CN102665871A - 用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造二氧化碳和输出燃料气体的***和方法 - Google Patents

用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造二氧化碳和输出燃料气体的***和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的方法和***。所述方法包括以下步骤：将脱碳剂部分用于使至少固体吸附剂与燃料气体和蒸汽发生反应从而从输入燃料气体中除去碳并由所述脱碳剂制造排出气体中的输出燃料气流；将煅烧炉部分用于使来自所述脱碳剂部分的所述固体吸附剂在其中发生反应从而将CO2释放到CO2气流中；其中分别对CO2分压以及所述脱碳剂和煅烧炉部分中的温度进行控制，使得所述脱碳剂部分中的温度高于所述煅烧炉中的温度。

Description

用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造二氧化碳和输出燃料气体的***和方法
技术领域
本发明大致涉及用于处理输入燃料气体和蒸汽以在单独气流中制造二氧化碳和输出燃料气体的***和方法。
背景技术
消耗大量碳燃料的工厂如发电厂、水泥厂和钢铁厂越来越多地在它们与燃料成本的挥发性和产品的价格相关的运行中以及在特别是与碳排放相关的监管和市场环境中需要灵活性。在这种情况下，存在要由采用燃料的混合物如煤和天然气的矿物燃料而获得的利益，所述燃料混合物引起通常不引起的排放惩罚、生物质和废弃物。需要更换这种燃料的制造工艺。这种灵活燃料厂可以以（a）全部碳排放，来自无封存的矿物燃料的燃烧，具有排放惩罚，（b）具有可忽略的排放，来自具有二氧化碳（CO2）的封存（sequestration）的矿物燃料的燃烧或者无封存的非矿物燃料的燃烧，（c）负排放，来自具有CO2的封存的非矿物燃料的燃烧中的任何方案来运行，这会是具有排放交易方案的收入的来源。最佳运行条件会因包括来自碳排放的输入和输出价格的市场变化性而在小时到天的时间量程上发生变化。另外，在工厂使用期限的时间量程中，在长期运行成本中存在另外的不确定性，从而可能使得工厂不经济，这起因于用于CO2排放的监管环境的变化。在该环境中，需要灵活途径以捕获碳，其中工厂可以以这些方案的任何方案运行。
由于工业处理工厂的高资本成本，对工厂使用中的灵活性的需要特别重要。例如，操作者可具有使用燃料输入，诸如各种等级的煤，天然气（NG），生物质或废弃物的选择。操作者还可以得益于选择包括氢，合成天然气（SNG）的衍生燃料产品和选择是否处理用于封存的二氧化碳。需要可以使用各种燃料输入以制造各种燃料输出并具有和不具有碳捕获的灵活性工艺。下面考虑更具体的实例。
一个手段是减少来自固体燃料如煤的燃耗的CO2排放，生物质和废弃物是来自通过在部分氧化气化器中利用蒸汽和氧将这种固体燃料部分氧化而制造的合成气的预燃烧碳捕获。合成气包含可燃性气体、氢、一氧化碳和少量的甲烷和其他烃。其还包含大量的CO2和蒸汽。在该途径中，通过与蒸汽的水煤气转移反应而产生其他CO2，将其分离、压缩和封存，同时产生氢以作为燃料气流。该工艺基于用于发电的整体煤气化联合循环（IGCC）***。据认为，在无CO2捕获的情况下，该工艺具有几乎最大的发电效率。尽管部分氧化气化技术对于固体燃料源是通用的，但是使用预燃料捕获技术如Benfield分离工艺和水煤气转移反应的脱二氧化碳导致显著的能量损失，且CO2捕获的成本显著。另外，氢难以运输和储存，因此这种***必须在需要时立刻制造氢。煤炭地下气化由煤层直接制得合成气。
在两种情况下，在高压下，通常在超过20巴下发生气化反应，并通过用水淬冷来控制输出温度，但是在气体清除前最佳为约800-900℃，假定850℃。在大部分工业部分氧化气化器中，将纯氧注入到气化器中。在空气分离单元中从空气中提取压缩氧。在其他部分氧化气化器中，将压缩空气直接引入到气化器中，结果使得合成气也包含惰性气体如氮和氩。
对于如下脱二氧化碳技术存在需求：其能够在存在或不存在惰性气体的情况下，以低能量损失对由任何这些工艺制造的合成气进行脱碳来制造脱碳的氢燃料流以及单独的二氧化碳气流。
另一种气化途径是在氢化气化器中利用氢，并经常利用蒸汽将固体燃料氢化气化以制造包含可燃成分甲烷、一氧化碳和氢以及少量的其他烃的燃料气体。可以将称作氢化气体的这种燃料气体部分脱碳以制造供应回氢化气化器中的氢气流，称作合成或代用天然气（SNG）的富甲烷气流以及用于封存的单独CO2流。SNG制造仅是典型地具有约50%脱二氧化碳的部分脱二氧化碳工艺，因为SNG携带约50%的初始碳和其他量的CO2。氢化气体的脱二氧化碳从氢化气体中的CO和CO2中，但是不从甲烷中除去碳，从而确保SNG满足NG的高发热值规格。这种氢化气体的部分脱二氧化碳可以将确定的预燃烧捕获技术如Benfield或胺工艺与蒸汽和水煤气转移反应结合使用来实现。然而，该工艺导致了显著的能量损失，因此CO2捕获的成本显著。对于能够以低能量损失将氢化气体部分脱碳来制造氢气流、SNG燃料流和单独的二氧化碳气流的脱二氧化碳技术存在需求。煤炭地下加氢气化通过注入氢，根据需要利用蒸汽由煤层直接制得合成气。可以如上所述对这种氢化气体进行脱碳。
需要减少来自NG、以及由此来自SNG的排放以进一步减少CO2排放。通常，相对于每单位生成的热能，来自NG/SNG的燃烧的碳排放为由固体燃料的燃烧排放的CO2的约50%以下。来自NG/SNG的燃烧的CO2排放的进一步减少可以通过例如使用胺技术进行燃烧后的碳捕获来实现。NG/SNG的预燃烧脱二氧化碳可以通过对NG/SNG进行蒸汽重整以制造合成气，然后由部分氧化气化器如上面关于合成气所述的对合成气燃料流进行脱二氧化碳来实现。这得到了用于燃烧的氢气流和用于封存的单独二氧化碳气流。使用例如Benfield工艺的蒸汽重整、水煤气迁移和CO2捕获的分离处理步骤具有显著的能量损失。对于能够以低能量损失在单一反应器中对NG/SNG进行脱碳以制造脱碳的氢燃料流和单独的二氧化碳气流的脱二氧化碳技术存在需求。
例如，发电机可以使用来自附近的煤、生物质或废弃物源的固体燃料以由部分氧化气化器来制造合成气，并且还可以从煤气管道或者从煤层提取获得NG。在这种情况下，可以期望具有对合成气或NG进行脱碳以对发电提供连续氢气流的灵活性。
在另一个实例中，选择发电机以由氢化气体制造SNG且发电机可得益于将过量制造的SNG转移到NG管道中，只要获得典型的气体分配***的气体储存能力即可。这会使得即使对于电力的需求低，氢化气化器也可以在其最大容量下运行。在该途径中，优选其中可以将脱二氧化碳工艺由制造氢转变为制造SNG，或其可分离的混合物的单步骤工艺。考虑到关于SNG和CO2的市场，期望地对这种***进行控制以满足对于电力的可变需求。
因此，存在的需求是提供用于处理可变组成的输入燃料气体如合成气，氢化气体，NG，SNG或它们与蒸汽的混合物以制造具有控制组成的输出燃料气体和单独的CO2气流的***和方法，其设法解决上述问题中的至少一种。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的***，所述***包含脱碳剂部分（脱碳剂区段，decarboniser segment），其被构造成使得至少一种固体吸附剂在其中与所述燃料气体和所述蒸汽发生反应从而除去来自所述输入燃料气体的碳并由所述脱碳剂制造排出气体中的所述输出燃料气流；煅烧炉部分（煅烧炉区段，煅烧炉部分，acalciner segment），其被构造成使得来自所述脱碳剂部分的固体吸附剂在其中发生反应以将作为CO2的碳释放到CO2气流中；其中所述***被构造成使得分别对CO2分压以及所述脱碳剂部分和煅烧炉部分中的温度进行控制，使得所述脱碳剂部分中的温度高于所述煅烧炉部分中的温度，使得从所述脱碳剂向所述煅烧炉提供热。
