作为用于化学链燃烧应用的氧载体的废金属氧化物的激活制造技术

一种制备用于化学链燃烧单元中的黑色粉末氧载体的方法，包括以下步骤：(a)去除和收集在气体管道中形成的黑色粉末的废料；(b)预处理所收集的黑色粉末来调整它的球形形状以避免摩擦和细粉产生；和(c)激活黑色粉末以增加它的反应速率并且产生适合用于化学链燃烧过程中作为氧载体的黑色粉末氧载体。

Activation of waste metal oxides as oxygen carriers for chemical looping combustion applications

A method for preparing black powder oxygen carrier in the chemical looping combustion unit for, which comprises the following steps: (a) removal and collection of black powder formation in the gas pipeline in the waste; (b) black powder pretreatment collected to adjust its spherical shape to avoid friction and fine powder production; and (c) activation of black powder to increase the reaction rate and the black powder oxygen carrier as an oxygen carrier generation for chemical looping combustion process.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种依靠化学链燃烧方案产生能量、合成气、氢气和热等的方法。更特别地，本专利技术涉及气体管道废料(其为之前所丢弃的)作为化学链燃烧方案中的氧载体的使用。
技术介绍
近年来对于全球变暖的关注增加，这已导致发电领域中的研究增加。为了对抗全球变暖的不希望的效果，已经提出了不同的措施。一个这样的措施就是碳捕获和储存(CCS)，其被广泛地认为是一种对抗CO2排放的中至长期的纾缓措施。CCS具有既有价值又环保的潜力，并且如果在其被捕获之后CO2能够在工业应用中使用，则能够被实现。例如，CO2-EOR(通过将CO2注入油藏中而增强的油回收)是CO2潜在的工业用途，其增加了采油量。这种方法已经在商业上使用了约40年，通常使用来自天然来源的CO2，并且它的可行性在运输和注入CO2的方面已经被公认。然而，CCS的最大问题不在于所捕获的CO2潜在的工业用途，而在于当前CCS方法昂贵的价格。燃烧是发电领域中常用的反应。一些碳捕获技术在于从燃烧单元捕获CO2，包括后处理、O2/CO2燃烧(氧燃料)，和CO-转变。这些CO2捕获技术都遭受了以下事实：需要非常显著的气体分离步骤。并且，这些气体分离步骤涉及非常显著的运营成本以及大量的能量损耗(energypenalty)，据估计约10个点百分比的发电效率，导致燃料消耗和发电厂规模大量地增加—25至30％。气体分离技术通常是成熟技术，且在这个领域中预知没有重大的技术突破。这对于不需要气体分离的化学链燃烧(CLC)是个巨大的反差。CLC是一种特定类型的燃烧反应，其在1950年代被最初创立来生产CO2，但近年来它作为潜在的CO2捕获方法受到了更多的关注。在CLC方法中，氧载体用作在空气和燃料之间的氧的中间运输体，并因此阻止所述空气和燃料相互直接接触。结果是，废气气流理想地仅由CO2和H2O组成，且在H2O凝结之后CO2是容易地可用的。因此，避免了气-气-分离的能量需求。一般地，CLC法的总热量将为两个热状态(氧化过程的放热和还原过程的吸热)的总和，其相当于常规燃烧反应中所释放的热。