mit Dampf reagiert ₂ H _2, CO und CO zu _bilden. Bei anderen Konstruktionen sind ein Teil der Kraftstofffeststoffe durch Verbrennung erhitzt und dann vermischt mit Kohle und Dampf die Wärme zuzuführen erforderliche Strömungsvergasungsreaktion zu fördern.

In der Literatur wird eine Kohlevergasung , in dem zirkulieren CO ₂ Akzeptor (entweder Kalkstein oder Dolomit) zwischen einem Paar von Fluidbetten, ein Wirbel mit Dampf und der anderen - mit Luft. Siehe. G.P.Kurran, K.E.Fink und I.Gorin (Kapitel 10 in den "Fuel Gasification" Errungenschaften der American Chemical Society, in einer Reihe von "Chemistry", 69, 1967 (GPCurran, CEFink und E .Gorin (Kapitel 10 in FUEL GASIGICATION, ACS Advances in Chemistry Serie 69, 1967). die Temperatur des Bettes Wirbel durch Dampf bleibt niedrig genug , so dass die Reaktion CaO + _CO2 = _CaCO3 Vergasung von Kohle zu nahezu reinem Wasserstoff zur Verfügung stellt. jedoch nur ein Teil des Kohlenstoffs in der Kohle vergast wird in mit Wirbelreaktor mit Wasserdampf. der Rückstand wird in einem Luftwirbelbett bewegt , wo es oxidiert wird ( "gebrannt"), Wärme abgebende und dann Zersetzen des _CaCO3 zu CaO. da das CO im Gleichgewicht mit dem ist , zusammen mit Luft und anderen oxidierten durch Verbrennungsprodukte CO ₂ aufgrund des bekannten Dampfreformierungsreaktion, dann entfernt der letzten Löschung der erstere. die Grundvergasungsverfahren den Vorteil der Herstellung von relativ reinen Wasserstoff hat, hat aber den Nachteil , dass eine Emission von CO ₂ direkt in die Atmosphäre ist Kohle, wie beispielsweise Schwefeldioxid.

№№5339754 U.S. Patent, 5.509.362 und 5.827.496 (hierin durch Bezugnahme eingeschlossen) beschreibt ein Verfahren zur Brennstoffen unter Verwendung eines Katalysators Brennen die leicht wiederhergestellt werden kann, wenn es in seinem oxidierten Zustand vorliegt, und dann, wenn in einem reduzierten Zustand leicht oxidierbar. Brennstoff und Luft werden abwechselnd mit dem Katalysator in Kontakt gebracht. Der Kraftstoff verringert den Katalysator und ₂ oxidiert wird und Wasserdampf zu CO. Danach oxidiert der Luft den Katalysator und wird von Sauerstoff aufgebraucht. Somit wird die Verbrennung ohne die Notwendigkeit durchgeführt für vor der Verbrennung oder Prozess Kraftstoff-Luft-Misch oder während es. Wenn Mittel vorgesehen sind, durch welche CO _2, Wasserdampf und Sauerstoff verarmte Luft in verschiedene Richtungen gerichtet , wie sie den Verbrennungsprozess zu verlassen, können Mischen vollständig vermieden werden. Diese letztere Methode der Verbrennung wird als "ohne Vermischung durchgeführt zu verbrennen."

Das Gesamtvolumen der Verbrennungsgase, die durch Verbrennung erzeugt wird, durchgeführt, ohne Mischen vergleichbar mit dem Volumen der gasförmigen Verbrennungsprodukte in herkömmlichen Verbrennungs, jedoch mit einem wesentlichen Unterschied. Das Volumen des CO ₂ und Wasserdampf ist nur ein Bruchteil des Gesamtvolumens. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Kosten für die Entfernung von sauren Gasen aus dem Verbrennungsabgas durch den Anstieg mit dem Volumen der Gaswäsche zu reinigen. Somit kann , wenn die Verbrennung so ohne Mischen erreicht werden , daß die sauren Gase des Verbrennungsprozesses als eine Menge von CO ₂ und Wasserdampf lassen das Gasvolumen gereinigt werden, kann erheblich reduziert werden, was eine entsprechende Verringerung der Herstellungskosten bedeutet. Wie unten im Detail beschrieben, die Umsetzung von unvermischten Verbrennung, so daß die sauren Gase verlassen als kombinierte _CO2 und Wasserdampf die Brennkammer eine geeignete Wahl Kanalisierer und präzise Steuerung der anfänglichen Verbrennungsreaktion und nachfolgende Zersetzungsreaktion erfordert.