所述脱碳剂可以被构造成使得所述蒸汽与所述燃料气体中的一氧化碳或者由所述脱碳剂中的所述燃料气体制造的一氧化碳发生反应，从而制造用于由所述固体吸附剂吸附的CO2。
所述脱碳剂可以被构造成使得所述蒸汽与所述燃料气体中的烃发生反应从而制造一氧化碳和CO2中的一种或两种。
所述***可以进一步包括用于在所述脱碳剂和煅烧炉部分之间进行热交换的热交换单元；其中通过所述热交换单元来提供由所述脱碳剂提供至所述煅烧炉的热。
所述输出燃料气流可以包含氢或甲烷。
所述输入燃料气体可以包含合成气、氢化气体、SNG或NG。
可以在所述脱碳剂部分中设置固体催化剂以激活反应从而由所述脱碳剂制造所述排出气体中的输出燃料气体。
可以将所述固体催化剂负载在所述脱碳剂部分中，或者可以将其与作为单独颗粒的所述固体吸附剂一起混合，或者可以将其并入到所述固体吸附剂中。
所述固体催化剂可以包含氧化铁。
所述固体催化剂可以与所述固体吸附剂混合，且所述固体催化剂的粒度可以大于所述固体吸附剂的粒度。
所述固体催化剂的粒度可以等于或大于约150微米，并且所述固体吸附剂的粒度小于约125微米。
所述***可以进一步包括用于向所述煅烧炉部分提供另外的热的燃烧室。
所述固体吸附剂可以包含石灰颗粒。
所述石灰颗粒可以在约20-200微米的范围内，并且在所述煅烧炉部分和脱碳剂部分的排气处的温度在约700-950℃的范围内。
所述***可以进一步包括用于向分配网络进料输出气流的进料部（进料器，feed）。
所述甲烷气体分配***可以包括现有的NG分配网络（分配网）。
所述NG分配网络可以包含液化气体的运输部（transportation）和低压气体输送部（low pressure gas delivery）。
所述气体分配网络可以进一步被构造成向被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器中输送甲烷形式的输出燃料气体。
所述被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器可以从所述甲烷产生单独的氢和CO2流股。
所述***可以进一步包括用于向CO2气体分配网络进料CO2气流的进料部。
所述CO2气体分配网络可以被构造成输送用于封存（sequestration）的CO2气流。
所述CO2气体分配网络可以被构造成由被构造为预燃烧除去CO2的Endex反应器接收另外的进料。
根据本发明的第二方面，提供一种用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的方法，所述方法包括如下步骤：将脱碳剂部分用于使至少一种固体吸附剂与燃料气体和蒸汽发生反应从而由所述脱碳剂制造排出气体中的输出燃料气体；将煅烧炉部分用于使来自所述脱碳剂部分的所述固体吸附剂在其中发生反应从而将CO2释放到CO2气流中；其中分别对CO2分压以及所述脱碳剂部分和煅烧炉部分中的温度进行控制，使得所述脱碳剂部分中的温度高于所述煅烧炉中的温度。
在所述脱碳剂中，所述蒸汽可以与所述燃料气体中的一氧化碳发生反应或者由所述脱碳剂中的所述燃料气体制造的一氧化碳发生反应，从而制造用于由所述固体吸附剂吸附的CO2。
在所述脱碳剂中，所述蒸汽可以与所述燃料气体中的烃发生反应从而制造一氧化碳和CO2中的一种或两种。
所述方法可以进一步包括将热从所述脱碳剂提供至所述煅烧炉。
所述输出燃料气流可以包含氢或甲烷。
所述输入燃料气体可以包含合成气、氢化气体、SNG或NG。
所述方法可以进一步包括在所述脱碳剂部分中提供固体催化剂以激活反应从而由所述脱碳剂制造所述排出气体中的输出燃料气体。
所述固体催化剂可以包含氧化铁。
所述固体催化剂的粒度可以大于所述固体吸附剂的粒度。
所述固体催化剂的粒度可以等于或大于约150微米，且所述固体吸附剂的粒度小于约125微米。
所述方法可以进一步包括将燃烧室用于向所述煅烧炉部分提供另外的热。
所述固体吸附剂可以包含石灰颗粒。
所述石灰颗粒可以在约20-200微米的范围内，并且在所述煅烧炉部分和脱碳剂部分的排气处的温度在约700-950℃的范围内。
所述方法可以进一步包括向分配网络进料输出气流。
所述方法可包括运输液化气体和低压气体输送。
所述方法可以进一步包括向被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器中输送甲烷形式的输出燃料气体。
所述方法可以进一步包括使用所述被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器可以从所述甲烷产生单独的氢和CO2气流。
所述方法可以进一步包括向CO2气体分配网络进料CO2气流。
所述方法可以进一步包括将所述气体分配网络用于输送用于封存的CO2气流。
所述方法可以进一步包括由被构造为预燃烧除去CO2的Endex反应器接收用于所述CO2气体分配网络的另外进料。
附图说明
结合附图并仅通过实例，对于本领域的普通技术人员来说，由下述说明，会更好地理解本发明的实施方式且本发明的实施方式会显而易见，其中：
图1示出了根据示例性实施方式的说明用于灵活燃料Endex反应器的通用工艺流程的示意图。
图2示出了根据示例性实施方式的说明用于灵活燃料Endex反应器的工艺流程和反应器***的示意图。
图3示出了根据示例性实施方式的说明包含具有节点的电力、NG/SNG管道和CO2网络/管道，封存位点和NG/SNG位点的能量分配网络的示意图，所述节点为NG/SNG的源和NG/SNG的用户。
图4示出了根据示例性实施方式的工艺的示意图，其中布置大量灵活燃料Endex反应器从而（a）从固体燃料中提取CO2以制造SNG纯天然气流，（b）在煤至甲烷产生器中在采矿位点处或其附近提取CO2，或者在生物质至甲烷产生器中在生物质源处或其附近提取CO2和（c）在用于包括产生能量的低排放工业处理的氢的制造中由天然气/合成天然气流提取CO2。
图5是示出用于实施图1的通用工艺流程且用于图3的能量分配网络和图4的工艺中的灵活燃料Endex反应器的另一个实施方式的示意图。
图6示出了说明用于根据示例性实施方式处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的方法的流程图。
具体实施方式
灵活燃料Endex反应器（Flexible Fuel Endex reactor）将输入燃料气流脱碳为具有不同组成的可燃性气体和二氧化碳气流的输出燃料气流。将用于5个构造实施方式10、20、30、40和50的灵活燃料Endex反应器的通用工艺流程示于图1中。实施方式10、20、30和40说明了单一反应器110如何能够被构造为用于不同的燃料流和不同的产物燃料流，而实施方式50说明了一对灵活燃料Endex反应器120、130如何能够被串联构造为用于另外的灵活性。如下所述，这些工艺仅示出了气体流动，且不包括固体吸附剂或催化剂的输入和输出或辅助***。另外，未明确示出使用各种固体燃料诸如各种等级的煤、生物质或废弃物来制造输入合成气或氢化气体。应注意，灵活燃料Endex反应器可以有利地以通过用于在灵活燃料Endex反应器（110，120，130）中建立新的稳定状态的时间来确定的输入燃料之间的过渡时间，利用实施方式10，20，30和40中所示的任何输入来运行。根据灵活燃料Endex反应器的实施方式的详细说明，利用图2中所示的工艺流程，可证明，灵活燃料Endex反应器充当气体转换器（gasswitch）。此外，灵活燃料Endex反应器能够在实施方式10，20，30和40中所示的燃料输入的混合物上运行，且能够在由合成气、氢化气体、NG和SNG覆盖的广范围的气体组成上运行。这些燃料气流的特征在于不同量的作为可燃性成分的甲烷、其他烃、氢和一氧化碳与作为不燃性成分的蒸汽、CO2和其他惰性成分。这些燃料气体的温度、压力和组成取决于它们的制备方法。气流可以包含或不包含硫和其他不期望的气体。优选在注入前由输入气体对这些少量组分进行洗涤。输入压力优选在15-40巴的范围内且输入温度优选在400-900℃的范围内。例如，如果考虑用于制造氢的输入气体转换构造，则优选的是，输入气体压力对于被调节为在氢气流中提供恒定发热值的气流和质量流量相同。对于作为用于使用燃气轮机进行发电的燃料的应用，还可以通过氢气流中的过量蒸汽来调节沃布指数（Wobbe Index）。
灵活燃料Endex反应器（110，120，130）优选通过优选利用空气燃烧输入或输出燃料气流而产生在反应器中发生的化学反应所需要的任何处理热。处理热包括辅助热交换器所需要的处理热和由蒸汽或燃气轮机发电可能需要的处理热。用于处理热的输入燃料气体的燃烧产生具有碳排放的烟道气，而脱碳气流的燃烧产生少量的碳排放。氢气流以可忽略的碳排放进行燃烧，同时伴随不完全的碳酸化。
在图1的实施方式10中，输入燃料气流是可以由部分氧化气化器制造的合成气112，且输出是氢燃料气流116。在实施方式20和30中，输入燃料气体蒸汽是氢化气体122、132，其分别用于制造甲烷或氢燃料气流126、136。
在实施方式40中，输入燃料气体是用于制造氢燃料气流146的NG或SNG 142。在各实施方式中，将蒸汽114、124、134、144用于引发在反应器中制造CO2的化学反应，所述CO2作为CO2气流118、128、138、148被提取。在实施方式10、30和40中，输出气流是氢气流，其中脱二氧化碳基本完全（具有典型的90%捕获效率），而在实施方式20中，输出燃料气体是甲烷126，在所述情况下，脱二氧化碳典型地为约45%。下面考虑这些反应的细节。
在实施方式50中，将一对灵活燃料Endex反应器120、130串联用于处理氢化气体152，其中第一反应器120利用部分脱二氧化碳制造甲烷气流156，而第二反应器130制造氢燃料气流166，从而完成脱二氧化碳。在该构造中，输出可以是来自第一反应器120的甲烷156和/或来自第二反应器130的氢燃料气体166。相反，实施方式20和30使用单一反应器来将氢化气体122、132处理为这些气流中的任一种。通过蒸汽输入的量、不同催化剂的存在并通过提供外部加热来控制构造20和30的不同输出126、136。实施方式50的灵活性可以利用通过NG管道运输甲烷而在几百千米上将反应器物理分离。应理解，在这种情况下，如果管道是NG分配***的一部分，则不太可能将相同的气体用于第二反应器中。反而，工艺会通过与NG管道操作者一致的供应和取出（指示为NG流162），例如需要到管道中的SNG输入满足与输入NG相同的规格而工作。
为了完成在单一反应器中的实施方式10、20、30和40的上述工艺，上述各工艺有利地涉及反应性脱二氧化碳。即，输入燃料气流通常包含非常少的CO2，且CO2与合成气输入中一样由输入气体中的CO制造，或者与氢化气体输入中一样通过甲烷的蒸汽重整来制造。本领域的技术人员应理解，使得导致脱二氧化碳的这种转化可行的基础气相化学反应在600-900℃的区域内活跃，从而使得CO2捕获工艺优选在这种范围内运行。
在反应器中发生的初步反应是实施方式10、20和50（反应器120）中的水煤气转移反应（WGS），以及实施方式30、40和50（反应器130）中的WGS和蒸汽重整反应（SR）。这些反应是：
CO+H2O→CO2+H2  水煤气转移
CH4+H2O→CO+3H2 蒸汽重整
在氢化气体122和132、NG和SNG142输入的情况下，两种反应都发生，而在合成气112输入的情况下，仅发生WGS反应。这些反应通常在固态催化剂的存在下，在600-1000℃的范围内在高温下发生。
燃料气体中的烃还可以例如以CH4+2H2O=CO2+4H2的化学计量与蒸汽发生反应而形成CO2。即，蒸汽可以与燃料气体中的烃发生反应从而制造一氧化碳和CO2的一种或两种。
这些反应不分离CO2，而是通过注入以固体碳酸盐，例如以碳酸钙CaCO3来提取CO2的CO2吸附剂如石灰（CaO）或煅烧白云石（CaO.MgO）来完成分离。净效果是通过气体脱二氧化碳反应，根据LeChatalier's原理，通过WGS和SR反应两者的移动平衡，通过固体CaO颗粒吸附CO2增强了氢的形成，所述气体脱二氧化碳反应在石灰作为吸附剂的情况下是
CaO（s）+CO2-CaCO3（s）气体脱二氧化碳
净反应是
CO+H2O+CaO（s）→CaCO3（s）+H2吸附剂增强水煤气转移
CH4+2H2O+CaO（s）→CaCO3+4H2吸附剂增强蒸汽重整
吸附剂增强WGS工艺，SEWGS已经由S.Y.Lin，M.Harada，Y.Suzuki和H.Hatano,“CO2separation during hydrocarbon gasification"，Energy，30，2186-2193（2005）以及S.Y.Lin，M.Harada，Y.Suzuki和H.Hatano，"Processanalysis for hydrogen production by Reaction Integrated Novel Gasification（HyPr-RING）”,Energy Conversion and Management，46，869-880（2005）所描述。利用水滑石的SEWGS工艺由2009年9月，奥维耶多的IEA SolidNetwork Looping Conference，P.D.Cobden,“High Capacity Hydrotalcites”所描述。吸附剂增强SR反应，SESR由Balasubramanian，B.；Ortiz，A.L.；Kaytakoglu，S.；Harrison.，D.P."Hydrogen from methanein single-stepprocess"，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。尽管很好地理解了SESR和SEWGS反应，但是先前尚未描述如本文中所述的用于将它们应用于灵活脱二氧化碳的条件。常规的碳捕获***如胺或专利的溶剂技术不能在该温度范围内运行且在这些温度下不能容忍燃料气流中的活性物质。
还可以通过蒸汽将燃料气体中的少量烃组分重整为氢和二氧化碳。甲烷的蒸汽重整初始制造一氧化碳，然后通过WGS反应将其转化为二氧化碳和另外的氢。在吸附剂增强WGS（SEWGS）和吸附剂增强SR（SESR）中，气体的脱二氧化碳造成WGS和SR反应而制造另外的氢，从而驱动反应完成。理解了这些反应的热力学，其中WGS反应轻微放热且反应热为-41.2kJ mol-1，SR反应以165.0kJ mol-1强烈吸热，并且脱二氧化碳反应以-179.6kJ mol-1强烈放热。理解了这些反应的动力学，且WGS反应和SR反应两者都通常在1000℃以下太慢，且由固体催化剂催化。在约850℃的温度下，最常用的催化剂是混合价态氧化铁，已知其催化两种反应。在大多数WGS反应器设计中，氧化铁发生烧结且丧失其催化活性。低温WGS反应器使用更强大的催化剂如镍。在工业WGS和SR反应器中，通过负载在保持在反应器中的各种基材上而将催化剂保持在反应器中。
已经对引入石灰，CaO作为在600-900℃的期望范围内用于SEWGS和SESR反应器的吸附剂进行了研究。当装载有CaCO3时，将吸附剂运输到煅烧炉反应器中，其中通过煅烧反应（焙烧反应）再生吸附剂CaO并以纯气流释放CO2，将其冷却并压缩，
CaCO3→CaO（s）+CO2煅烧
将在气体脱二氧化碳（或吸附剂碳酸化）反应器和煅烧反应器之间循环吸附剂的全部工艺称作最初由Temminck和Heesink（PCT WO94/012034994）关于由烟道气捕获CO2和由水煤气转移反应器对燃料气体捕获CO2描述的钙循环或氧化钙循环。
在约850℃下SEWGS工艺的主要障碍与CaO吸附剂的三种基本性能，即CaO颗粒在这些温度和压力下的烧结，CaO颗粒的磨损以及CaO与如果存在的挥发性硫化合物如H2S和COS形成CaS的不可逆反应和与如果存在的挥发性氯化物制造CaCl2的反应相关。烧结通过在900℃以上由CO2和H2O两者催化的热烧结和约10%以上的吸附剂碳酸化的反应性烧结来进行。如果作为累积形成CaS、烧结或磨损的结果，必须补充吸附剂的比率非常高，则存在能量损失，因为CaO吸附剂首先通过煅烧石灰石CaCO3来制造。这种制造工艺消耗能量并产生CO2。零排放煤工艺（J..Ruby，A.Johnson，H.Ziock和K.Lackner，Proceedings of 21st InternationalTechnical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems，Clearwater,Florida,4-7,March 767（2002））考虑使用石灰来制造甲烷，但是未建立分离CO2的有效手段。
Sceats在"System and method for Processing Flue Gas"（PCT/AU2009/000613）中描述了对于烟道气CO2分离的有效手段。通过引用将PCT/AU2009/000613的内容并入本文，且在本文中在所有方面都不再对其进行再陈述。所述工作描述了称为Endex构造的吸附剂碳酸化和煅烧反应器的构造，其中可以利用可忽略的附加能量来实现CO2分离。这通过热耦合反应器来实现，使得它们作为耦合对来运行，其中在稳态条件下一个反应器放热运行（碳化器）且另一个吸热运行，其中来自放热反应器的热自发地流向吸热反应器。通过控制CO2排放压力，将煅烧炉的温度设定为低于碳化器的温度，使得可实现这种条件。Endex构造的优势在于通过低煅烧温度使CaO的热烧结最小化且通过以低碳酸化程度有效地运行反应器的能力使反应性烧结最小化。通过反应器壁或吸附剂传递或两者的组合来发生热传递。由此，在反应器***中循环吸附剂和能量两者。对于从烟道气分离CO2，用于吸附剂碳酸化的能量等于煅烧的能量，从而优选不需要寄生能量损失如辐照热损失之外的附加能量。
本文中的示例性***和方法实施方式描述了将Endex原理应用于燃料气流的脱二氧化碳以由灵活燃料Endex反应器来制造脱二氧化碳的或部分脱二氧化碳的燃料气体蒸汽和压缩的CO2。图1的实施方式各自使用高温CO2吸附剂循环以实现燃料气体的脱二氧化碳。吸附剂通常是石灰石，但是可以使用其他高温循环吸附剂如煅烧白云石CaO.MgO。实施方式还包括可以通过氧化铁或其他催化剂实现的反应的催化，所述氧化铁或其他催化剂为利用CO2吸附剂循环的粒子状或者保持/负载在其中需要催化剂的反应器中的负载催化剂。可以发现石灰石在颗粒中包含CaCO3和氧化铁作为组分，因此在一个实施方式中吸附剂石灰颗粒包含催化剂。或者，如果在诸如Ca(OH)2的沉淀的工艺中制备石灰吸附剂，则可以在所述阶段添加催化剂。即，可以将固体催化剂负载在脱碳剂反应器或与作为单独颗粒的固体吸附剂混合或并入到固体吸附剂中。在实施方式中，使用石灰颗粒作为固体吸附剂，颗粒优选在约20-200微米的范围内，并且在煅烧炉和脱碳剂的排气处的温度在约700-950℃的范围内。
示例性实施方式中的灵活燃料Endex反应器通常包含三个部分（区段）。第一部分是气体脱碳剂，其利用高温吸附剂使用SEWGS或SESR反应来对输入气流进行脱碳，并且通过控制对其他部分的耦合和输入气流的蒸汽含量，规定燃料气体输入的反应以制造需要量的燃料气体和装载CO2的固体吸附剂流股。该反应器包含负载且保持在反应器中或者利用CO2吸附剂运输的催化剂。第二部分是煅烧炉，其再生吸附剂并制造用于压缩和封存的CO2气流。CO2气流的压力用于控制气体脱碳剂中的脱二氧化碳程度，并且优选是控制碳酸化程度的手段。第三部分是燃烧室，其将燃料燃烧以产生成比例地供应至气体脱碳剂和煅烧炉的处理热，从而控制反应器的运行。将这三个反应器部分热耦合，使得可以在它们之间流动热。热可以通过普通的反应器壁流动或者可以在反应器之间传递，后一种机制能够规定热传递的量并根据需要控制气体脱碳剂和煅烧炉部分中的反应程度。优选通过对煅烧炉的热损失来抑制气体脱二氧化碳反应器中的温度上升，在所述煅烧炉中也限制了温度下降。在本发明中，将Endex反应器的应用扩展至其中在Endex反应器的气体脱碳剂部分中存在一种或多种燃料气体的化学反应的用于燃料气体的情况。在本文中将这种构造称作灵活燃料Endex反应器。在所关注的特定情况中，主要的化学反应是CO与蒸汽的WGS反应和甲烷与蒸汽的SR反应。
化学反应的存在通常需要处理热，所述处理热由明确地作为控制期望反应的手段的单独燃烧室部分，以规定的量明确地提供。在Endex反应器中，通过规定用于恒定输入的CO2排出气体压力来控制从烟道气的CO2分离。在灵活燃料Endex反应器中，通过规定CO2排出气体压力以及蒸汽输入的燃料气体输出流股的化学组成和碳捕获程度，以及从燃烧室部分到气体脱碳剂和煅烧炉部分的每一个中的热传递控制CO2分离。
图2示出了WGS灵活燃料Endex反应器200实施方式，其中在三个反应器部分，气体脱碳剂201、煅烧炉202和燃烧室203之间传递热。到反应器的输入是合成气206、氢化气体208和NG/SNG 210。这些是图1中考虑的输入燃料气流选择。考虑到各输入气流的温度和压力，可以通过可用于选择或混合燃料气流的气体阀***212来选择输入。将所得气流214与蒸汽216一起注入到气体脱碳剂部分201中。将质量流量、温度、压力和到该部分中的热交换用于控制SEWGS和SR反应的程度。例如，SESR反应轻微放热且反应热为-14.6kJ mol-1，因此产生的热比较小而实现平衡。另一方面，SEWGS反应高度放热且反应热为-220.8kJ mol-1，因此产生的热比较大。产生的热的一部分可用于对输入气流214和216进行加热。下面考虑控制热传递以提供期望的输出燃料气流218的手段。
蒸汽输入216通过在锅炉222中对水220进行加热而产生，这需要处理热224。到反应器201的吸附剂输入226包含来自煅烧炉202部分的流股228。可以存在通过气体脱碳剂201和煅烧炉202部分之间的壁的热传递230以及在气体脱碳剂200和燃烧室203部分之间的热传递（未示出）。前一种热流动的方向通过总体灵活燃料Endex反应器200稳定状态来确定，而燃烧室203通常处于比其他反应器部分201、202的温度更高的温度。将现在装载有CO2的吸附剂排气232传输（234）至煅烧炉202部分以再生。在气体冷却器236中对燃料气体输出218进行冷却并根据烟道气流240的指定应用所需要的来提取热238。在一些应用中，将热压的输出烟道气流240直接注入到工业处理中，例如用于产生电力。在其他应用中，在氢分离器242中将烃和氢成分分离以得到富氢气流244和富甲烷气流246（即基本为SNG）。可以将输出240中的任何过量蒸汽作为水（未示出）从气流240中冷凝，并进行循环。可以根据需要在燃烧室部分203中通过阀248将富氢气流244分离为两个流股，产物流股250和用于燃烧的处理燃料气流252。
在煅烧炉部分202中，引入新鲜石灰石颗粒和催化剂的固体进料254以补充吸附剂和催化剂。在该实施方式中，催化剂可以是一次性的、低成本的氧化铁颗粒。在其他实施方式中，催化剂可以负载在反应器中或可以为矿物石灰石进料中的期望成分。在SEWGS的情况下，认为CaO和MgO两者都在感兴趣的温度范围内充当催化剂。煅烧炉反应是吸热的SEWGS或SESR净反应且需要+179.6kJ mol-1的热而与是否产生CO2无关。这种热主要通过来自用于SEWGS的气体脱碳剂201或用于SESR的燃烧室203的热传递获得。这种热由壁热传递230、258以及吸附剂流228、254、256、234、260和262获得。将用过的吸附剂/催化剂262从煅烧炉202排出，且可以由该流股中提取热并将其用于对输入吸附剂/催化剂254进行预加热。***200的主要控制参数是（a）煅烧炉202排气中的CO2压力的设定，（b）在燃烧室203中释放的热能的控制和（c）在各反应器之间的吸附剂的质量流量。利用热268的放出而在气体冷却器266中对CO2产物流股264进行冷却并在压缩***272中对冷却的CO2流股270进行压缩，从而提供适用于通过应用电力276来运输和封存的压缩CO2液流274。
燃烧室部分203使用氢滑流252或替代燃料278来产生所需要的处理热，所述替代燃料278可以为合成气206、氢化气体208、NG或SNG 210的输入燃料气流中的一种。将氢用于在空气280中燃烧产生低碳排放烟道290，而使用一种其他输入流股产生具有显著CO2的烟道气。对于SEWGS反应，燃烧室203所需要的热量小且所述热量起因于热损失等，而对于SESR反应，将可观的处理热用于确保主要通过来自燃烧室203的热传递来满足+179.6kJ mol-1的吸热煅烧炉202的热能需要，而在SEWGS反应器中，煅烧炉202主要通过来自气体脱碳剂201的热传递来运行。基于此，很明显，当煅烧炉202在最低温度下时对于两种反应都会发生自发的热传递。这是灵活燃料Endex构造与其中煅烧炉在比气体脱碳剂高的温度下的其他SESR和SEWGS反应器工艺相比的一个区分特征。在这种现有技术中，通过燃料与氧在煅烧炉内的燃烧来产生热，从而确保排出气体主要是CO2和蒸汽。氧产生是昂贵的工艺。在示例性实施方式中，反应器的有效热耦合有利地导致有效的脱二氧化碳工艺。反应器200的设计优选考虑从煅烧炉202部分到气体脱碳剂201部分和燃烧室203部分两者的热传递。为了对反应器的尺寸进行按比例调节，优选的是，主要通过吸附剂来传递热。
因为气体脱碳剂201部分在高压力下，所以如果燃烧室203也在气体脱碳剂201的高压力下运行，则存在机械设计益处。在这种实施方式中，使用高压力燃烧的另外益处是可以产生电力。利用电力284的消耗通过压缩机282对空气输入280进行压缩，在燃烧室203中对其进行加热以提供热烟道气286，其在涡轮膨胀机288中膨胀而产生电力290。可以燃烧充分的燃料，使得来自膨胀的电输出290可满足空气压缩机284和CO2压缩机276，以及诸如通过气动运输和闭锁料斗处理固体所需要的在***201中使用的任何其他辅助设备的电力需要。从燃烧室203部分到煅烧炉202部分的热传递可以通过从260处的煅烧炉202通过燃烧室203运输大量的吸附剂来控制，并且将292处的加热的吸附剂排气循环到256处的煅烧炉202中。可以将烟道气294进一步冷却以提取用于回收的热。
可以通过使用高固体流将吸附剂的碳酸化程度有利地降低至约6%，从而降低反应性烧结的效果。通过这种热传递来降低温度变化意味着，降低吸附剂的热烧结。然而，吸附剂仍然典型地经历磨损和硫化，且可以周期性地补充。
在具体化本发明的图2的灵活燃料Endex反应器200中，将吸附剂和如果需要的催化剂循环，且气体流动是连续的。连续流动反应器在制造***中会是优选的。连续流动在如下情况中也会是优选的：其中在火焰易受气体流动的变化影响的燃烧工艺中连续消耗所得的燃料如氢。认为可以将压载舱和阀用于使这种***中的气体流动平稳。吸附剂流动***的优势包括优选作为一个问题而除去磨损，且可以通过向反应器中渗入和渗出材料来简单地实现用于弥补烧结和硫化两者的吸附剂和催化剂替代。对于该实施方式中的应用，本发明人认为，蒸汽和燃料气体的输入气体质量的大部分作为CaCO3而被吸附剂捕获，且留下的低质量的氢气体不能通过气体脱碳剂而运送吸附剂。因此，图2中所示的灵活燃料Endex反应器200由三个停止部分201、202和203构成，并且通过用于从部分201、202和203的底部的每一个运送颗粒流股的热气体进行气动运输以注入到接收反应器的进料口中。
灵活燃料Endex***如图2中所示的***对任意输入燃料气流如206、208、210或它们的混合物进行处理以制造需要的输出燃料气流如246、250和CO2流股274。如果输入气流不包含甲烷，则不会产生甲烷，且如果SNG或NG是纯输入，则会在逻辑上优选将***运行条件控制为消耗SNG/NG，因此会将甲烷输出设定为可忽略。即，会通过上述控制来设定运行条件以实现图1中所示的结果的一种。
在灵活燃料Endex构造中，也通过将煅烧炉202排气的温度组织为低于气体脱碳剂201排气的温度，从而使得热自发地从气体脱碳剂201流向煅烧炉202，且将能量循环而有利地使对外部能量输入的需要最小化。这可以通过控制CO2分压来实现。类似地，在灵活燃料Endex构造中，优选对燃烧室203温度进行设定，使得其也高于煅烧炉202的温度，从而使得热自发地从燃烧室203流向煅烧炉202。这可以通过控制燃料气体252或278到空气280的质量流量来实现。这些热流动通过壁热传递和吸附剂/催化剂热传递两者而自发地将能量从更热的气体脱碳剂201和燃烧室203部分传递至冷却器煅烧炉202。如果可以使吸附剂流量充分高，则可以对反应器进行构造，使得不需要通过壁的热流动。这意味着，催化剂固体不必负载在反应器中，而是可以利用吸附剂固体夹带而移动通过反应器。容易替代催化剂的能力是指有利地，可以适当地使用直接来自矿藏或者作为石灰石中的杂质的氧化铁颗粒，因此有利地，绕过利用CuO预处理氧化铁的需要。即，如果CaO和氧化铁两者作为在两个反应器部分之间循环的颗粒存在，则可以将它们容易地替代。
优选的是，CaO吸附剂颗粒小于约125微米，因此在颗粒内以不受气体和热运输抑制的快速度均匀地发生煅烧-碳酸化反应。催化剂颗粒可以例如在150-250微米的范围内，因此根据需要可以将吸附剂和催化剂固体流股与用过的固体分离。高固体流动的其他优势在于，仅需要部分碳酸化，且如果将这保持为小于约6%以使反应性烧结最小化，则当在反应器部分201、202之间运输时，每个颗粒可优选充当其自身的热浴，且可以使通过壁的热传递最小化。使壁热传递最小化可促进按照大***成比例地调节反应器。在图2中的灵活燃料Endex反应器200中，颗粒间的快速热交换是优选的，使得固体催化剂颗粒有助于热交换，且能够促进反应器部分201、202和203之间的热交换。
通过燃烧室部分203处理吸附剂具有大量二级益处。首先，燃烧可除去由气体脱碳剂部分201中的吸附剂和催化剂颗粒上的Boudouard副反应累积的任何碳，否则所述碳可聚集并妨碍颗粒表面上的各煅烧/碳酸化，WGS和SE反应。其次，燃烧室203提供氧化环境，而气体脱碳剂201是还原环境，因此可以通过控制在各反应器中的停留时间将氧化铁催化剂优选地保持在担负催化活性的磁铁矿的混合价态氧化态FeO.Fe2O3中。应注意，磁铁矿通常作为石灰石沉积物中的杂质矿物而产生，且在气体脱碳剂200中具有优选高固体装载的情况下，可以获得需要的催化活性而不需要添加单独的磁铁矿颗粒。在单独添加磁铁矿的情况下，可以通过它们的磁性而将剩余的磁铁矿颗粒与用过的吸附剂流股分离并再次注入到新的吸附剂流股中。
在燃烧室203中消耗的燃料气体的量优选对化学工艺提供充分的热并弥补来自寄生辐照和导电损失的灵活燃料Endex反应器200的温度损失。来自燃烧室203的热的煅烧炉202中的吸附剂颗粒的温度升高使得煅烧炉202中的CO2的温度升高，且CO2的分压增大。较高CO2分压的益处是降低了从煅烧炉202中泵抽CO2所需要的能量。
优选实施方式中利用最小能量输入从燃料气流中连续提取CO2，同时将主要气流的温度维持为近似最佳的能力对于预燃烧碳捕获非常重要，原因不仅在于净能量损失非常小，而且在于可以在用于在联合循环（CC）工艺中进行燃烧以产生电的高的温度和压力下使气体可连续获得。灵活燃料Endex反应器使得用于发电的整体煤气化联合循环（IGCC）工艺可以进行预燃烧碳捕获，在所述工艺中通常将合成气看作来自固体燃料的燃料气体的源，但是可以将氢化气体等同地用于制造燃料气体。灵活燃料Endex反应器使得天然气联合循环（NGCC）工艺可以进行预燃烧碳捕获，在所述工艺中燃料气体是NG或SNG。这证明了灵活燃料Endex反应器的灵活性。从燃气轮机***的操作者的观点来看，灵活燃料Endex反应器使得燃气轮机可以与从煤到NG的各种燃料源一起使用。因此，对于发电厂的20-30年的运行时间，用于发电厂的大投资费用优选不受困于燃料的特别选择。
将具体化本发明的灵活燃料Endex反应器集成到IGCC流股中是基于如下观察：图2中的氢气流250是（a）在30-40巴范围中的燃气轮机需要的高压力下；和（b）和高温度的气体携带不需要由燃气轮机燃烧提供的高热能以及（c）氢气流的蒸汽和惰性气体含量在燃气轮机的效率中是有利的。因为已经通过灵活燃料Endex反应器中的低温工艺产生了输入氢气流中的能量，所以在燃气轮机中产生的NOx的量显著下降。燃烧室203中的能量消耗由氢气流中的热补偿，使得总的来说，在IGCC/NGCC工艺中产生的全部电能中存在可忽略的热效率损失。
在一个实施方式中，将优选由石灰石（CaCO3）制造的石灰（CaO）用作充当用于本文中所述的各种工艺的催化剂且充当CO2吸附剂的无机盐。在其他实施方式中，可以使用由磁铁矿或白云石制造的其他材料如氧化镁（MgO）、煅烧白云石（MgO.CaO）或半煅烧白云石（MgO.CaCO3）。其他材料包括催化剂如碳酸钾、碳酸钠、硝酸亚铁、硝酸镍（II）和硫酸亚铁。
Sceats和Horely（PCT/AU2007/000424）描述了一种其中将蒸汽用于催化由CaCO3制造CaO的闪速煅烧炉，且可以通过水冷凝将CO2与蒸汽分离而将所述工艺用于制造用于这种应用的CaO，通过引用将所述文献的内容并入本文。在另一个实施方式中，可以在常规炉中制造CaO，其中来自煅烧和燃烧两者的CO2排放有助于整个工艺的碳足迹。CaO制造工艺优选制造具有高表面积的CaO以在灵活燃料Endex反应器中提供与CO2的快速反应动力学。
用过的吸附剂/催化剂流股262主要包含石灰CaO。应理解，可以将石灰注入到氢化气化器或部分氧化气化器中以从氢化气体和合成气体流股中以CaS提取硫。在氢化气体方面，石灰可通过其作为用于固体燃料的氢化的催化剂的影响而具有附加的益处。
下面，对利用天然气分配网络的能量产生网络的实施方式进行描述以将燃料，如基本为甲烷的燃料输送至发电***，在所述发电***中，首先在这些各固体原料的源处或其附近，在由煤或生物质的气化产生甲烷的源处进行有效的CO2捕获，或者在井口处或其附近由天然气进行有效的CO2捕获，其次，在发电或其他工业处理的源处进行有效的CO2捕获，从而使得建立用于能量使用的低CO2排放工艺。
参考图3，能量网络300包含电力传输和分配网络301；压缩的NG管道网络302，其包括运输作为液化天然气的NG，且将天然气低压输送至消费者；以及二氧化碳（CO2）分配网络/管道303，其可以最初通过使用携带压缩CO2或作为固体CO2的干冰的油槽车，驳船或船来进行。当关于CO2捕获和封存的要求发展时，期待在可实行的地方发生用于CO2的管道的转出。
NG网络/管道302可用于运输SNG，条件是SNG的组成和发热值的规格满足NG的组成和发热值。将NG网络302从一个或多个NG源304进料并将NG输送至一个或多个发电厂305如NG，NGCC或CHP燃气轮机发生器和工业加工厂306，其可以包括例如水泥厂和钢铁厂。通常，NG源304在偏远场所，而发电厂305和工业加工厂306位于大城市区域或其附近以接近人群，且在电的情况下，优选地以降低电力传输损失。
可以由通过例如煤307或生物质308的氢化气化制造的SNG来供应这种NG网络302。在本文中煤是指任何非气相矿物燃料如各种等级的煤，包括褐煤或泥煤、焦油砂和油页岩。用于煤、焦油砂或油页岩的氢化气化器可以是工业装置或者可以在矿物燃料沉积物中在地下或海下进行氢化气化工艺。CO2由大量源产生；由自身包含CO2作为杂质的天然气产生；由煤和生物质的氢化气化产生；由工业处理如水泥、石灰、钢铁、发电和住宅用户产生。通常，来自住宅用户的CO2捕获是不可行的。来自其他上述用户的每一种的CO2排放是使得期待对它们进行提高的规定、税和容许以降低人类的CO2排放的等级。
能量网络300的优势在于，可以在大的地下储层310中储存SNG/NG，从而可以在需要时立刻产生电力而不需要关闭任何SNG生产工厂。NG/SNG储层可有利地是关于能量安全性的重要考虑。
所述的能量网络300的另一个特征在于，在放置燃料的位点如煤田和生物质种植园处，优选将中到低发热值燃料如煤转化为高发热值燃料如SNG。在所述处理中，以CO2捕获约50%的来自煤的碳，并且通过NG/SNG网络302将主要为甲烷形式的剩余物作为SNG传输到其中可捕获剩余的50%碳的工业或大城市中心。如果每个处理具有例如90%的捕获效率，则在NG/SNG处理位点（104，107，108）处发生约45%的CO2捕获且在终端用户位点中捕获约45%。每个NG/SNG产生器和每个NG/SNG终端用户原则上具有通过用于封存的CO2运输网络303传输单独的CO2的机会。
用于图3中所示的示例性实施方式中的能量网络300的使能技术是具有可提供的高CO2捕获效率的CO2分离技术。通常，CO2捕获优选在高气体压力下进行，因为这典型地降低了成本，原因在于较小的体积流量意味着较低的物理足迹且在于如果CO2在比常规的大气燃烧***中产生的压力更高的压力下，则任何CO2分离过程会具有较高的效率。能量网络300使用预燃烧CO2捕获***，其中首先通过NG/SNG产生器且其次通过NG/SNG最终用户以两个阶段由燃料源来提取CO2。能量网络300的灵活性包括打开或关闭CO2捕获工艺以满足要求和规定的能力。在大多数现有CO2捕获技术中，与CO2捕获设备相关的能量损失使得其会优选绕过CO2捕获单元，且如果关于CO2的要求或价格太低，则将它们关闭。然而，大型加工厂的稳定性使得它们难以斜升和下降，且该工艺可以花费几小时至几天。
另一方面，包括参考图1和2如上所述的灵活燃料Endex反应器的灵活燃料Endex反应器具有足够低的热能损失，使得如果关于CO2的要求或价格太低，则在关闭CO2分离工艺时没有优势。反而，可以将CO2有利地局部储存以用于封存用之后传输，或者可以将其排出，或者另外配置在其他工业处理中。
能量网络300优选具有下列特征：
a.用于除去用于NG/SNG制造的CO2的捕获***应该能够在关闭NG/SNG制造工艺的任何水平下运行，且在NG/SNG制造工艺的斜升/缓降中不是决定因素。关于该工艺中的CO2捕获的损失低，因此NG/SNG的制造与碳封存的经济学分离。
b.用于从例如发电***除去CO2的最终用户捕获***以小能量损失运行，使得其输出会用于燃气轮机动力单元中而与是否因规定或经济原因而需要CO2捕获无关。即，如果不保证或需要CO2封存，则唯一要做的运行决定为是否排出CO2。通常，不可能利用任何燃料最佳地运行燃气轮机，且通常使涡轮机最佳化且以单一燃料组成运行。例如通过燃料的沃布指数来对这进行设定。尽管多喷嘴燃气轮机***可以排除这种需要，但是优选的是，保持气体组成而与对氢制造的需要无关。
在图4中，在***中以三个角色明确示出了灵活燃料Endex反应器在能量网络400中的应用，其中示出了用于电力401、NG/SNG 402和CO2403的三种网络。在第一灵活燃料Endex反应器404中，将来自井口源的NG，405的输入流股注入到将CO2406与甲烷407分离的反应器中，且分别将各气流注入到相应的管道403、402中。井口气体的蒸汽含量优选低，或者对燃料进行干燥，从而对蒸汽重整反应进行淬火，使得未将气流中的甲烷转化为氢。尽管如此，少量氢仍优选确保在反应器中不形成碳沉积物。在该第一Endex反应器604中，石灰吸附剂（未示出）从气流提取CO2。本领域的技术人员应理解，石灰也优选通过硫化作用除去硫而形成CaS，可以在之后对其进行氧化以形成石膏。
将第二灵活燃料Endex反应器408用于在氢化气化器单元410中驱动由用于气化煤或生物质原料409的甲烷产生氢。氢化气化器410产生基本上为甲烷的气流411。利用蒸汽413将该气流412的一部分注入到灵活燃料Endex反应器408中，从而使得蒸汽重整反应产生足够的氢414以用于氢化气化器。将甲烷气流415的其他部分注入到NG/SNG管道402中，且将来自灵活燃料Endex反应器的CO2流股416注入到CO2网络/管道403中。本领域的技术人员应理解，灵活燃料Endex反应器中的石灰（未示出）还优选从气化器的输出中捕获硫。可以将用过的CaO吸附剂用于保护床，从而从甲烷气流415中除去硫。
第一种两个Endex反应器404、408证明了，可以在甲烷的制造中完成从NG、煤、焦油砂、油页岩或生物质中除去CO2。在第一种情况下，作为气体清除工艺的一部分，在气流中作为杂质而除去CO2，而在第二种情况下，在煤或生物质到甲烷的转化中将CO2除去。典型地，这意味着，以约90%的效率运行的Endex反应器会除去原料中约45%的碳，同时剩余的碳在甲烷气体中。
在图4中，将来自这两种源的甲烷注入到NG/SNG管道402中。通过作为能量源的最终用户来提取NG/SNG。根据原料的组成，与煤或生物质相比，对于相同的热能，甲烷的燃烧有利地产生约50%以下的CO2。***400优选由使用原料作为燃料而将排放降低45%以上。
尽管具有这种益处，但是NG/SNG的用户会在规定压力下以降低它们的CO2排放。来自燃气轮机的CO2的燃烧后捕获通常因为CO2在燃气轮机排气中的非常低的分压而太难。然而，图4中所示的第三灵活燃料Endex反应器422说明了，可以通过使甲烷流股420与蒸汽421发生反应以制造氢423来捕获CO2，所述氢423用作用于基于氢的燃气轮机424的燃料以产生电力425，将所述电力425运输到电网401中。将来自灵活燃料Endex反应器的CO2流股426注入到用于封存的CO2网络/管道403中。
图5是示出了灵活燃料Endex反应器500的另一种实施方式的示意图，所述灵活燃料Endex反应器500用于实施图1的通用工艺流程且用于图3的能量分配网络和图4的工艺中。更特别地，灵活燃料Endex反应器500基于气体转换。在该示例性实施方式中，对反应器***502的可转换的脱碳剂和煅烧炉部分510、506的入口设置燃料气体和蒸汽输入流股501。在脱碳剂部分510、506中，WGS或SR反应随燃料气体继续进行，且在部分510、506和燃烧源（未示出）之间传递热。
在第一转换构造中，到第一部分506中的入口阀504处于打开位置，而到第二部分510中的入口阀508处于关闭位置。类似地，第一部分506的出口阀512处于打开位置，而第二部分510的出口阀514处于关闭位置。另外，第一部分506的CO2排气阀516处于关闭位置，而第二部分510的CO2排气阀518处于打开位置。在这种转换构造中，第一部分506用作用于布置在灵活燃料Endex反应器500的第一部分506中的固体吸附剂和固体催化剂520的第二部分520的脱碳剂反应器，而第二部分510用作用于布置在第二部分510内部的固体吸附剂和固体催化剂520的第二部分522的煅烧炉。
本领域的技术人员应理解，通过周期性改变转换构造以反转图5中的所有阀位置，灵活燃料Endex反应器500的第一和第二部分506、510可用作用于固体吸附剂和固体催化剂的各第一和第二部分520、522的脱碳剂或煅烧炉。应理解，在该实施方式中，可以使WGS碳化器和煅烧炉之间的热交换最佳化，因为在脱碳剂和煅烧炉“之间”不需要吸附剂的物理传递。在该实施方式中，省略了用于在第一和第二部分506、510中控制CO2分压的元件。
在一个实施方式中，通过阀（未示出），打开阀508、504、516和518，关闭阀512和514，将输入流股501转换为燃烧气体和空气或者来自外部燃烧室的热烟道气的流股并通过阀（未示出）将由CO2压缩***通过阀516和518的排出气体转换为烟道气，从而使得CO2流股不被烟道气污染，可以提供通过燃烧工艺加热吸附剂。所述工艺可以被构造为通过使用两个以上图5中所示的反应器***502并在两个反应器***之间转换燃烧气体来持续。在另一个实施方式中，可以通过经由图5中所示的反应器***502的壁的外部热传递，并对到各部分506、510的加热循环进行定时以提供在部分506、510中维持各反应所需要的热，来提供吸附剂的加热。
图6示出了说明根据示例性实施方式的用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的方法的流程图600。在步骤602处，将脱碳剂部分用于使至少一种固体吸附剂与燃料气体和蒸汽发生反应从而从输入燃料气体中除去碳并由脱碳剂制造排出气体中的输出燃料气流。在步骤604处，将煅烧炉部分用于使来自脱碳剂部分的固体吸附剂在其中发生反应从而将CO2释放到CO2气流中，其中分别对CO2分压以及脱碳剂和煅烧炉部分的温度进行控制，使得脱碳剂部分的温度高于煅烧炉的温度。
本领域的技术人员应理解，在不背离广泛所述的本发明的精神或范围的情况下，可以如具体实施方式所示出的对本发明进行大量变化和/或修改。因此，认为本实施方式在所有方面都是示例性和非限制性的。

Claims (42)

1.一种用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的***，所述***包括：
脱碳剂部分，其被构造成使得至少固体吸附剂在其中与所述燃料气体和蒸汽发生反应从而除去来自所述输入燃料气体的碳并由所述脱碳剂制造排出气体中的所述输出燃料气流；
煅烧炉部分，其被构造成使得来自所述脱碳剂部分的固体吸附剂在其中发生反应以将作为CO2的碳释放到CO2气流中；
其中，所述***被构造成使得分别对CO2分压以及所述脱碳剂和煅烧炉部分中的温度进行控制，使得所述脱碳剂部分中的温度高于所述煅烧炉部分中的温度，从而从所述脱碳剂向所述煅烧炉提供热。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述脱碳剂被构造成使得所述蒸汽与所述燃料气体中的一氧化碳或者由所述脱碳剂中的所述燃料气体制造的一氧化碳发生反应，从而制造用于由所述固体吸附剂吸附的CO2。