因此，CLC法的一个优势是需要最小的额外能量来捕获CO2，同时仍然保持类似于直接燃烧方法的燃烧效率。更确切地说，对于CLC法中的CO2捕获，存在最小的能量损耗(energypenalty)，据估计仅有2-3％的效率损失。此外，与直接的燃烧过程比较，CLC法中减少了NOx的形成，因为氧化反应在空气反应器中在不存在燃料的情况下和在低于1200℃(在其温度以上NOx的形成大量增加)的温度发生。因此，NOx形成的减少使得CLC法中的CO2捕获比其它燃烧方法花费更少，因为不需要将CO2在捕获之前从NOx气体分离。总体上，CLC是现在的少数技术之一，其中能展望到在捕获CO2中避免气体分离的大量花费和能源损耗方面显著突破。CLC技术发展的关键因素在于氧载体的选择。适合的氧载体必须显示出高的反应速率和氧传输能力、完全的燃料向CO2和H2O的转化、忽略不计的碳沉积、对凝聚的避免、足够的耐久性和良好的化学性能。在多次还原和氧化循环过程中必须保持这些性质。此外，氧载体的价格也是重要的。在典型的化学链燃烧过程中，使用固体金属氧化物的氧载体来氧化在燃料反应器中的燃料流。过渡金属氧化物例如镍、铜、钴、铁、和锰是良好的候选氧载体，因为它们具有良好的还原和氧化热力学性质。还有，金属氧化物作为氧载体的有效使用可使CLC法昂贵。例如，美国专利No.5,447,024要求使用氧化还原对NiO/Ni与粘合剂型钇化氧化锆(thebindertypeyttriatedzirconia)的组合作为活性物质来改善颗粒的机械强度和反应性。使用粘合剂型钇-氧化锆增加了金属氧化物的费用以及因此的CLC法的花费。由于管道内壁的腐蚀，黑色粉末是再生的且形成在天然气管道内的。黑色粉末通过含铁的管道钢中的铁(Fe)与含有氧气、CO2、和其它气体的冷凝水之间的化学反应形成。图1示出了示例性管道10，其具有外表面和相对的内表面12。示出了沿管道10的内表面12收集黑色粉末20。黑色粉末主要地包括铁氢氧化物、铁氧化物，和铁的碳酸盐。如本文包括权利要求书中所使用的，黑色粉末指的是残留物(材料)，其是由于腐蚀沿着管道内表面作为天然废品形成且包括金属氧化物。黑色粉末也能从天然气精炼厂所使用的上游过滤器来收集。很多年前，管道公司已观察到黑色粉末的存在和它的影响，但仅将其作为一种有害物，且因此没有去了解它和使用它。相反地，管道公司主要寻求从管道中去除黑色粉末的方法。存在多种方法来去除黑色粉末，例如分离器和旋风装置，其中负载黑色粉末的气体通过这些装置，并且物理地将黑色粉末颗粒从气流中撞出来。具体地，将黑色粉末颗粒从气流中去除，并且附着在装置(例如，分离器、旋风装置)的壁上，在此处它们落下且在底部被收集在收集媒介中。管道公司还没有找到黑色粉末的有益用途。在世界上，存在大量的来自气体管道的黑色粉末，并且由于被认为缺乏价值，因此它容易以非常低的价格来获得。现在，黑色粉末普遍地作为废物被丢弃。总的来说，鉴于对全球变暖日益关注，在发电领域中存在有效地捕获CO2的需要。并且，存在降低当前CLC法的费用的需要，以及具体地，降低CLC法中所使用的氧载体的费用的需要。最后，存在使用在气体管道中形成的黑色粉末废料的需要。
技术实现思路
本专利技术涉及一种成本效益好的运行化学链燃烧(CLC)单元的方法。更具体地，本专利技术涉及一种CLC法，其中自气体管道收集黑色粉末，并将其用于CLC单元中作为低成本的有效的氧载体。在一个实施方案中，使用分离器或者旋风装置从气体管道来去除并收集黑色粉末。一旦收集了黑色粉末，然后经由综合方法例如喷雾干燥或者冷冻造粒来处理，来调整黑色粉末的球形形状以避免摩擦和细粉产生。接下来，将黑色粉末进行激活处理以增加它的反应性和产生黑色粉末氧载体。在另一实施方案中，该黑色粉末也能与其它金属氧化物混合，以增加黑色粉末氧载体的反应性。在一个实施方案中，将经激活的黑色粉末氧载体置于在CLC单元的燃料反应器内的床(流化床)中。在燃料反应器中，该黑色粉末用作与燃料燃烧反应的氧载体。黑色粉末氧载体在CLC单元的燃料反应器中释放气相的氧，并且具有释放高含量气相氧的性质。