Die Aufgabe der Erfindung des US-Patents №5509362 ausführlich in dem Bericht erörtert auf der Sitzung der westlichen Staaten Sektion des Combustion Institute, statt 26 bis 27 Oktober präsentiert, 1998 (Bericht №98F-36). Dieses Papier offenbart ein Verfahren hypothetische Kohle zur Verwendung einer Gasturbine und berichtet über eine Reihe von Vorversuchen unter Verwendung eines Wirbelschicht unter Atmosphärendruck, gepulvertes chemisch reines Eisenoxid (d.h. FeO / Fe ₂ O _{3) anzutreiben.} Das Gas verwendet , um das Bett zu fluidisieren, können aus der Luft zugeführt werden , um ein Gleichgewicht in Form von 5% zu erreichen , SO ₂ + 95% N ₂ und wieder an die Luft zurückgeführt . Die Experimente zwei grundlegende Prozessschritte. Im ersten Schritt wird ein Bett vollständig zu Fe ₂ O _{3 oxidiert,} fluidisiert mit 5% SO ₂ + 95% N ₂ bei einer Temperatur von 857 ° C. Dann in dieser Schicht injiziert, um eine kleine Menge an Kohle und führte gleichzeitig kontinuierliche Analyse von Gasen aus dem Bett aus. Im zweiten Schritt wurde das Wirbelgas in die Luft eingeschaltet, während weiterhin die Gase aus dem Bett zu analysieren kommen.

In diesem Bericht schlägt die Combustion Institute eine Konzeption und ein Verfahren zur Kohlegasturbine zugeführt wird. Wie in 4 gezeigt ist dieses Berichts, der verwendete Katalysator FeO / Fe ₂ O ₃ als _eine fluidisierte Pulver , das zwischen einem ersten Wirbelbett zirkuliert , das mit Dampf und einem zweiten Bett fluidisiert mit Druckluft aus dem Verdichterabschnitt eines Gasturbinen fluidisiert wird. Innerhalb dieser Schicht zu FeO Fe ₂ O ₃ in der stark exothermen Reaktion oxidiert wird , dass die Druckluft an Sauerstoff verarmt , während die Luft erwärmt wird . Der erhitzt Druckluft (jetzt Sauerstoff verarmten) kann dann auf den Erweiterungsabschnitt der Gasturbine anzutreiben verwendet werden. In diesem Bericht bedeutet das Institut für Verbrennung die Verwendung von pulverisierter Kohle als Hauptenergiequelle. Siehe Fig. 4.

Somit kann in der Fachliteratur einige Informationen über die Werkzeuge zu erreichen Kohle Oxidation CO _2, zur Entsorgung bereit zu geben , werden gefunden, und die Mittel zur Erreichung des Ziels der Kohle von Vergasen relativ reinen Wasserstoff. Jedoch in der Literatur gibt es keine Daten, Abbildungen und Vorschläge für beide Ziele in der gleichen Weise zu erreichen. Es besteht ein eindeutiger Bedarf an einem verbesserten Verbrennungsprozeß (oxidierende) Kohle die Verbrennung unter Verwendung von ohne Vormischen durchgeführt wird , für CO _2, bereit zur Verfügung, und eine relativ reinem Wasserstoff bei einem heißen Gasstrom zur Verwendung Erzeugen Erzeugung von elektrischer Energie durch Expansion durch die Gasturbinentriebwerke.