3.根据权利要求2所述的***，其中，所述脱碳剂被构造成使得所述蒸汽与所述燃料气体中的烃发生反应从而制造一氧化碳和CO2中的一种或两种。
4.根据前述权利要求中任一项所述的***，还包括用于在所述脱碳剂和煅烧炉部分之间进行热交换的热交换单元；其中通过所述热交换单元来提供由所述脱碳剂提供至所述煅烧炉的热。
5.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述输出燃料气流包含氢或甲烷。
6.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述输入燃料气体包含合成气、氢化气体、SNG或NG。
7.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，在所述脱碳剂部分中设置固体催化剂以激活反应从而由所述脱碳剂制造所述排出气体中的输出燃料气体。
8.根据权利要求7所述的***，其中，将所述固体催化剂负载在所述脱碳剂部分中，或者将所述固体催化剂与作为单独颗粒的所述固体吸附剂一起混合，或者将所述固体催化剂并入到所述固体吸附剂中。
9.根据权利要求7或8所述的***，其中，所述固体催化剂包含氧化铁。
10.根据权利要求8所述的***，其中，所述固体催化剂与所述固体吸附剂混合，并且所述固体催化剂的粒度大于所述固体吸附剂的粒度。
11.根据权利要求10所述的***，其中，所述固体催化剂的粒度等于或大于约150微米，并且所述固体吸附剂的粒度小于约125微米。
12.根据前述权利要求中任一项所述的***，还包括用于向所述煅烧炉部分提供另外的热的燃烧室。
13.根据前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述固体吸附剂包含石灰颗粒。
14.根据权利要求13所述的***，其中，所述石灰颗粒在约20-200微米的范围内，并且在所述煅烧炉和脱碳剂部分的排气处的温度在约700-950℃的范围内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的***，还包括用于将输出气流进料到分配网络中的进料部。
16.根据权利要求15所述的***，其中，所述甲烷气体分配***包括现有的NG分配网络。
17.根据权利要求15或16所述的***，其中，所述NG分配网络包括液化气体的运输部和低压气体输送部。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的***，其中，所述气体分配网络进一步被构造成向被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器中输送甲烷形式的输出燃料气体。
19.根据权利要求18所述的***，其中，所述被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器从所述甲烷产生单独的氢和CO2流股。
20.根据前述权利要求中任一项所述的***，还包括用于将CO2气流进料到CO2气体分配网络中的进料部。
21.根据权利要求20所述的***，其中，所述CO2气体分配网络被构造成输送用于封存的CO2气流。
22.根据权利要求20或21所述的***，其中，所述CO2气体分配网络被构造成由被构造为预燃烧除去CO2的Endex反应器接收另外的进料。
23.一种用于处理输入燃料气体和蒸汽以制造单独的CO2和输出燃料气流的方法，所述方法包括以下步骤：
将脱碳剂部分用于使至少固体吸附剂与燃料气体和蒸汽发生反应以从所述输入燃料气体中除去碳并由所述脱碳剂制造排出气体中的输出燃料气流；
将煅烧炉部分用于使来自所述脱碳剂部分的所述固体吸附剂在其中发生反应从而将CO2释放到CO2气流中；
其中分别对CO2分压以及所述脱碳剂和煅烧炉部分中的温度进行控制，使得所述脱碳剂部分中的温度高于所述煅烧炉中的温度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，在所述脱碳剂中，使所述蒸汽与所述燃料气体中的一氧化碳发生反应或者与由所述脱碳剂中的所述燃料气体制造的一氧化碳发生反应，从而制造用于由所述固体吸附剂吸附的CO2。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述脱碳剂中，使所述蒸汽与所述燃料气体中的烃发生反应从而制造一氧化碳和CO2中的一种或两种。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，还包括将热从所述脱碳剂提供至所述煅烧炉。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中，所述输出燃料气流包含氢或甲烷。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的方法，其中，所述输入燃料气体包含合成气、氢化气体、SNG或NG。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，还包括在所述脱碳剂部分中设置固体催化剂以激活反应从而由所述脱碳剂制造所述排出气体中的输出燃料气体。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述固体催化剂包含氧化铁。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中，所述固体催化剂的粒度大于所述固体吸附剂的粒度。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述固体催化剂的粒度等于或大于约150微米，并且所述固体吸附剂的粒度小于约125微米。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的方法，还包括将燃烧室用于向所述煅烧炉部分提供另外的热。
34.根据权利要求23至33中任一项所述的方法，其中，所述固体吸附剂包含石灰颗粒。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述石灰颗粒在约20-200微米的范围内，并且在所述煅烧炉和脱碳剂部分的排气处的温度在约700-950℃的范围内。
36.根据权利要求23至35中任一项所述的方法，还包括向分配网络中进料输出气流。
37.根据权利要求36所述的方法，包括运输液化气体和低压气体输送。
38.根据权利要求36或37所述的方法，还包括向被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器中输送甲烷形式的输出燃料气流。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括使用被构造为从所述甲烷中预燃烧除去CO2的反应器以从所述甲烷产生单独的氢和CO2流股。
40.根据权利要求23至39中任一项所述的方法，还包括向CO2气体分配网络中进料CO2气流。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括将所述气体分配网络用于输送用于封存的CO2气流。
42.根据权利要求40或41所述的方法，还包括由被构造为预燃烧除去CO2的Endex反应器接收用于所述CO2气体分配网络的另外进料。
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