CN103635449B - 用来转化燃料的*** - Google Patents

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Abstract

一种用来转化燃料的***，其可以包括第一运动床反应器、第二反应器以及非机械阀。第一运动床反应器可以包括至少一个锥形部分和多个注入气体端口。多个注入气体端口可以构造成用以将燃料输送到第一运动床反应器。第一运动床反应器可以构造成用以通过相对于载氧材料限定用于燃料的逆流流动路径而用燃料被还原载氧材料。第二反应器可以与第一运动床反应器连通，并且可以***作以接收氧气源。第二反应器可以构造成用以通过氧化使得被还原载氧材料再生。

Description

用来转化燃料的***
与相关申请的交互参考
本申请要求对于在2011年5月11日提交的美国临时申请No.61/485,010的权益，该临时申请通过参考全部包括在这里。
技术领域
概言之，本发明的目的在于转化燃料的***和方法，详言之，本发明的目的在于在燃料转化中使用的氧化-还原反应***。
背景技术
对于清洁和高效的能量产生***，存在着持续不断的需要。产生能量载体（如蒸汽、氢气、合成气(煤气)、液体燃料和/或电力）的化学过程的大多数基于矿物燃料。此外，对于矿物燃料的依赖性，由于与可再生源相比的低得多的成本，预期在可预见的未来一段时间内继续。当前，含碳燃料（如煤炭、天然气、石油焦）的转化通常通过燃烧或重整过程进行。然而，含碳燃料（特别是煤炭）的燃烧是碳强化过程，该碳强化过程将大量二氧化碳排放到环境中。在这个过程中由于在煤炭中的复杂成分，也产生硫和氮化合物。
另一方面，在金属氧化物与含碳燃料之间的化学反应可以提供对在燃料中存储的能量加以回收的较好途径。几种过程基于金属氧化物颗粒与含碳燃料的反应，以产生有用的能量载体。例如，Ishida等的美国专利No.5,447,024描述了这样的过程，其中，氧化镍颗粒用来将天然气通过化学环路过程转化成热量，该热量可以用在涡轮机中。然而，纯金属氧化物的可再利用性不良，并且构成其用在商业和工业过程中的障碍。此外，这种技术具有有限的适用性，因为它只能转化天然气，而天然气比其它矿物燃料成本高。另一种公知过程是蒸汽-铁过程，其中，煤炭衍生发生炉煤气与在流化床反应器中的氧化铁颗粒反应，以便随后与蒸汽再生以产生氢气。然而这个过程由于在反应固体与气体之间的不适当接触而存在着气体转化速率不良的问题，并且不能够产生富氢流束。
随着对于更清洁和更高效转化燃料***的需要，出现对改进型***、和其中的***元件的需要，所述改进型***和***元件将有效地转化燃料，同时减少污染物。
发明内容
本发明的概念总体上适用于用来由煤炭或其它含碳燃料产生氢气的***。按照本公开的一个实施例，用来转化燃料的***可以包括第一运动床反应器、第二反应器以及非机械阀。第一运动床反应器可以包括至少一个锥形部分和多个注入气体端口。多个注入气体端口可以构造成用以将燃料输送到第一运动床反应器。第一运动床反应器可以构造成用以通过相对于载氧材料限定用于燃料的逆流流动路径而用燃料还原载氧材料。第二反应器可以与第一运动床反应器连通，并且能***作以接收氧气源。第二反应器可以构造成用以通过氧化使得被还原载氧材料再生。非机械阀可以包括曲折管道组件，该曲折管道组件布置在第一运动床反应器与第二反应器之间。至少一个气体开口可以构造成用以接收气体流束。气体流束能够起作用以减少在第一运动床反应器与第二反应器之间的气体泄漏。
附图说明
当与如下附图一起阅读时，可以最好地理解本公开的具体实施例的如下详细描述，在这些附图中，类似结构用类似附图标记指示，并且在这些附图中：
图1是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的示意图；
图2是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图3是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图4是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图5是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图6是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图7是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图8是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的另一个***的示意图；
图9A是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的还原反应器的侧视示意图；
图9B是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的侧视示意图；
图10是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的侧视示意图；
图11是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的还原反应器的横截面示意图；
图12是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的横截面示意图；
图13是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的横截面示意图；
图14是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的横截面示意图；
图15是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个还原反应器的横截面示意图；
图16A是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的燃烧反应器和燃烧反应器进口流束的横截面示意图；
图16B是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个燃烧反应器和燃烧反应器进口流束的横截面示意图；
图16C是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个燃烧反应器和燃烧反应器进口流束的横截面示意图；
图16D是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的另一个燃烧反应器和燃烧反应器进口流束的横截面示意图；
图17是安装到还原反应器上的固体流量测量装置的横截面示意图；
图18是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的燃料注入***的侧视横截面示意图；
图19是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的燃料注入***的俯视横截面示意图；
图20A是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的燃料注入***的侧视示意图；
图20B是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的燃料注入***的俯视横截面示意图；
图21是根据本发明的一个或更多个实施例的用来转化燃料的***的固体分离单元的侧视示意图；
图22A是根据本发明的一个或更多个实施例的燃烧反应器的横截面示意图；
图22B是根据本发明的一个或更多个实施例的另一个燃烧反应器的横截面示意图；以及
图22C是根据本发明的一个或更多个实施例的另一个燃烧反应器的横截面示意图。
具体实施方式
本发明的目的总体而言在于用来将固体含碳燃料转化成其它能量形式的***的元件。本发明的其它构造也可以用来转化液体和气体燃料。燃料的转化一般而言可以用在***中的颗粒的二元混合物进行，其中，二元混合物可以包括载氧材料和固体含碳燃料。在一个实施例中，在载氧材料中存在的氧将固体燃料氧化，同时载氧材料颗粒被还原到较低氧化状态。一般而言，***的产物可以包括热量、动力、化学制品、液体燃料和/或H2，这些可以通过使用氧化剂对被还原的载氧材料颗粒加以重新氧化而产生，这些氧化剂例如但不限于在分离反应器中的空气和/或蒸汽。在一些实施例中，可以使用由***生产的H2和/或CO2、或通过金属氧化物颗粒的部分氧化和含碳燃料的耦合而生产化学制品和液体燃料。
在一些实施例中，这里描述的***可以涉及在循环流化床中基本金属氧化物颗粒的循环，该循环流化床具有填充运动床或一系列互连流化床的下导管，在该下导管中，将固体燃料贯穿基本颗粒注入和分散，以便与基本载氧材料颗粒发生化学反应。一般而言，具有粗颗粒尺寸的金属氧化物可以用在填充运动床中作为载氧材料以避免流化，而固体燃料颗粒尺寸比金属氧化物小，以便扩展运动床操作的流体动力极限。这里描述的***也可以利用两种类型的颗粒的流体动力性质的差异，以控制它们的相互作用和将固体燃料的副产品或未转化的固体燃料与载氧材料和气体产物分离。这里解释使用载氧材料循环***的各种应用方案。另外，这里解释各种反应器设计和关于在化学环路***中的固体燃料处置和处理策略的细节。
通过在关于碳基还原燃料和氧化气体的氧化和还原反应方案中的化学环路过程的使用而用来生产氢气的方法分别公开在Thomas等的（美国专利7,767,191）、Fan等的（PCT申请No.WO2007/082089）以及Fan等的（美国临时申请No.WO2010/037011）中，并且它们的讲授通过参考全部包括在这里。
一般而言，本发明的目的在于通过载氧材料颗粒的氧化还原反应来转化燃料的***和方法。在一些实施例中，反应器***可以利用化学环路过程，其中，含碳燃料可以转化成热量、动力、化学制品、液体燃料、和/或氢气（H2）。在转化含碳燃料的过程中，在***内的载氧材料，例如载氧颗粒，可以经历还原/氧化循环。含碳燃料可以在还原反应器中还原载氧材料。被还原载氧材料然后可以在一个或更多个分离反应器中由蒸汽和/或空气氧化。在一些实施例中，铁的氧化物作为在化学环路***中的载氧材料中的各成分中的至少一种成分是优选的。在一些实施例中，在***中也可以利用铜、钴及锰的氧化物。载氧材料在Thomas等的（美国公布申请No.2005/0175533A1）中描述，该申请通过参考全部包括在这里。
现在参照图1，这里描述的***的实施例可以涉及一种具体构造，其中，可以用固体含碳燃料生产热量和/或动力。在这样一种燃料转化***10中，可以使用还原反应器100，以使用载氧材料将来自进口流束110的含碳燃料转化成在出口流束120中的富CO2/H2O气体。载氧材料可以包含具有3+的铁化合价状态的铁的氧化物，该载氧材料从固体存储容器700通过连接装置750进入还原反应器100。在还原反应器100中发生的反应以后，在载氧材料中的铁可以被还原到在约0与3+之间的平均化合价状态。
如本领域普通技术人员所熟悉的那样，载氧材料可以经任何适当固体输送装置/机构进给到反应器。这些固体输送装置可以包括但不限于气动装置、输送机、活底料斗等。
参照在还原反应器100中的反应，还原反应器100总体而言可以接收燃料，该燃料用来还原载氧材料的至少一种金属氧化物，以生产还原的金属或还原的金属氧化物。这里定义的“燃料”可以包括：固体含碳成分，例如煤炭、焦油、油页岩、油砂、焦油砂、生物量、石蜡、焦等等；液体含碳成分，例如汽油、油、石油、柴油、喷气发动机燃料、乙醇等等；以及气体成分，例如煤气、一氧化碳、氢气、甲烷、气态烃气体（C1-C6）、烃蒸汽、等等。例如，并且不是作为限制，如下反应式表明可能的还原反应：
Fe2O3+2CO→2Fe+2CO2
16Fe2O3+3C5H12→32Fe+15CO2+18H2O
在这个例子中，载氧材料的金属氧化物Fe2O3可以由燃料还原，例如由CO还原，以生产还原的金属氧化物Fe。尽管Fe可以是在还原反应器100的还原反应中生产的主要还原成分，但这里也预期到具有更高氧化状态的FeO或其它被还原的金属氧化物。
还原反应器100可以构造成运动床反应器、一系列流化床反应器、回转炉、固定床反应器、其组合、或本领域普通技术人员已知的其它装置。典型地，还原反应器100可以在约400℃至约1200℃的范围中的温度和在约1atm至约150atm的范围中的压力下操作；依据反应机构和反应机构的元件的不同，在这些范围外的温度和压力可能是符合期望的。
出口流束120的富CO2/H2O气体可以由冷凝器126进一步分离，以生产富CO2气体流束122和富H2O气体流束124。富CO2气体流束122可以被进一步压缩以便用于螯合作用。还原反应器100可以为固体和/或气体处置而专门设计，这在这里论述。在一些实施例中，还原反应器100可以构造成填充运动床反应器。在另一个实施例中，还原反应器可以构造成一系列互连的流化床反应器，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
仍参照图1，离开还原反应器100的被还原载氧材料可以流过燃烧反应器进口流束400，并且可以转移到燃烧反应器300。在燃烧反应器进口流束400中的被还原载氧材料可以运动通过非机械气体密封和/或非机械固体流量控制装置。这里描述这样的***元件。
为了使载氧材料的金属氧化物再生，***10可以利用燃烧反应器300，该燃烧反应器300构造成用以将载氧材料的被还原的金属氧化物氧化。载氧材料可以进入燃烧反应器300，并且用来自进口流束310的空气或另一种氧化气体而被流化。在载氧材料中的铁可以在燃烧反应器300中由空气重新氧化到约3+的平均化合价状态。燃烧反应器300在载氧材料颗粒的氧化期间可以释放热量。这样的热量可以被抽取以便产生蒸汽和/或动力，或者用来补偿过程热量需要。在一些实施例中，燃烧反应器300可以包括用空气填充的管线或管，该用空气填充的管线或管用来氧化载氧材料。可选择地，燃烧反应器300可以是热量回收单元，例如反应容器或其它反应罐。
如下反应式列出用于在燃烧反应器300中的氧化的一种可能机理：
2Fe3O4+0.5O2→3Fe2O3
在燃烧反应器300中的氧化反应以后，被氧化载氧材料可以转移到气体-固体分离站500。气体-固体分离装置500可以将在出口流束510中的气体和细颗粒与在出口流束520中的松散载氧材料分离。载氧材料可以从燃烧反应器300通过固体输送***350（像例如提升管）运输到气体-固体分离装置500。在一个实施例中，Fe3O4产物可以在固体输送***350中被氧化成Fe2O3。
从气体-固体分离装置500排出的松散载氧材料固体可以运动通过固体-固体分离装置600，运动通过连接装置710，并且运动到固体存储容器700，在该处，基本上不进行反应。在固体-固体分离装置500中，载氧材料可以与其它固体分离，这些其它固体通过出口610流出***。从固体存储容器700排出的载氧材料固体将通过另一个非机械气体密封装置750，并且最后返回到还原反应器100，以完成全局固体循环环路。
在一些实施例中，载氧材料颗粒可以经历多次再生循环，例如10次或更多次再生循环，及甚至大于100次再生循环，而基本上不失去功能性。这种***可供现有***使用，涉及最小设计变更，因而使它经济。
现在参照图2，在另一个实施例中，H2和/或热量/动力可以从含碳燃料由燃料转化***20产生，该燃料转化***20与在图1中描述的***10相似，但还包括氧化反应器200。在这个实施例中的还原反应器100的构造因循与在图1中所示的先前实施例相似的构造。图2的***20可以使用载氧材料将来自还原反应器进口流束110的含碳燃料转化成富CO2/H2O气体流束120，载氧材料包含具有约3+的化合价状态的氧化铁。在还原反应器100中，在载氧材料中的铁为了H2生产可以被还原到在约0与2+之间的平均化合价状态。应该理解，包括氧化反应器200的***20（三反应器***）的操作和构造，与不包括氧化反应器的***10（两反应器***）的操作相似，并且在图1中的类似附图标记与在图2中的类似部分相对应。
与图1的***10相似，在图2的***20的出口流束120中的富CO2/H2O气体可以由冷凝器126进一步分离，以生产富CO2气体流束122和富H2O气体流束124。富CO2气体流束122可以被进一步压缩以便用于螯合作用。还原反应器100可以为固体和/或气体处置而专门设计，这在这里论述。在一些实施例中，还原反应器100可以作为填充运动床反应器而操作。在另一个实施例中，还原反应器可以作为一系列互连的流化床反应器而操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
离开还原反应器100的被还原载氧材料可以通过连接装置160转移到氧化反应器200，该连接装置160可以具有非机械气体密封装置。被还原载氧材料可以用来自进口流束210的蒸汽重新氧化。氧化反应器200可以具有富含H2和蒸汽的出口流束220。在出口流束220中的过多/未转化蒸汽可以用冷凝器226与在流束220中的H2分离。可以产生富H2气体流束222。氧化反应器200的蒸汽进口流束210可以来自在***20中再循环的冷凝蒸汽，该冷凝蒸汽来自还原反应器100的出口流束124。在一个实施例中，在还原反应器100中的固体含碳燃料的一部分可以故意或非故意地引入到氧化反应器200，这会导致在出口流束220中含有H2、CO以及CO2气体。这样一种气体流束220可以或者直接用作合成气体（煤气），或者分离成各种纯产品的流束。在氧化反应器200中，还原的载氧材料可以部分地重新氧化成对于铁在0与3+之间的平均化合价状态。在一些实施例中，还原反应器100构造成按填充运动床模式或作为一系列互连的流化床反应器操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
氧化反应器200（该氧化反应器200可以包括与还原反应器100相同的反应器类型或不同的反应器类型）可以构造成用以将还原的金属或还原的金属氧化物氧化，以产生金属氧化物中间体。这里使用的“金属氧化物中间体”是指具有比被还原的金属或金属氧化物高的氧化状态、和比载氧材料的金属氧化物低的氧化状态的金属氧化物。例如，并且不作为限制，如下反应式表明在氧化反应器200中的可能氧化反应：
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
3Fe+4CO2→Fe3O4+4CO
在集中在载氧材料上这个例子中-这些载氧材料可以是将Fe2O3用作金属氧化物的陶瓷复合物，在氧化反应器200中使用蒸汽的氧化可以产生生成混合物，该生成混合物包括金属氧化物中间体，该金属氧化物中间体主要包括Fe3O4。Fe2O3和FeO也可能存在。此外，尽管H2O，具体地说蒸汽，在这个例子中是氧化剂，但预期到多种其它氧化剂，例如CO、O2、空气以及其它复合物。
氧化反应器200可以构造成运动床反应器、一系列流化床反应器、回转炉、固定床反应器、其组合、或其它装置。典型地，氧化反应器200可以在约400℃至约1200℃的范围中的温度和在约1atm至约150atm的范围中的压力下操作；然而，依据反应机构和反应机构的元件的不同，在这些范围外的温度和压力可能是合意的。
氧化反应器200可以包括运动床，该运动床具有气体和固体的逆流接触图案。蒸汽可以引入在反应器的底部处，并且随着颗粒在氧化反应器200内部向下运动可以将还原的载氧材料颗粒氧化。在这个实施例中，形成的产物可以是氢气，氢气随后从氧化反应器200的顶部排出。在进一步的实施例中将示出的是，除氢气之外，诸如CO和煤气之类的产物是可能的。尽管Fe2O3形成在氧化反应器200中是可能的，但预期来自氧化反应器200的固体产物主要是金属氧化物中间体Fe3O4。在氧化反应器200中产生的Fe2O3的量取决于使用的氧化剂、以及进给到氧化反应器200的氧化剂的量。在氧化反应器200的氢气产物中存在的蒸汽然后可以冷凝，以便提供富氢流束222。这种富氢流束的至少一部分可以重新循环回还原反应器100。除利用与还原反应器100相同的反应器类型之外，氧化反应器200可以类似地在约400℃至约1200℃之间的温度和约1atm至约150atm的压力下操作。
离开氧化反应器200的被部分重新氧化的载氧材料可以流过燃烧反应器进口流束400，并且可以转移到燃烧反应器300。在燃烧反应器进口流束400中的被还原载氧材料可以运动通过非机械气体密封和/或非机械固体流量控制装置。
载氧材料可以进入燃烧反应器300，并且可以用来自进口流束310的空气或另一种氧化气体而被流化。在载氧材料中的铁可以由在燃烧反应器300中的空气重新氧化到约3+的平均化合价状态。燃烧反应器300在载氧材料颗粒的氧化期间会释放热量。这样的热量可以被抽取以便产生蒸汽和/或动力，或者用来补偿过程热量需要。
在燃烧反应器300中的氧化反应以后，被氧化载氧材料可以按与在图1中的先前实施例相同的方式，例如通过诸如提升管之类的固体输送***350，转移到气体-固体分离装置500，转移到固体分离装置600，并且转移到固体存储容器700。
现在参照图3，在一个实施例中，燃料转化***30可以构造成，由含碳燃料产生化学制品、燃料、H2、热量、和/或动力。可以使用还原反应器100，以使用载氧材料（该载氧材料可以包含锰和/或铁的氧化物）将来自进口流束110的含碳燃料转化成含烃（优选地含乙烯(C2H4)）的气体流束120。期望的烃产物可以从还原反应器的顶部从沿还原反应器100的流束120或滑动流束130中抽出。含烃流束120可以在必要的分离/升级单元801中进一步处理。来自还原反应器100的烃可以被分离和用作松散化学制品，或者可以在出口流束811中升级成液体燃料，例如汽油和/或柴油。在还原反应器100中的载氧材料的作用可以是将氧给予含碳燃料，以便使它们部分氧化和重整成烃，例如C2H4。在载氧材料中的金属氧化物可以在还原反应器中被部分地还原。在一些实施例中，还原反应器100按填充运动床反应器构造或者作为一系列互连的流化床反应器而操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
被还原载氧材料然后可以通过非机械气体密封装置160转移到可选择的氧化反应器200。在氧化反应器200中，被还原载氧材料可以用来自进口流束210的蒸汽而被重新氧化成含H2气体流束220。在出口流束220中的蒸汽可以在冷凝器126中进一步冷凝，产生富H2气体流束122和富蒸汽流束124。出口流束122可以用来升级在还原反应器100中产生的烃产物。在一些实施例中，含碳燃料的至少一部分可以故意或非故意地引入到氧化反应器200，这会导致含H2、CO以及CO2的气体流束220。这样一种气体流束220可以或者直接用作煤气，或者可以分离成各种纯产品的流束。在一些实施例中，还原反应器可以构造成作为填充运动床反应器或一系列互连的流化床反应器而操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
被重新氧化的载氧材料然后可以通过燃烧反应器进口流束400（该燃烧反应器进口流束400选择性地包括非机械气体密封和/或非机械固体流量控制装置）转移到燃烧反应器300，在该处它可以用空气流化。金属氧化物在燃烧反应器300中被进一步氧化。燃烧反应器300会释放热量。这样的热量可以被抽取以便用以或者产生蒸汽和/或动力，或者补偿过程热量需要。
在燃烧反应器300中的氧化反应以后，被氧化载氧材料可以按与在图1和2中的先前实施例相同的方式，通过提升管600转移到气体-固体分离装置500、固体分离装置600及固体存储容器700中。
通过控制在氧化反应器进口流束210中的蒸汽的量，可以调整在烃、H2以及动力中生产速率的整体比值。在当H2不是符合期望的产品时的情况下，氧化反应器可以旁通，并且还原反应器100和燃烧反应器300可以通过燃烧反应器进口流束直接连接，类似于图1的实施例。
现在参照图4，在另一个实施例中，燃料转化***40可以涉及一种构造，其中，由来自进口流束810的含碳燃料，优选地固体含碳燃料，例如生物量、油页岩和/或煤炭，共同生产裂解油、H2、热量和/或动力。在这样一种构造下，裂解炉反应器800可以用来将来自进口流束810的含碳燃料转化成裂解油和/或固定碳。用于裂解的热量可以由高温载氧材料颗粒提供，该高温载氧材料颗粒可以包括具有3+的化合价状态的氧化铁。载氧材料可以在裂解炉反应器800中轻微地还原。碳然后可以与载氧材料一起转移到还原反应器100，在该处，它由载氧材料氧化成富CO2气体流束120。在出口流束120中的蒸汽可以由冷凝器126进一步分离，以生产富CO2气体流束122，该富CO2气体流束122可以被进一步压缩以便用于螯合作用。在载氧材料中的金属可以还原成在0与2+之间的平均化合价状态。在出口流束820中的裂解产品的不符合期望的部分的至少一部分可以通过进口流束830引入到还原反应器作为还原剂。在一些实施例中，还原反应器可以作为填充运动床反应器或一系列互连的流化床反应器而操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
被还原载氧材料然后可以通过非机械气体密封装置160转移到选择性氧化反应器200。被还原载氧材料可以用蒸汽重新氧化，生产含H2气体出口流束220。在气体流束220中的蒸汽可以由冷凝器226分离，产生富H2气体流束222。H2可以用来升级由还原反应器100生产的裂解油。对于氧化反应器200的蒸汽进口流束210，在来自还原反应器的出口流束124中的冷凝蒸汽的使用可以是选择性的。在一些实施例中，含碳燃料的一部分可以故意或非故意地引入到氧化反应器200，这会导致在出口流束220中含有H2、CO以及CO2气体。这样一种气体流束可以或者直接用作煤气，或者分离成各种纯产品的流束。在氧化反应器200中，在被还原载氧材料中的氧化铁也被重新氧化到在0与3+之间的平均化合价状态。在一些实施例中，氧化反应器200可以作为填充运动床反应器或一系列互连的流化床反应器而操作，其中，载氧材料可以相对于气体物质逆流地流动。
仍然参照图4，离开还原反应器100的被还原载氧材料可以流过燃烧反应器进口流束400，并且可以转移到燃烧反应器300。在燃烧反应器进口流束400中的被还原载氧材料可以运动通过非机械气体密封和/或非机械固体流量控制装置。这里描述这样的***元件。为了再生载氧材料的金属氧化物，***40可以利用燃烧反应器300，该燃烧反应器300构造成用以将被还原的金属氧化物氧化。载氧材料可以进入燃烧反应器300，并且可以用来自进口流束310的空气或另一种氧化气体而被流化。在载氧材料中的铁可以由在燃烧反应器300中的空气重新氧化成约3+的平均化合价状态。燃烧反应器300在载氧材料颗粒的氧化期间会释放热量。这样的热量可以被抽取以产生蒸汽和/或动力，或者用来补偿过程热量需要。在一些实施例中，燃烧反应器300可以包括用空气填充的管线或管，该用空气填充的管线或管用来使金属氧化物氧化。可选择地，燃烧反应器300可以是热量回收单元，例如反应容器或其它反应罐。
在燃烧反应器300中的氧化反应以后，被氧化载氧材料可以转移到气体-固体分离装置500。气体-固体分离装置500可以将在出口流束510中的气体和细颗粒与在出口流束520中的松散载氧材料固体分离。载氧材料可以从燃烧反应器300通过固体输送***350（像例如提升管）运输到气体-固体分离装置500。在一个实施例中，Fe3O4产物可以在固体输送***350中被氧化成Fe2O3。
从气体-固体分离装置500排出的松散载氧材料固体可以运动通过固体-固体分离装置600，运动通过连接装置710，并且运动到固体存储容器700，在该处，基本上不进行反应。在固体-固体分离装置500中，载氧材料可以与其它固体分离，这些其它固体通过出口610流出***。从固体存储容器700排出的载氧材料固体将通过另一个非机械气体密封装置750，并且最后返回到还原反应器100，以完成全局固体循环环路。
可选择地，来自气体-固体分离装置500的载氧材料的一部分可以旁通过固体-固体分离装置600和裂解炉反应器800，并且通过流束550直接进入还原反应器100。
可选择地，在进口流束310中的含碳燃料的一部分可以直接引入到燃烧反应器100。通过控制在到氧化反应器200的进口流束210中的蒸汽的量和在还原反应器100与裂解炉反应器800之间的燃料注入比值，可以调整在裂解产品、H2以及动力中的整体产品比值。在当H2不是符合期望的产品时的情况下，氧化反应器200可以旁通，并且还原反应器100和/或诸如提升管之类的固体输送***350可以通过非机械气体密封和固体流量控制装置直接连接，以便补偿在还原反应器100中的热量需要。
现在参照图5，在另一个实施例中，燃料转化***50的氧化步骤可以分两个或更多个步骤完成，以便为了更好的能量管理。两个氧化反应器200、330可以用于载氧材料再生。空气首先行进到第二氧化反应器或燃烧反应器300，并且然后行进到第一氧化反应器200。氧化反应器200可以构造成具有逆流气体固体流动图案的运动床设计。这样的设计可以通过使废弃空气流束510在第一氧化反应器200中与较多被还原载氧材料相接触，而保证对于废弃空气流束510的较好转化。燃烧反应器300构造成使用空气流束310的流化床，以保证来自第一氧化器200的载氧体的完全氧化。完全氧化的载氧体颗粒然后通过诸如提升管之类的固体输送***350转移。在燃烧反应器300和固体输送***350中使用的废弃空气用来分别氧化和转移颗粒，并且再循环到第一氧化反应器200。这样的实施例可以减小反应器尺寸和过大空气需要。
现在参照图6，在另一个实施例中，燃料转化***60可以包括两步骤氧化过程，该两步骤氧化过程转化燃料。氧化铁在这个实施例中可以是优选载氧材料，并且在氧化反应器200中使用的氧化剂可以是蒸汽。通过蒸汽-铁反应，被还原的氧化铁颗粒可以被部分地氧化成Fe3O4，并且可以生产氢气。氢气可以用作用于气体涡轮机的燃料、或用于在反应器540中的化学合成的原料。来自氧化反应器200的氢气流束和来自燃烧反应器300、反应器***550的氮气流束的组合可以被集成以便用于氨合成。在一些实施例中，所公开的设计可以将氨生产率增进大于10%。
现在参照图7，在另一个实施例中，燃料转化***70可以利用来自铜、锰、和/或钴的氧化物的氧解耦材料。在这个实施例中，固体燃料和铜、锰、和/或钴的氧化物都通过进口流束144引入在还原反应器100的顶部中，并且向下运动。主要包括CO2和H2O的再循环流束142用来为了燃料转化而强迫被释放的氧气向下运动。铜、锰、和/或钴的废氧化物然后可以从还原反应器100的底部排出，并且可以发送到燃烧反应器300，用于与在进口流束310中的空气再生。经在运动床还原反应器300中的顺流流动，可以控制氧气释放速率和程度，从而在转化期间不形成低熔点材料，这避免铜、锰、和/或钴基载氧材料的聚结。
现在参照图8，在另一个实施例中，燃料转化***80可以包括还原反应器100，该还原反应器100可以是氧气释放反应器，该氧气释放反应器可以进行来自铜、锰、和/或钴的氧气释放，并且可以嵌在流化床燃烧（FBC）锅炉900中，该流化床燃烧锅炉900用于在进口流束950中的含碳燃料的燃烧。在还原反应器100中氧气可以从铜、锰、和/或钴的氧化物释放，并且出流气体可以是来自燃烧反应器300的混合CO2、H2O及O2，该混合CO2、H2O及O2可以进入进口流束950，并且用于在FBC锅炉900中的燃料燃烧。在还原氧气释放反应器100内部，气体物质与铜、锰、和/或钴的氧化物顺流地向下流动，并且通过出口流束960离开。来自FBC锅炉900的排出气体流束970的至少一部分可以通过进口流束910再循环到还原反应器100。在还原反应器100中氧脱耦所需的热量可以从FBC锅炉900传递。这种集成使燃料与铜、锰、和/或钴基载氧体颗粒的接触最小化，并因而保证其可再循环性。氧化反应器200可以通过连接装置920和连接装置910与还原反应器100连通。气体进口930和气体出口940可以与在这里描述的实施例中的氧化反应器进口和出口流束相似地起作用。
这里描述的***的反应器可以用适于经受高达至少1200℃的温度的各种耐用材料建造。反应器可以包括碳钢，碳钢在内侧上具有使热量损失最小化的耐熔层。这种构造也允许反应器的表面温度相当低，由此增进碳钢的抗蠕变性能。也可以采用适用于在各种反应器中存在的环境的其它合金，特别是如果它们用作内部元件，这些内部元件构造成，帮助固体流动或增强在运动床实施例内的热传递。对于各个反应器的互连可具有活底料斗设计或旋转/星形阀设计，以保证良好密封。然而，也可以使用本领域普通技术人员可以容易地确定的其它互连方式。
各种机构可用于在这里公开的多种***中的固体运输。例如，在一些实施例中，这里描述的固体运输***可以是这样的运输***，这些运输***使用由空气驱动的气动输送机、皮带输送机、斗式升降机、螺旋输送机、运动床以及流化床反应器。所生成的废弃空气流束可以与颗粒分离，并且其高级热含量可以被回收以便用于蒸汽生产。在再生之后，载氧材料颗粒可以基本上不降级，并且可以保持充分的颗粒功能性和活性。
在***和全部***元件内的热量集成和热量回收将会是符合期望的。在***中的热量集成具体地聚焦在为氧化反应器200的蒸汽需要而产生蒸汽上。这种蒸汽可以使用在氢气、CO2及废弃空气流束中可得到的高级热量而产生，这些氢气、CO2及废弃空气流束分别离开各个***反应器100、200、和/或300。在这里描述的过程中，可能有产生纯氧气的期望。为了产生这种纯氧气，可以利用氢气的至少一部分。
在每个反应器中的驻留时间取决于各种载氧材料颗粒的尺寸和成分，如本领域普通技术人员熟知的那样。例如，对于包括Fe基金属氧化物的反应器的驻留时间范围可以从约0.1至约20小时。
在一些实施例中，在***中可能存在另外的有害元素。不期望像Hg、As、Se之类的微量元素在过程的高温下与Fe2O3反应。结果，期望它们在所生产的CO2流束中存在。如果CO2用作市售产品，则可以将这些微量元素从流束中除去。这里预期到各种清除单元，例如水银去除单元。依据现时存在的规则和法规，在让CO2流束出去到大气中的情况下，将需要运用类似选项。如果决定为了长期良性存储将CO2隔绝，例如在深地质岩层中，则将无需除去这些有害元素。此外，CO2可以经矿物螯合作用而隔绝，这可能比地质存储更加符合期望，因为它可能是更安全并且更好管理的。
此外，硫会构成有害元素，在***中必须考虑该有害元素。在固体燃料转化实施例中，在煤炭中存在的硫预期与Fe2O3反应，并且形成FeS。这将在氧化反应器200中与蒸汽反应时释放成H2S，并且将污染氢气流束。在来自这种蒸汽的水的冷凝期间，这种H2S的大部分将冷凝出。可以使用传统技术（像胺洗涤或使用Zn、Fe、或Cu基吸着剂的高温除去）而将剩余的H2S除去。用来除去硫的另一种方法可以包括引入吸着剂（例如CaO、Mgo等等）。另外，吸着剂可以引入到还原反应器100中，以便除去硫和防止其与Fe相缔合。可以使用除尘装置以便将吸着剂从***中除去。
尽管本***的一些实施例涉及生产氢气，但可以期望进一步处理，以生产超高纯度氢气。如本领域普通技术人员可能熟悉的那样，一些碳或其衍生物可能从还原反应器100转移到氧化反应器200，并且污染氢气流束。依据要求的氢气的纯度，可能必要的是，对于氢气使用压力回转吸收（PSA）单元，以实现超高纯度。来自PSA单元的废气可以包括作为燃料的价值，并且在固体燃料转化实施例中，可以与煤炭一起再循环到还原反应器100中，以便增进在***中氢气生产的效率。
应理解，尽管这里描述的***的实施例的几个利用包括氧化铁的载氧材料，但在此描述的燃料转化***中可以使用其它载氧材料。
还原反应器设计
在化学环路过程中固体燃料的直接转化可以认为按两个阶段发生，即气体易挥发物转化和含不易挥发物固体燃料转化。在一些实施例中，填充运动床构造用在当前***中，该***用于在图1-8的***中的还原反应器100。在图1-8中所示的还原反应器100对于某些情况可以用一系列流化床代替。当固体燃料通过固体燃料输送和注入***注入到还原反应器100中时，在固体燃料中的气体易挥发物质迅速放出，并且随气体运送到还原反应器100的上部部分。在这个部分中，易挥发物可以由从载氧材料颗粒贡献出的氧转化。
随着气体易挥发物在还原反应器100的上部部分中转化，固体燃料的剩余部分可以贯穿还原反应器100或在还原反应器100的某些区域中借助于载氧材料和氧化气体被转化。氧化气体可以促使剩余固体燃料的转化，并且为金属氧化物的还原提供后随还原气体，以降低金属氧化物的氧化状态。在一些实施例中，来自还原反应器100的出口的新鲜CO2或H2O或再循环CO2/H2O流束可以用作氧化剂，但O2也可以是用于固体燃料转化的促进的可接受的氧化气体。诸如CO和H2之类的还原性气体可以由固体燃料的剩余部分的气化而形成，并且可以导致金属氧化物的还原。
在填充运动床构造中，固体燃料的剩余部分转化策略由气体速度（该气体速度由上文中述及的氧化气体表现）、反应器设计、或在还原器中固体燃料注入的构造而确定。填充运动床的特征是按逆流接触图案提供气体和载氧材料，并且固体燃料的流动图案按这样一种方式决定，从而为转化提供足够的驻留时间。固体燃料可以相对于载氧材料的流动逆流或顺流地流动。
因为固体燃料转化过程随着它们被转化放出气体，所以在填充运动床中的气体速度需要小心地调节，以便贯穿还原反应器100保持运动床工况。一些锥体形连接（这些锥体形连接在上部部分上具有较大横截面面积）中的一个或更多个级可以用来减小在上部部分中的气体速度，在该处放出气体向其流动。用于锥体的级的数量和锥体的角度和高度可以基于固体燃料转化预期和载氧材料和固体燃料的流体动力学特性而确定。在一些实施例中，载氧材料颗粒尺寸倾向于足够大，从而它们在还原反应器100和氧化反应器200中按填充运动床方式相对于气体逆流地流动，并且固体流化/捕集分别在燃烧反应器300和固体输送***350中总体上是可实现的和实际的。另一种可能策略是从反应器的中间部分中抽出气体的一部分。这种气体可以或者直接用作燃料气体/化学环路，或者被分离并且随燃料部分再循环。
图9A描绘填充运动床还原反应器的一个实施例，该填充运动床还原反应器与在图1-8中的还原反应器100相对应。在还原反应器100的底部处，上文中述及的氧化气体为了其较好分布通过环型气体分配器而引入，该环型气体分配器起注入气体端口170的作用。随着锥体的横截面面积增大，气体速度在锥体接头的上部部分处逐渐减小。在图9B中所示的另一个实施例中，还原反应器100沿环形布置的反应器壁的锥形部分可以具有多个注入气体端口170。这个实施例允许氧化气体局部地打散固体，这防止在锥体附近形成桥接。宽范围的颗粒尺寸分布可能使固体锁住在锥体中。
现在参照图9A和9B，还原反应器可以包括具有多个锥体（如第一锥体161和第二锥体162）的几何形状。锥形设计允许还原反应器100在较高区域中比在较低区域中具有较大横截面面积，从而还原反应器100在其顶部处比在其底部处具有较大横截面面积。应该理解，还原反应器100可以具有一个锥体，或者根本没有锥体。在一些实施例中，还原反应器可以具有多于两个锥体。锥体可以分别具有不同的尺寸和形状。在还原反应器100的一个实施例中，还原反应器100的整个竖向长度可以是锥形的，从而横截面面积相对于还原反应器100的竖向高度连续地增大。
现在参照图10，在一些实施例中，可以使用还原反应器100的较大容器尺寸，并且在还原反应器100的底部级处可以应用并联的多个锥形部分，从而还原反应器具有多个出口流束。第一锥体177和第二锥体176都可以发源于还原反应器100的底部部分，并且形成用于载氧材料的多个出口。多个锥体连接可以防止在单个锥体上的过大应力和固体的通道流动。在这个实施例中，可以安装多个非机械阀，以将颗粒转移到多个燃烧器。然后，可以并联地重复相同提升管、气体-固体分离***及固体-固体分离。
分别在还原反应器100和氧化反应器200中，一系列流化床可以可选择地用于固体燃料转化和/或H2生产。在这样一种构造中，优选载氧材料颗粒尺寸范围可以在约50微米与约2,000微米之间。载氧材料和固体燃料剩余物都通过氧化进口气体和来自反应的中间和生产气体而流化。在多级流化床的一些构造中，气体和载氧材料逆流地交换氧。可选择地，固体燃料和载氧材料可以一起顺流地流动，并且/或者在一些实施例中逆流地流动。
在一个实施例中，一系列流化床的顺流流动具有相同的固体燃料（如果有的话）和载氧材料的进口和出口，并且将氧化气体在流化床系列的底部处引入到第一流化床中，该第一流化床取得从在第一流化床上方的第二流化床输入的固体，并且产生固体的最后输出。来自第一流化床的生成气体可以运动到第二流化床中。将来自存储容器的再循环载氧材料引入到最上部流化床中。固体燃料的注入可以在各流化床中的任一个流化床处进行。气体和固体的交换规范地发生在每个流化床之间。在流化床系列的顺流流动中，载氧材料和固体燃料典型地具有类似的流体动力学性质。载氧材料和固体燃料颗粒尺寸也倾向于在这样的范围中：其中，它们的同时流化在还原反应器100和/或氧化反应器200中是可实现的和实际的。
在流化床系列的逆流流动中，其中固体燃料和载氧材料流入彼此相反的方向，固体燃料可以从每个流化床与气体一起带出，而载氧材料在它们运输到下一个反应器之前可以在每个反应器中连续地流化。对于这种逆流流化床操作，载氧材料颗粒的密度和尺寸应当是适当的，以便使流化工况保持在每个流化反应器中，并且固体燃料小得足以由气体快速带走，以便于容易地与载氧材料分离。
流动工况
现在参照图11，在填充运动床反应器的一个实施例中，氧化气体150在锥体161的下部部分处，具有在固体燃料140的剩余部分的终端速度与载氧材料130的最小流化速度之间的速度。反应器可以构造成填充运动床，其中，固体燃料140和载氧材料130的流动方向是逆流的。在高速度下的氧化气体150添加到锥体161的下部部分，并且固体燃料的剩余部分随氧化气体150流过下降的载氧材料130的空穴空间。在这个实施例中，气体-固体-固体接触模式可能倾向于比较大尺寸颗粒的载氧材料130（在约1mm与10mm之间的任何尺寸）、比载氧材料130小的粉碎固体燃料颗粒140（在约1μm与约1,000μm之间的任何尺寸）以及在底部区中比较高氧化气体150流动速度（比粉碎固体燃料140的最小流化速度高，但比载氧材料130最小流化速度低）。在这个实施例中，在燃烧反应器300和提升管350中基本上可能不存在固体燃料140的副产品和/或未转化的固体燃料，因为在锥体161的底部处的高气体速度只允许载氧材料130的循环，这些载氧材料130可以具有较粗颗粒尺寸。固体燃料140的副产品和/或未转化的固体燃料可以在还原反应器100的顶部处从***中分离和排出，如这里描述的那样。
现在参照图12，在另一个实施例中，具有高的易挥发物含量的固体燃料140可以在锥体161下面注入。如有必要，则可以在固体燃料注入点下面注入另外的氧化气体150，以便防止固体燃料140的向下流动。固体燃料140和载氧材料130的流动方向可以是逆流的。这个实施例为来自固体燃料140的易挥发物提供最大反应区。在这个实施例中，在燃烧反应器300和提升管350中基本上可能不存在固体燃料140的副产品和/或未转化的固体燃料，因为在锥体161的底部处的高气体速度只允许载氧材料130的全局循环，这些载氧材料130可以具有较粗颗粒尺寸。固体燃料140的副产品和/或未转化的固体燃料可以或者在还原反应器100的顶部处、或者与新鲜固体燃料一起，从***中分离和排出。
现在参照图13，在另一个实施例中，固体燃料140和载氧材料130是顺流的。还原反应器100可以构造成使得固体燃料140可以与载氧材料130的颗粒一起向下流动，而氧化气体150可以向上流动。在这个实施例中，气体-固体-固体接触模式可能倾向于在锥体161的下部部分中的低氧化气体150速度，并且/或者固体燃料140的剩余部分具有与载氧材料130相似的流体动力学特性。任何未转化的固体燃料140可以在燃烧反应器300中用空气转化，并且它们的副产品可以在载氧材料重新进入还原反应器100之前与载氧材料130分离。这种转化方案可能导致在燃烧反应器300的气体出口中的二氧化碳副产品。在一个实施例中，固体-固体分离单元可以定位在燃烧反应器300之前，例如流化床之前，以将载氧材料130和未转化的固体燃料140基于它们的不同流体动力学性能而分离。这个实施例可以允许未转化的固体燃料140回到还原反应器100的再循环，并且可以消除通过燃烧反应器300和提升管350的碳泄漏。
参照图14，在另一实施例中，可以利用不易挥发或低挥发固体燃料140，例如但不限于炭或焦，且固体燃料140的注入可以在还原反应器100顶部进行。固体燃料可以随来自存储容器的再循环载氧材料130引入，且可在还原反应器100中顺流地向下流动。在另一实施例中，在类似流动构造中可以利用一系列流化床。
现在参照图15，在另一个实施例中，气体-固体-固体接触模式可以通过载氧材料130和固体燃料140的剩余部分的顺流和逆流流动工况的组合而实现。在这个实施例中，固体燃料140可以具有宽范围的颗粒尺寸。具有比较小颗粒尺寸的固体燃料140的剩余部分可以跟随逆流流动，而比较大尺寸的固体燃料140可以相对于载氧材料130顺流地流动。任何未转化的固体燃料140可以在燃烧反应器300用空气转化，并且它们的副产品可以在重新进入还原反应器100之前分离。这种转化方案可能导致在燃烧反应器出口中的二氧化碳副产品。在另一个实施例中，固体-固体分离单元可以定位在燃烧反应器100之前，例如流化床之前，以将载氧材料130和未转化的固体燃料140基于它们的不同流体动力学性能而分离。这个实施例可以允许将未转化的固体燃料140再循环回还原反应器100，并且可以消除通过燃烧反应器300和提升管350的碳泄漏。
非机械阀
在化学环路***中的载氧材料可能需要按受到调节并且符合期望的流量从还原反应器100或氧化反应器200运输到燃烧反应器300。因为诸如盘式送料机或球阀之类的传统机械装置依赖于运动零件，所以操作成本将会是昂贵的，并且装置当它们应用在化学环路***（在该化学环路***中，在升高温度下处置磨蚀载氧材料和固体燃料）中时将会是不可靠的。因此，非机械阀可以引入到这里公开的化学环路***中在燃烧反应器进口400处。非机械阀可以运输固体，并且可以构造成用以例如防止在还原反应器100或氧化反应器200与燃烧反应器300之间的气体混合。这里使用的“非机械阀”是在其操作中不依赖于运动零件、而是例如依赖于气体流动的任何阀。非机械阀可以具有曲折管道组件。
现在参照图16A、16B、16C以及16D，这里公开的是几种非机械阀构造。一般而言，非机械阀可以包括竖向立管410（该竖向立管410连接到还原反应器100或氧化反应器200上）、至少一根水平管420、选择性地至少一根竖向管470以及选择性地倾斜管430。竖向立管410可以导致在还原反应器100或氧化反应器200与燃烧反应器300之间的压力建立，以防止气体混合。区密封气体流束440可以用来在立管上建立压力，该压力可以防止在各反应器之间的气体泄漏。例如但不限于N2和Ar之类的惰性气体、蒸汽、或像CO2之类的较小活性气体可以用来密封反应器。水平和倾斜管的优选构造由载氧材料的颗粒特性和/或在***中的气体使用而确定。载氧材料的全局循环速率主要由在阀的竖向立管上的气化气体流束450确定和控制。例如但不限于N2和Ar之类的惰性气体、蒸汽、或像CO2之类的较小活性气体作为气化气体是优选的。可以建立另外的气化气体流束460，以使静止区最小化并且防止细屑积累。
非机械阀可以构造有特定几何形状，该特定几何形状可以取决于燃料转化***的技术规格。图16A示出了“L形阀”，该“L形阀”按“L”的形状构造，并且包括立管410，该立管410连接到水平管420上，该水平管420连接到燃烧反应器300上。图16B示出了“延伸L形阀”，该“延伸L形阀”按具有延伸部的“L”的形状构造，并且包括立管410，该立管410连接到水平管420上，该水平管420连接到倾斜管430上，该倾斜管430连接到燃烧反应器300上。图16C示出了“J形阀”，该“J形阀”按“J”的形状构造，并且包括立管410，该立管410连接到水平管420上，该水平管420连接到竖向管470上，该竖向管470连接到倾斜管430上，该倾斜管430连接到燃烧反应器300上。图16D示出了“h形阀”，该“h形阀”按“h”的形状构造，并且包括立管410，该立管410连接到第一水平管420上，该第一水平管420连接到第一竖向管470上，该第一竖向管470连接到第二水平管420上，该第二水平管420连接到燃烧反应器300上。
固体流量测量***
在一个实施例中，这里公开的燃料转化***可以包括固体流量测量装置，且可定位在燃烧反应器进口流束400处。固体流量测量装置可与非机械阀相联接。除固体流量调节***外，可建立固体流量测量以保证反应器***的适当操作。可能重要的是，具有在***中载氧材料循环速率的知识，以便确定在燃料进料与载氧材料之间的化学计量平衡。不适当全局固体循环速率会导致在还原反应器100和/或氧化反应器200中的固体聚结和/或不完全的燃料转化。
在一个实施例中，载氧材料循环通过使用填充运动床的特性和在运动床中的固体的低热容量而确定。一批冷颗粒可以通过活底-料斗***添加到反应器中，并且可以监视在反应器壁上的温度测量装置的温度趋势。在图17中的给定例子中，温度测量装置480，例如但不限于热电偶，可以安装在反应器壁上，沿反应器的竖向高度周期性地排列。表现大幅温度降的第一热电偶可以指示床的水平。由于在反应器中的固体向下运动，所以冷固体的批料降低在下面区域中的温度。这种趋势继续，直到固体的批料到达反应器稳定状态温度。在各个温度测量装置之间的各个温度降之间的时间滞后，表示载氧材料颗粒的直线速度。如果知道固体的密度和反应器的横截面面积，则直线速度可以转化成质量流量。
在另一个实施例中，固体流量测量***可以包括具有运输窗口的运输线。运输线可以布置成与主运输线并联，例如在固体分离装置600与固体存储容器700之间，并且可以保证在测量装置和主反应中的类似操作条件。由在测量装置中的固体流量乘以在测量线和主运输线的横截面之间的面积比，可以得到固体流量。
固体燃料注入***的设计
现在参照图18，在一个实施例中，还原反应器100包括用于填充运动床反应器构造的固体燃料注入和分配***171。固体燃料的输入速率可以通过利用传统固体处置装置而控制。***171可以包括固体燃料存储单元700和固体流量控制器174。固体燃料由固体流量控制器174输送到运输线，然后来自流束176的推动气体可以将固体燃料携带到填充运动床反应器100中。一般而言，中性、无活性、或较小活性气体用来将固体燃料从固体流量控制器174运输到填充运动床反应器100中。在某些实施例中，诸如CO2、H2O、和/或O2之类的氧化气体可以用作推动气体。固体燃料运输***170的尺寸和推动气体速度可以取决于固体燃料的性质。固体燃料注入的数量和位置也可以基于反应器尺寸、载氧材料与固体燃料的反应性、和/或固体燃料流量而调节。可以安装紧急关闭阀178，以防止氧化气体突然回流到固体燃料存储单元。
现在参照图18和19，在一个实施例中，固体燃料与推动气体可以绕漏斗形固体流量调整器180沿切向注入到填充运动床反应器100中。图18描绘关于两点式切向注入构造在流量调整器附近通过推动气体的固体燃料的流动方向。载氧材料可以通过漏斗形固体流量调整器180，并且它们会聚到较小表面区域中，该较小表面区域为待注入到在漏斗形固体流量调整器180内部的载氧材料中的固体燃料提供空间。固体流量调整器180可以同轴地布置在运动床反应器内，并且在固体流量调整器与第一运动床反应器的壁之间的空隙限定出用于燃料的切向流动路径，该燃料经多个燃料注入端口进入第一运动床反应器。漏斗形固体流量调整器180可以由多孔材料建造，从而可以得到平顺的气体流动。内部反应器设计可以是用以在填充运动床中分配固体燃料的、有效用的并且高效率的装置。
还原反应器可以包括流动静止混合器。随着两种固体的混合物通过静止混合器，可以实现在固体燃料与载氧材料之间的混合。不同形状的静止混合器可以用来实现不同程度的混合。
现在参照图18和20，在一个实施例中，在该实施例中，还原反应器100具有大尺寸，由于在大型容器中在载氧材料中分配固体燃料的困难，切向固体燃料注入的方法可能不是优选的。可以使用如与先前实施例相同的固体输送***，例如固体送料机和推动气体。然而，不同的内部设计和多个固体送料机可以应用在巨大容器中，以保证固体燃料分配。可以安装多个内部圆锥184以构建贯穿容器用于固体燃料注入的空间，从而多个注入端口限定圆锥形状。圆锥184可以是漏斗形的，并且可以由多孔材料建造，从而可以得到基本上平顺的气体流动。内部结构和固体进给***的数量取决于还原反应器100的尺寸和/或使用的固体燃料的性质。可以安装紧急关闭阀，以防止氧化气体突然回流到固体燃料存储单元。在固体燃料注入以后，可以安装静止混合器182，以在运动床中实现较高程度的固体混合。在一个实施例中，帮助气体和固体两者重新分配的内部结构安装在还原反应器100和/或氧化反应器200中。这些内部结构可以帮助固体燃料跨过反应器床更均匀地分配。另外，在某些实施例中提供沿反应器壁的气体注入，以允许固体燃料被更好地分配。
固体分离***
在一些实施例中，用比较大的载氧材料颗粒、球丸或团块，操作反应器***。在该实施例中，载氧材料的磨碎的/再熔的细屑、固体燃料的副产品和/或未转化的碳可能需要分离，因为固体燃料的副产品、未转化的碳、和/或再熔的细屑的严重积累，会引起载氧材料失活和反应器堵塞。在单元的连续操作期间，在载氧材料重新进入还原反应器100之前，细屑的全部或部分，即固体燃料的副产品、未转化的碳以及再熔的载氧材料粉末，可能需要从***中清除。图21代表在用于固体燃料转化的化学环路过程中的细屑除去设备的实施例。尽管气体-固体分离器可用来分离出极细材料，但固体燃料的副产品和载氧材料粉末的大部分在存储容器之前除去。细屑除去设备600利用颗粒的流体动力学性质的差异，将固体燃料副产品、未转化固体燃料或再熔载氧材料颗粒与基本载氧材料颗粒分离。固体流动流束520包含细屑（这些细屑在燃烧器、提升管及旋风器中产生）和基本载氧材料颗粒。因为载氧材料在燃烧器、提升管以及旋风器中强有力地运输，所以细屑的大部分可能产生在这些区域中。这些细屑包括再熔载氧材料、固体燃料副产品或未转化固体燃料。细屑和较粗颗粒的混合物从旋风器输送。在这些颗粒进入接收器之前，在进口流束630处引入气化气体，以淘除在混合物内的细屑，而基本粗载氧材料循环回到接收器中。依据被除去的细屑的截止尺寸，可以调整在竖向立管部分620中的载体气体速度。一般而言，将在立管620中的载体气体速度设置成比期望的细屑的终端速度稍高。一般而言，中性、非活性、较小活性气体和/或空气用来在这个设备600中分离细屑。在一些实施例中，从出口流束610收集的固体可以在反应器***中重新处理和再用。再熔载氧材料和/或未转化的固体燃料可以由气体-固体分离器与气化气体分离。
在一些实施例中，来自提升管350的捕集颗粒和气体可以旁通过气体-固体分离器500。可选择地，提升管350可以按倾斜角度与固体分离器直接连接。进口流束520可能包含需要分离的颗粒。对于这个实施例，固体分离***600与诸如提升管之类的固体输送***350相比，优选地具有大得多的横截面面积，以便避免颗粒的捕集。如在先前实施例中提到的那样，在出口流束610中的分离颗粒可能适合于被重新处理，以便在化学环路***中循环。
另外的气化气体可以从固体存储容器700的底部输入，以便将细屑与基本载氧材料分离，这些基本载氧材料通过固体分离装置600，并且已经沉积在固体存储容器700中。小气体出口安装在固体存储容器700的顶部处，以从载氧材料的表面水平喷出流化细屑。
燃烧反应器和提升管设计
压力流动主要由于在燃烧反应器300中经历的巨大颗粒尺寸载氧材料的迟滞效应，有时发生在化学环路***中。在燃烧反应器300中的固体迟滞引起在存储容器中固体存量的突然损失/增加、和气体和固体流量的突然变化。
现在参照图22A、23B以及23C，在一个实施例中，燃烧反应器300可以减小在载氧材料的流体期间的迟滞。为减小在燃烧反应器300中的迟滞可以采纳的可能途径，包括但不限于对于燃烧反应器300的形状和尺寸的专门设计、和内部装置的添加。在一个实施例中，在顶部上具有较大横截面面积的锥形床，如图22A所示，可以大大地减小在固体料位的表面附近的气体和固体波动。在另一个实施例中，如图22B所示，将提升管350的下端部***到燃烧反应器300内部可以通过防止固体与壁碰撞而有效地减小迟滞。在另一个实施例中，如图22C所示，包括竖向内部结构304和水平内部结构302的内部装置通过将燃烧反应器300分离成几个部分和限制每个部分的尺寸，也可以减小迟滞。减小迟滞的其它可行方法包括螺旋丝杆或搅拌器，这些螺旋丝杆或搅拌器可以通过改变固体的局部流动性而防止迟滞。
在一个实施例中，通过从在燃烧反应器300和/或提升管350中的放热反应回收热量可以生产蒸汽。在这个实施例中，在燃烧反应器300和/或提升管350中的热量可以转移成蒸汽发生，导致在燃烧反应器300和/或提升管350中的温度下降。由于温度下降使气体体积收缩，所以在燃烧反应器300和/或提升管350的上部部分中可以降低气体速度。如果在提升管中的气体速度不足以将颗粒运输回存储容器，则另外的气体注入端口可以安装在提升管350的各个点上。
注意，这里为实施特定性能、或按特定方式起作用而按特定方式“构造”的本公开的元件的讲述是结构性讲述，与预期用途的讲述相反。更具体地说，这里对于“构造”元件的方式的参考指示元件的现有物理状态，并且因而，要当作元件的结构特性的具体讲述。
为了描述和限定本发明的目的，应予注意的是，术语“基本上”这里用来代表固有程度的不确定性，这种不确定性可能归因于任何量化比较、值、测量、或其它表示。术语“基本上”在这里也用来代表这样一种程度：量化表示可以基于指出的参考值有所改变，但不导致所论述的主题的基本功能的变化。
详细地和通过参考本公开的具体实施例已经描述了本公开的主题，应予注意的是，这里公开的各种细节不应该当作意味着，这些细节涉及是这里描述的各个实施例的基本元件的元素，即使在其中特定元素在各个附图（这些附图伴随本描述）中的每一个附图中示出的情况下也如此。实际上，所附的权利要求书应该当作本公开的宽度和这里描述的各个实施例的对应范围的唯一表示。进一步，显然可知的是，可以做出诸多不脱离所附的权利要求书的范围的修改和变更。更具体地说，尽管本公开的一些方面在这里被认为是优选的或特别有利的，但预期到的是，本公开并非必须限于这些方面。

Claims (8)

1.一种用来转化固体含碳燃料的***，包括：
第一运动床反应器，所述第一运动床反应器包括至少一个锥形部分和呈切向注入构造的多个注入气体端口，所述多个注入气体端口构造成用以将固体含碳燃料沿切向注入到所述第一运动床反应器中，其中，所述第一运动床反应器构造成用以用固体含碳燃料还原载氧材料，其中，燃料和载氧材料的流动方向是逆流的；
与所述第一运动床反应器连通的第二反应器，所述第二反应器能***作以接收氧气源，其中，所述第二反应器构造成用以通过氧化使得被还原载氧材料再生；
非机械阀，所述非机械阀包括曲折管道组件和至少一个气体开口，所述曲折管道组件布置在所述第一运动床反应器与所述第二反应器之间，所述至少一个气体开口构造成用以接收气体流束，所述气体流束能够起作用以减少在所述第一运动床反应器与所述第二反应器之间的气体泄漏；以及
固体流量调整器，该固体流量调整器同轴地布置在所述第一运动床反应器内，其中，在所述固体流量调整器与所述第一运动床反应器的壁之间的空隙限定出用于燃料的切向流动路径，该燃料经所述呈切向注入构造的多个注入气体端口进入所述第一运动床反应器。
2.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述第二反应器是逆流运动床反应器。
3.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述曲折管道组件包括至少一根竖向立管。
4.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述注入气体端口环形地布置在至少一个锥形部分上。
5.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述第一运动床反应器具有并联对准的多个锥形部分，从而所述第一运动床反应器具有多个出口流束。
6.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述固体流量调整器是漏斗形的。
7.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述多个注入气体端口沿锥形部分布置。
8.根据权利要求1所述的用来转化固体含碳燃料的***，其中，所述第一运动床反应器包括的所述多个注入气体端口呈两点式切向注入构造。
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