Die vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren zum Verbrennen von Kohle Wasserstoff für Brennstoffzellen, Sauerstoff abgereicherte Luft für die Gasturbinen und Kraft CO _2, bereit zur Entsorgung zu erzeugen. Das Verfahren wird unter Bedingungen durchgeführt, so dass jegliche begleitenden chemische Reaktion thermodynamisch effizient und einfach zu implementieren, so dass das Verfahren eine Wärmebilanz in Übereinstimmung mit einer praktischen industriellen Anwendung hat.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Reaktoren in Verbindung mit brodelnden Wirbelschichtreaktor und Transferleitung verwendet. Die erste Wirbelschichtreaktor (nachfolgend als "der Reaktor für die Vergasung von Kohle", s. Tabelle 1) arbeitet bei 800 ° C und ist mit Kohleteilchen oder "char" und fluidisiert mit Dampf mit hoher Temperatur, beispielsweise von überhitztem Dampf bei einem Druck von zugeführtem etwa 7 atm. Das zweite Wirbelschichtreaktor (nachfolgend als "Reaktor für CaCO Zersetzen _3") und mit Dampf fluidisiert und arbeitet bei etwa 1040 ° C und einem Druck von etwa 7 Atmosphären. In der dritten "Oxidationsreaktor verwendet FeO» Druckluft bei einem Druck von etwa 7 bar und es erreicht Betriebstemperatur von etwa 1525 ° C. Feststoffe im Kreislauf zwischen diesen drei Reaktoren umfassen eine Mischung aus Materialien , die Calciumverbindungen (vorliegend als CaO, _CaCO3 und Mischungen davon) und Eisenverbindungen (vorliegend als FeO, Fe ₂ O ₃ und Mischungen davon).

Im ersten Wirbelschichtreaktor wird die Kohle mit Wasserdampf in Gegenwart von CaO vergast zu erzeugen , CaCO ₃ und relativ reinen Wasserstoff (zur Verwendung, beispielsweise in Brennstoffzellen) während des obigen Prozesses, der ein CO ₂ -Scavenger verwendet. Jedoch wird nur ein Teil der Kohle in den Vergasungsreaktor zugeführt wird, verbrannt wird thermische Energie , die notwendig zur Wiederherstellung des CaCO ₃ zurück zu CaO zu liefern. Die Feststoffe werden zwischen dem Vergasungsreaktor und dem mittleren Wirbelschichtreaktor zirkuliert, wo sie mit Feststoffen aus dem Übertragungsnetzdrossel mischen. Kohlenstoff in der Mitte Wirbelschichtreaktor reagiert mit Fe ₂ O ₃ in der Transferleitung Reaktor und die Temperatur in der Mitte Wirbelschichtreaktor ist ausreichend hoch , CaCO ₃ zurück zu CaO zu zersetzen.

Somit werden die Feststoffe aus dem mittleren Wirbelschichtreaktor rezirkuliert bestehen hauptsächlich aus CaO und FeO, während gasförmiges CO ₂ und geringe Mengen SO ₂ als separater Strom entfernt. Ein Teil des Feststoffgemisches wieder in den ersten Wirbelschichtreaktor für die Vergasung bestimmt ist, und die restlichen sind in der Transferleitung Reaktor (Oxidator FeO) gehalten. Im letzteren FeO reagiert mit Luft in einer endothermen Reaktionswärme zu erzeugen. Die heiße sauerstoffarme Luft verlässt die Transferleitung Reaktor und wird zu der Gasturbine zugeführt, während die heißen Feststoffe zu der mittleren Wirbelschicht zurückzukehren.

Da die Reaktion zwischen FeO und Heißluft ist schnell und exotherm (im Bereich von 292 kJ / mol) für verunreinigte Luft Temperatur steigt auf einen solchen Wert, dass das heiße Gas durch eine Turbine expandiert werden kann, die Antriebsleistung anzeigt, um Strom zu erzeugen und / oder den Luftkompressor antreiben. Überschußenthalpieerzeugung aus dem expandierten und verschmutzte Luft durch einen Kessel gewonnen werden, die zur Verwendung in der Fluidisierung Hochdruckdampf liefert.

Der Gasstrom, der den Oxidationsreaktor FeO zu verlassen, in der Regel durch einen Zyklon oder anderen heißen Gasreinigungssystem geleitet Asche zu entfernen und geschlämmt Eisenoxide vor über eine Turbine expandiert wird. Heiße Gase aus dem Reaktor zu zersetzen _CaCO3 und kann den Wärmetauscher durchlaufen, und dann - durch einen Kondensator Wasser und Rest feinen Feststoffe zu entfernen. Die restlichen Gase bestehen aus CO ₂ und SO ₂ unter hohem Druck mit geringen Mengen anderer Schadstoffe und Produkte unvollständiger Verbrennung. SO ₂ und andere Schadstoffe können durch Nasswäsche oder einer anderen Behandlung entfernt werden, eine im wesentlichen reine Strom von unter Druck CO ₂ für _die Verwertung oder die Freigabe zu verlassen.

Daher betrifft die Erfindung in ihren breiteren Aspekten auf ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoff für die Kraftstoffqualitätselemente zu erzeugen, und im wesentlichen reinen, d.h. bereit für Feststoffgemische, die Kohle, Calcium- und Eisenverbindungen zirkulierenden unter drei Wirbelschichtreaktoren mit Betrieb gleichzeitig Kohlendioxid wesentlich thermodynamisch effiziente Art und Weise zu recyceln.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein neues Verfahren zur Erzielung der Verbrennung ohne Mischen erfolgt eine Qualitäts Wasserstoff Kohle für Brennstoffzellen und den Fluss von Kohlendioxid, bereit zur Entsorgung unter Verwendung der ersten, zweiten und dritten Reaktoren zu erhalten, wobei der erste Reaktor Kohle und Wasser Last aufnimmt Dampf einen Ausgangsgasstrom von nassen Wasserstoffgas, dem zweiten Reaktor erzeugt einen Ausgangsstrom von nassen Kohlendioxid und der dritte Reaktor ein Eingangsstrom und einen Ausgangsstrom von Luft, Sauerstoff-abgereicherte herzustellen.

In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine neue Vorrichtung zur Durchführung der Verbrennung durchgeführt wird, ohne Kohle Mischen im wesentlichen reinem Wasserstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff abgereicherte Luft zu erhalten, die aus einem ersten, zweiten und dritten Reaktoren mit Feststoffen unter Zirkulieren Diese Reaktoren stützender Balance von Calciumverbindungen und Mischungen davon und Eisenverbindungen und Mischungen davon sorgfältig kontrolliert werden.

In noch einem weiteren Aspekt auf eine neuartige Vorrichtung der Erfindung für die Verbrennung ohne Mischen durchgeführt bezieht, angepasst, um eine qualitative nassen Wasserstoffgas zu erhalten, das Ausgangsgasstrom für Brennstoffzellen im wesentlichen rein ist, d.h. "Ready for Recycling" Kohlendioxid und Sauerstoff abgereicherte Luft, viel mehr thermodynamisch effiziente Art und Weise als herkömmliche Verbrennungssysteme, implementiert ohne sich zu vermischen. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Zeichnung ist ein schematisches Diagramm, das die grundlegenden Elemente der Konstruktion und des Verfahrens der Erfindung veranschaulicht. Die Zeichnung zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, umfassend die Umwandlung der Eingangsströme von Kohle, Dampf und Druckluft in getrennten Ausgangsströme von relativ reinem Wasserstoff für die Verwendung, beispielsweise in Brennstoffzellen, CO 2, bereit für das Recycling und Hoch abgereicherte Luft Sauerstoff, zur Verwendung in einer Gasturbine antreibt Elektrizität zu erzeugen. In dieser Ausführungsform zwei 10-Reaktoren, 12 mit dem Brodelbett werden zusammen mit Übertragungsnetzdrossel 14. Der erste Reaktor 10 ist ein Wirbelbett (der Kohlevergasungsreaktor) auf der linken Seite in der Zeichnung gezeigt ist, verwendet, fluidisiert mit einem Gas, das hauptsächlich aus Heißdampf Hochdruck über den Einlaß 16 am Boden des Reaktors befindet.

Der Reaktor war ein Wirbelbett 12 (Reaktor für CaCO Zersetzen _3), in der Mitte der Zeichnung gezeigt ist , ist auch mit einem Wirbelgas aus überhitztem Dampf über den Einlass 18 aus oder recycelten CO ₂ oder Mischungen davon. Die Transferleitung Reaktor 14 (Oxidationsreaktor FeO) fluidisiert wird mit Druckluft über den Einlaß 20. Die Feststoffe , die zwischen diesen drei Reaktoren umfassen eine Mischung von Feststoffen, von denen einige einen hohen Gehalt an _CaCO3 zirkulieren , wenn in ungebrannten Zustand, wie Teilchen aus Kalkstein und Dolomit, und einige von ihnen einen hohen Eisengehalt aufweisen, beispielsweise Eisenerzen, gereinigtes Eisenoxid, Rotschlamm und pulverisierte Schrott.

In der ganz linken der drei Reaktoren in der Zeichnung dargestellt, 22 Kohle gelangt in den Wirbelbett an einer Stelle mit 24 bezeichnet und durchläuft Dampfvergasung in Gegenwart von CaO CaCO herzustellen ₃ und relativ reinen Wasserstoff während des obigen Prozesses _ein CO ₂ -Scavenger verwenden. Der Wasserstoff verlässt den ersten Wirbelschichtreaktor über den Strom 26 zur Verwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Wichtig ist , während CO ₂ Akzeptor verwenden, nur ein Teil der Kohle char Eingang mit dem Vergasungsreaktor 10 vergast wird Wasserstoff zu erzeugen. Der Rest wird verbrannt , um die Wärmeenergie zu versorgen , die für Erholung des _CaCO3 zurück zu CaO. Das heißt, von der Hitze ein Teil der Verbrennung von Kohle verwendet , um die _CaCO3 zurück zu CaO zu zersetzen, aber die Verbrennung erfolgt direkt. Feststoffe werden zwischen dem Vergasungsreaktor 10 und Nachreaktor 12, einem Wirbelschicht zur Zersetzung von CaCO _{3 zirkuliert,} wo sie mit Feststoffen aus der Transferleitung Reaktor mischen 14. Kohlenstoff in der ersten Lage und reagiert mit Fe ₂ O _3, liegt in letzterem. Die durchschnittliche Temperatur im zweiten Reaktor oder einem Wirbelbett 12 bleibt hoch genug , so dass _CaCO3 zurück zu CaO zerfällt. Somit werden die Feststoffe aus dem mittleren Wirbelschichtreaktor rezirkuliert bestehen hauptsächlich aus CaO und FeO, während CO ₂ "ready for disposal" ist (und jede Gegenwart von restlichem SO ₂₎ den mittleren Wirbelschichtreaktor als Strom verlassen 28.

Ein Teil der Mischung aus Feststoffen kehrt in den Vergasungsreaktor 10 und den Rest fallen in die Transferleitung Reaktor 14. In der Transferleitung Reaktor 14 reagiert FeO mit Luft Wärme zu erzeugen. Hot Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt den Netzdrossel 14 über 30 Strom und kann mit der Gasturbine zugeführt werden, während die heißen Feststoffe in die Mitte Reaktor zurückkehren 12 ist ein Fließbett.

Beispiel 1

Computational Experimente wurden durchgeführt, die HSC-Programm. Das Verfahren ist iterative Berechnung und es auf ursprünglichen Annahmen für das Halten in den Temperaturen der beiden Wirbelschichtreaktoren und die Transferleitung Reaktor hergestellt. Berechnen Sie die Gleichgewichtszusammensetzung von Produkten bei diesen Temperaturen. Dann werden Wärme und Massenbilanzen für einen neuen Satz von Betriebstemperaturen berechnet und der Prozess wird wiederholt Ergebnisse untereinander konsistent innerhalb einer angemessenen Fehlermarge zu erhalten.

Computational Experimente dieses Typs produzieren drei verschiedene Typen von Ergebnissen. rechnerische Prozedur kann zu konvergieren scheitern, die zeigen, dass das Überwachungsverfahren adiabatische Betrieb nicht in der Lage ist. Alternativ können die Berechnungen zeigen konvergieren, dass die Prozessbedingung der adiabatischen Betrieb, aber unter Bedingungen, bei denen das chemische Gleichgewicht nicht in einem praktisch brauchbares Verfahren führt. Drittens können die Berechnungen zu einem Ergebnis konvergieren die zeigen, dass der Zustand des Überwachungsverfahrens adiabatischer Betrieb bei Bedingungen, unter denen das chemische Gleichgewicht in einem praktisch brauchbares Verfahren führt.

Bei der Durchführung der obigen Berechnungen das Computerprogramm auf , dass das CaO / CaCO ₃ und FeO / Fe ₂ O ₃ wirken als perfekte Katalysator "nimmt an ", das heißt, daß all die vorliegende Menge an CaO / _CaCO3 und FeO / Fe ₂ O ₃ reagiert , um ein Gleichgewicht erreichen. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß Katalysatoren im Allgemeinen eine begrenzte Lebensdauer haben, d.h. sie langsam träge geworden. Die übliche Technik, die verwendet wird, einen akzeptablen Grad an katalytischer Aktivität zu erhalten wird kontinuierlich entfernen und geringe Mengen an Katalysator zu ersetzen. Für katalytische Prozesse, die Kohle beinhalten, besteht die zusätzliche Schwierigkeit besteht darin, dass Kohle enthält Asche. Während Bedingungen so eingestellt werden kann, dass die meisten dieser Asche aus dem Reaktor als Flugasche verläßt, Affekt die Asche immer noch scheitern. Dies macht die kontinuierliche Entfernung und optionalem Austausch von geringen Mengen an Katalysator.

So wird in der Praxis, die Reaktoren in Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Mischung von aktiven Katalysatoren und inerte Feststoffe enthalten. Um diesen Faktor berücksichtigen, wurde die Annahme gemacht , daß der Katalysator eine Mischung aus CaO / _CaCO3, FeO / Fe ₂ O ₃ und Al ₂ O _3, welche letztere Oxid inert ist, mit bekannten thermischen Eigenschaften. Ein kleiner Teil von _CaCO3 und berücksichtigen bei den Berechnungen als inerte Substanz.

In den folgenden Tabellen 1, 2, 3, 4 und 5 zeigen die Ergebnisse des Berechnungsexperiment.

Tabelle 2
Die Energiebilanz für die Umwandlung von Kohle, Luft und Wasserdampf zu erzeugen , getrennten Strömen von H 2, CO 2 und Luft, Abreicherung von O 2
Eingang Reaktanden	Gemessen Wärme kcal	- H Verbrennung
C, 1,79 mol bei 25 ° C	0	-168,339
H 2 O, 3,2 mol bei 500 ° C	12,966	0
O 2, 1 Mol bei 500 ° C	3628	0
N 2, 4 mol bei 500 ° C	13,581	0
insgesamt	30,175	-168,339
Die Ausgangsprodukte
H2O, 1,58 Mol bei 800 ° C	8,652	-91,232
H 2 O, 1,62 mol bei 800 ° C	11,243	0
CO 2, 1,79 mol bei 1042 ° C	21,824	0
N 2, 4 Mol bei 1526,3 ° C	46,819	0
insgesamt	88,538	-91,232
Die Energiebilanz für die Umwandlung von Kohle, Luft und Wasserdampf zu erzeugen , getrennten Strömen von H 2, CO 2 und Luft, Abreicherung von O 2
Die freigesetzte Wärme und zur Aufhebung		-18,281
Dampf bei der Kohlevergasung
Die freigesetzte Wärme und nicht während verwendet werden		0,021
Zersetzung von CaCO 3
Die freigesetzte Wärme und nicht während verwendet werden		-0,406
Oxidation von FeO
Die Gesamtwärmeeintrag = 198,514 kcal,
Insgesamt Wärme ausgegeben = 198,436 kcal (dieser kleine Unterschied zeigt die kumulative Computer-Fehler)
Die Energie von Wasserstoff = 54,2% der H Kohlenstoffverbrennung
Die Energie auf der Gasturbine zugeführt = 27,8% der H Kohlenstoffverbrennung
Der Anstieg von Wasserdampf = 10,9% der H Kohlenstoffverbrennung
Die Differenz zwischen den gemessenen Wärmeausgangsprodukte und Eingangs Reaktanden = H Verbrennung eingehenden Reaktanden

Tabelle 1 zeigt die Massenbilanz, Energiebilanz oder thermisch in Tabelle 2 und in Tabelle 3, 4 und 5 zeigen das Gleichgewicht, das in den drei Reaktoren auftritt. Genauer gesagt, Tabelle 3 zeigt, daß die Vergasungsreaktion in den ersten Wirbelschichtreaktor erzeugt, nass, aber ansonsten nahezu reinem Wasserstoff. Tabelle 4 zeigt , dass das Gleichgewicht begünstigt die Zersetzung des CaCO ₃ in den zweiten Fließbettreaktor, und Tabelle 5 zeigt , dass die Oxidation von FeO zu Fe ₂ O ₃ Bevorzugungen in der Transferleitung Reaktor Gleichgewicht.

Die Wärme oder Energiebilanz in Tabelle 2 veranschaulicht einen kleinen Teil des Energiegehalts der Kohle, den Prozess als die Differenz zwischen dem gemessenen Wärme von Reaktanden und Produkten zu lassen, d.h. лишь незначительная часть вводимой энергии становится отходящим теплом. Более половины энергосодержания угля покидает процесс в виде водорода, т.е. в виде энергии, подводимой к газовой турбине. Из оставшегося энергосодержания часть идет на подъем водяного пара (использование меньшей величины), и лишь малое количество становится отходящим теплом.

Хотя изобретение описано в связи с тем, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный конкретный вариант осуществления, понятно, что изобретение не сводится к описанному конкретному варианту осуществления, а наоборот, должно считаться охватывающим различные модификации и эквивалентные конструкции, находящиеся в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Перечень основных частей аппарата:

• Реактор 10 с псевдоожиженным слоем
• Реактор 12 с псевдоожиженным слоем
• Передаточный линейный реактор 14
• Входной патрубок 16
• Входной патрубок 18
• Входной патрубок 20
• Уголь 22, 22
• Псевдоожиженный слой в месте, обозначенном позицией 24
• Поток 26
• Поток 28
• Поток 30

FORDERUNGEN

1. Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных элементов и диоксида углерода, готового к утилизации, с обеспечением сжигания, осуществляемого без смешивания, включающий в себя этапы, на которых

загружают первый реактор с псевдоожиженным слоем углем и водяным паром высокой температуры, который окисляет часть угля, и получают, по существу, чистый газообразный водород и диоксид углерода,

осуществляют циркуляцию между первым, вторым и третьим реакторами, содержащими смесь псевдоожиженных твердых частиц, смеси твердых псевдоожиженных частиц, содержащей уголь, соединения кальция, присутствующие в виде СаО, СаСО ₃ и их смесей, и соединения железа, присутствующие в виде FeO, Fe ₂ О ₃ и их смесей,

проводят реакцию СаО, присутствующего в первом реакторе, с диоксидом углерода для образования СаСО ₃ ,

проводят реакцию СаСО ₃ во втором реакторе для восстановления СаО и одновременно проводят реакцию угля и/или полукокса из угля с Fe ₂ O ₃ для образования FeO и диоксида углерода,

окисляют FeO, присутствующий в третьем реакторе, для восстановления Fe ₂ О ₃ и получают воздух, обедненный кислородом, при повышенной температуре, и

удаляют, по существу, чистый водород, диоксид углерода и обедненный воздух в виде отдельных потоков из первого, второго и третьего реакторов.

2. Способ по п.1, при котором твердые частицы во втором реакторе псевдоожижают с использованием водяного пара высокой температуры, а твердые частицы в третьем реакторе псевдоожижают с использованием сжатого воздуха.

3. Способ по п.1, при котором температура в первом реакторе находится в диапазоне от 650 до 850°С.

4. Способ по п.1, при котором температура во втором реакторе находится в диапазоне от 1000 до 1100°С.

5. Способ по п.1, при котором температура в третьем реакторе находится в диапазоне от 1400 до 1600°С.

6. Способ по п.1, при котором давление в системе реакторов в целом находится в диапазоне от 2 до 20 атмосфер.

7. Способ по п.1, при котором отношение атомов кальция, присутствующих в виде СаО и СаСО ₃ , и железа, присутствующих в виде FeO и Fe ₂ О ₃ , в твердых частицах, циркулирующих между псевдоожиженными слоями, находится между 1,5 и 2.

8. Способ по п.1, при котором скорость твердых частиц, циркулирующих между вторым и третьим реакторами, такова, что отношение FeO, попадающего в третий реактор, к кислороду в воздухе, попадающем в третий реактор, больше, чем 4 моль FeO к 1 моль Оз, но меньше, чем 5 моль FeO к 1 моль кислорода.

9. Способ по п.1, при котором давление перегретого водяного пара составляет около 7 атмосфер.

10. Аппарат для проведения сжигания угля, осуществляемого без смешивания, с получением отдельных потоков, по существу, чистого газообразного водорода, диоксида углерода, готового к утилизации, и воздуха, обедненного кислородом, состоящий из первого, второго и третьего реакторов, содержащих смесь псевдоожиженных твердых частиц, циркулирующих между всеми тремя реакторами, причем упомянутые твердые частицы содержат уголь, соединения кальция, присутствующие в виде СаО, СаСО ₃ и их смесей, и соединения железа, присутствующие в виде FeO, Fe ₂ O ₃ и их смесей, при этом проводят реакции СаО, присутствующего в первом реакторе, с диоксидом углерода для образования СаСО ₃ , проводят реакции СаСО ₃ во втором реакторе для восстановления СаО и одновременно проводят реакцию угля и/или полукокса из угля c Fe ₂ O ₃ для образования FeO и диоксида углерода, проводят окисление FeO, присутствующего в третьем реакторе, для восстановления Fe ₂ О ₃ и получения воздуха, обедненного кислородом, при повышенной температуре.

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Erscheinungsdatum 28.02.2007gg

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