燃料反应器中气相的氧的释放，能增加对燃料的反应性以及降低床的排放。燃料反应器中的燃烧反应导致了黑色粉末氧载体的还原。在燃烧反应后，再将经还原的黑色粉末传输至空气反应器，其中通过注入空气将它氧化。再将所得的被再氧化的黑色粉末从空气反应器循环至燃料反应器中的床以再次用作氧载体。该黑色粉末氧载体可用于CLC法中，以与不同种类的燃料(例如气体燃料、液体燃料，和固体燃料)反应。本专利技术的CLC法也能用来生产能量、热量、合成气和氢等。附图说明对本专利技术更完整的理解和它的许多特征和优点将通过参考以下详细的说明书及其附图来获得。值得注意的是，附图仅示出了本专利技术的几个实施例，并因此不应被认为对专利技术范围的限制。图1是包括沿着其内表面形成的黑色粉末的管道的端部部分的透视图；图2是按照本专利技术的具体实施方案的CLC法的示意图；图3是按照一种具体实施方案的生产黑色粉末氧载体的方法的示意图；图4是显示了从黑色粉末颗粒释放氧气的示意图；和图5是显示了包括各种黑色粉末的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备适合用于化学链燃烧单元中的氧载体的方法，包括以下步骤：去除和收集在气体管道中形成的黑色粉末；预处理所收集的黑色粉末；和激活所收集的黑色粉末以增加该黑色粉末的反应性，从而形成用于化学链燃烧单元中的黑色粉末氧载体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.03 US 14/294,6211.一种制备适合用于化学链燃烧单元中的氧载体的方法，包括以下步骤：去除和收集在气体管道中形成的黑色粉末；预处理所收集的黑色粉末；和激活所收集的黑色粉末以增加该黑色粉末的反应性，从而形成用于化学链燃烧单元中的黑色粉末氧载体。2.根据权利要求1的方法，其中所述黑色粉末包括铁的氢氧化物、铁的氧化物，和铁的碳酸盐。3.根据权利要求1的方法，其中将所述黑色粉末从天然气管道去除，并使用分离器和旋风装置中的至少一种来收集，使得负载有黑色粉末的气体通过所述分离器或旋风装置，并且将黑色粉末颗粒从气流中撞出至分离器或旋风装置的壁，在此处它们落下并在收集媒介中在分离器或旋风装置内被内部地收集。4.根据权利要求1的方法，其中所收集的黑色粉末通过综合方法预处理。5.根据权利要求4的方法，其中所述综合方法包括喷雾干燥法和冷冻造粒法之一。6.根据权利要求4的方法，其中所述综合方法包括以下步骤：形成包括约60.1％黑色粉末和约39.9％锰矿石的粉末混合物；将所述粉末混合物与有机添加剂一起分散在去离子水中，以形成含水悬浮液；均化所述含水悬浮液；喷雾干燥所述含水悬浮液，以形成具有一定粒度范围的基于固体黑色粉末的组合物；筛分所述基于固体黑色粉末的组合物，以收集在预定颗粒范围内的颗粒；和烧结所收集的颗粒。7.根据权利要求1的方法，其中黑色粉末的激活包括以下步骤：使用烟道气以还原所述黑色粉末并通过增加所述黑色粉末的孔隙率和表面积以改善气-固接触来激活所述黑色粉末，从而改善所述黑色粉末对其它气体、液体或固体燃料的反应性。8.根据权利要求7的方法，其中所述烟道气包含至少10-50％的H2和至少10-50％的CO。9.根据权利要求1的方法，其中所述黑色粉末的激活包括以下步骤：通过将所述黑色粉末与一种或多种其它金属氧化物混合以形成具有增加的反应性的基于黑色粉末的组合物来增加所述黑色粉末的反应性。10.根据权利要求9的方法，其中所述其它金属氧化物包括铜氧化物、锰氧化物或者其组合。11.根据权利要求9的方法，其中所述基于黑色粉末的组合物包括约60.1％黑色粉末和约39.9％Mn3O4。12.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：BA法德尔，Z尤素夫，AD哈马德，AH艾卜盖格，PT马蒂森，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA