在其中氧气由可再生的金属氧化物吸附剂提供的增氧燃烧过程中捕集二氧化碳的方法和系统

摘要

本发明公开一种用于捕集燃烧过程中的二氧化碳的增氧燃烧系统和方法。所述增氧燃烧系统包含：(a)氧化反应器，用于对还原的金属氧化物进行氧化；(b)分解反应器，其中对分解燃料进行燃烧并对氧化的金属氧化物吸附剂进行还原并同时释放氧气，并产生具有富集氧气的二氧化碳流股的烟道气；(c)燃料燃烧反应器，用于将初始燃料和所述富集氧气的二氧化碳流股燃烧成初级烟道气；和(d)分离设备，用于将所述初级烟道气的一部分进行分离，从而制备富集二氧化碳的流股。所述方法包括向燃料燃烧反应器提供初始燃料和富集氧气的二氧化碳流股。将所述初始燃料和富集氧气的二氧化碳流股燃烧成初级烟道气流股，将所述初级烟道气流股分成第一烟道气部分和第二烟道气部分。对所述第一烟道气部分进行加工以产生适用于隔离的高纯度二氧化碳流股。将所述第二烟道气部分传送至所述分解反应器中以提供热量并充当流体流股。所述初级烟道气可包括氧气或其它合成气体，取决于所述富集氧气的二氧化碳流股含有对于完全燃烧所需来说化学计量过量还是不足的氧气。

说明书

发明领域

本发明一般地涉及增氧燃烧，更特别地，涉及使用可再生金属氧 化物吸附剂以提供燃料燃烧所使用的氧气的增氧燃烧。

发明背景

在加热器和锅炉中燃料的增氧燃烧（oxyfiring）或氧－燃料的燃 烧（oxy-fuel combustion）是一种有希望的二氧化碳捕集方法，其中 燃料通常在高纯氧而不是空气存在下燃烧，以产生热量和烟道气。干 燥的空气含有约(体积比)78.08%的氮气、20.95%的氧气、0.93%的氩 气、0.038%的二氧化碳和痕量其它气体。与干燥的空气相比，普通的 空气含有变化量的水蒸气，平均为约1%。所述增氧燃烧过程可避免 将氮气和其它痕量气体与烟道气进行分离的需要，如果是在空气中而 不是主要在氧气中进行燃烧，则会另外存在所述氮气和其它痕量气体。 此外，利用增氧燃烧，可避免或至少大大减少了氮氧化物的形成。

烟道气主要由二氧化碳、水蒸气和其它痕量污染物构成，所述痕 量污染物取决于所选择的燃料。所述烟道气易于冷却，以分离出水并 产生浓缩的二氧化碳流股，对所述浓缩的二氧化碳流股进一步提纯以 得到高纯二氧化碳流股。能够将该流股封存以防止二氧化碳释放至大 气中。例如可将二氧化碳流股泵送入地下储层中。或者，可捕集二氧 化碳并压缩成液体，然后出售给工业。另外，能够将二氧化碳与其它 化学品反应以制造固体。

常规上，一个或多个深冷空气分离单元(ASU)为增氧燃烧过程供应 氧气。然而，使用ASU系统，在前期的设备开支和运行时的运行开支 两方面都昂贵。

为增氧燃烧提供氧气的另一种手段是使用离子传输膜(ITM)。ITM 通常可透过氧气但不能透过其它物质，且与大部分产生氧气的常规方 法相比，每单位氧气所需要的能量明显更少。BOC已经开发了一种使 用混合的离子和电子导体材料制造用于含氧燃料燃烧工艺的氧气流股 的工艺。

Mattisson等人(Int.J.Greenhouse Gas Control,3,11-19,2009)对负 载在载体基质上用于向固体燃料的燃烧供应氧气的的金属氧化物吸附 剂如锰的氧化物(Mn₂O₃)、铜的氧化物(CuO)和钴的氧化物(Co₃O₄)进行 了研究。在其称作化学回路燃烧(CLC)的方法中，在燃料燃烧室中以 相互密切接触的方式放置燃料和氧化的金属氧化物吸附剂。在燃料燃 烧期间，从金属氧化物吸附剂中释放氧气，由此将氧化的金属氧化物 吸附剂还原。然后对还原的金属氧化物吸附剂进行捕集并重新装入或 在合适条件下在适当的氧化反应器中利用源自空气中的氧气进行再 生。然后将重新装入的氧化的金属氧化物吸附剂返回或“回路”至燃 烧室中以与燃料再次进行燃烧。

在化学回路燃烧期间产生烟道气，其含有二氧化碳、水蒸气、少 量的氧气和其它气态燃烧产物，这取决于燃料与金属氧化物吸附剂的 化学计量比例。如果在高百分比氧气存在下发生燃烧，与其中空气提 供燃烧所使用的氧气的相同燃烧过程相比，能够在相对高的温度下进 行燃烧。与利用纯氧气的增氧燃烧相比，空气中相对大量的惰性氮气 将燃烧反应器中的温度保持在更低温度下。在特定情况中，这种更高 的温度可能是有利的。然而，为了使得空气和燃料燃烧的设计在更低 温度下操作的常规燃烧反应器，如果在这些更高温度下运行时，易于 损坏。本发明致力于满足所述需要，以提供基本不含氮气的增氧燃烧， 同时使得常规燃烧反应器易于更新，所述常规燃烧反应器是为了在比 利用纯氧气流股的增氧燃烧所提供的温度更低的温度下运行而设计 的。

发明概述

在上述背景中所述的CLC法通常应用于“新建”工艺。本文中所 述的发明特别适合于现有的“更新”应用，其中通过金属氧化物吸附 剂而不是ASU或ITM装置供应氧气。然而，根据如下公开内容也能 够构造新建系统。

本发明公开了用于在增氧燃烧过程中捕集二氧化碳的增氧燃烧系 统和方法。所述增氧燃烧系统包含：(a)氧化反应器，用于对还原的 金属氧化物吸附剂进行氧化；(b)分解反应器，其中对分解燃料进行 燃烧并对氧化的金属氧化物吸附剂进行分解以产生还原的金属氧化物 吸附剂和氧气，同时在所述分解反应器中产生富集氧气的二氧化碳流 股；(c)燃料燃烧反应器，用于将初始燃料和富集氧气的二氧化碳流 股燃烧成包括二氧化碳流股和水蒸气的初级烟道气流股；和(d)分离 设备，用于将二氧化碳从所述初级烟道气流股中分离出来。将所述初 级烟道气流股分离成第一烟道气部分和第二烟道气部分。通过所述分 离设备对所述第一部分进行处理以产生二氧化碳富集流股，能够对其 进行封存或进行其它利用。对所述第二烟道气部分进行循环以向所述 分解反应器提供二氧化碳流股。分解反应器是指其中通过失去氧将氧 化的金属氧化物吸附剂还原成还原的金属氧化物吸附剂的反应器。分 解燃料是指能够向所述分解反应器提供热量以使得能够分解氧化的金 属氧化物吸附剂的任意一种可燃燃料。

为了该说明书的目的，短语“富集氧气的二氧化碳流股”是指其 中相对于流股中气体的总体积氮气小于15体积%的气体流股。因此， 初级烟道气流股将不要求试图除去氮气或大量的氮气以产生适用于从 初级烟道气流股中隔离的富集二氧化碳的流股。类似地，“增氧燃烧” 是指在含氧流股的存在下进行的燃烧，所述含氧流股基本不含氮气， 即氮气小于15体积%。

如果富集氧气的二氧化碳流股具有相对于初始燃料化学计量过量 的氧气，则燃烧产物主要是二氧化碳、水蒸气、一些氧气和其它痕量 气体。然而，如果氧气相对于所述初始燃料的化学计量不足，则初级 烟道气流股将包含一氧化碳、氢气以及二氧化碳、水蒸气和其它痕量 气体。在此情况中，能够将一氧化碳和氢气即合成气用在分解反应器 中作为分解燃料或另外用作提供至所述分解反应器的分解燃料的单独 源。

所述方法包括向燃料燃烧反应器中提供初始燃料和富集氧气的二 氧化碳流股。将所述初始燃料和富集氧气的二氧化碳流股燃烧成初级 烟道气流股。能够使用在富集氧气的二氧化碳流股中存在的二氧化碳 以有助于控制燃烧反应器中的温度。因此，使用空气作为氧气源的常 规燃烧反应器系统，利用本方法和系统易于更新，从而提供产生氮气 即使存在也非常少的烟道气的优势，由此易于将二氧化碳从烟道气中 分离。

将初级烟道气分离成第一烟道气部分和第二烟道气部分，各种烟 道气部分含有二氧化碳流股和水蒸气。可对第一烟道气部分进一步加 工或处理以除去水并捕集二氧化碳。如果第一烟道气部分也包括大量 的合成气，则该合成气能够与第一烟道气部分中的其它气体分离并用 作燃料源。举例例且是非限制性的，也可将分离的合成气用作诸如费 托反应的其它化学反应中的给料，以产生烃类产物。如果流股含有明 显量的氧气，则能够将该氧气从第一气体部分中除去并用作分解反应 器或其它地方中的氧化剂。

将包括二氧化碳和水蒸气的第二烟道气部分循环至分解反应器。 任选将水蒸气除去以产生包括二氧化碳和其它气体的干燥气体流股， 然后将其供应至分解反应器。如上所述，其它气体可包括氧气或其它 合成气，这取决于供应至燃烧反应器中用于与初始燃料燃烧的氧气的 化学计量的量。将承载二氧化碳的该流股供应至分解反应器。在分解 反应器中将该流股和氧化的金属氧化物吸附剂以及分解燃料，如果燃 烧需要的话，进行燃烧以产生还原的金属氧化物、氧气和包含富集氧 气的二氧化碳流股和水蒸气的次级烟道气流股，将其供应至燃烧反应 器中。在循环至燃烧反应器之前，可将水蒸气从该次级烟道气流股中 除去或不除去。然后将还原的金属氧化物吸附剂返回至氧化反应器中 并在其中重新氧化。

如果供应至分解反应器中的二氧化碳流股包括过量的氧气，则能 够使用该氧气以有助于分解燃料的燃烧。如果供应至分解反应器中的 二氧化碳流股包括合成气，则能够将合成气用作分解燃料或用于增加 分解燃料的单独源。另外，从第一部分初级烟道气流股中分离的任何 氧气或合成气能够供应至分解反应器中以分别用作氧化剂或燃料。

本发明的目的是提供一种在增氧燃烧系统中的分解反应器以从金 属氧化物吸附剂中释放氧气并将燃料燃烧以产生氧气增多了的且基本 不含氮气的二氧化碳流股的烟道气流股。然后将这种富集氧气的烟道 气用作燃烧反应器中的氧化剂气体以与初始燃料发生燃烧，从而产生 热量和基本不含氮气的燃烧烟道气。然后，容易地将二氧化碳从燃烧 烟道气中分离。

附图简述

根据如下说明、待审权利要求书和附图，将使得本发明的这些和 其它目的、特征和优势变得易于理解，其中：

图1是增氧燃烧系统的第一示例性实施方案的示意图，所述系统 包括空气反应器、分解反应器和燃烧反应器，其中金属氧化物吸附剂 在分解反应器中释放氧气以产生富集氧气的二氧化碳流股，将该流股 供应燃烧反应器中，在那里该流股与初始燃料进行燃烧。然后，在氧 化反应器中将金属氧化物吸附剂再生或重新氧化，将空气分离成由金 属氧化物吸附剂容纳的氧气和贫含氧气的空气流股；且

图2是第二示例性实施方案，其中富集氧气的二氧化碳流股携带 的氧气量不足以在燃烧反应器中将初始燃料完全燃烧，由此产生包括 合成气即氢气和一氧化碳的初级烟道气流股。然后，可将合成气循环 至分解反应器中以用作分解燃料。从而产生足以创造分解条件的热量， 使得从氧化的金属氧化物吸附剂中释放氧气。

发明详述

使用具有至少三个反应器的增氧燃烧系统以将初始燃料和富集氧 气的二氧化碳流股进行燃烧，从而产生热量和基本不含氮气的初级烟 道气流股。术语“基本不含”是指烟道气流股具有的氮气相对于初级 烟道气流股中的其它气体为少于15体积%。所述增氧燃烧系统包括燃 烧反应器、分解反应器和氧化反应器。通过控制富集氧气的二氧化碳 流股的组成，能够控制燃烧期间燃烧反应器中的相对温度。因此，能 够对先前利用空气作为氧气源的现有燃烧反应器进行更新，以将其作 为其中易于从基本不含氮气的初级烟道气流股中捕集二氧化碳的增氧 燃烧系统来运行。此外，由于能够控制燃烧反应器中的温度，所以与 使用纯氧气作为氧化剂相比，能够避免燃烧反应器的过热和损伤。氧 气的量相对于二氧化碳的量提高，通常与燃烧反应器的更高运行温度 相关。

将初始燃料与富集氧气的二氧化碳流股在燃烧反应器中燃烧以产 生初级烟道气流股。能够容易地从初级烟道气流股中捕集二氧化碳， 因为燃烧反应器中所使用的富集氧气的二氧化碳流股通常不含氮气。 初级烟道气流股包含二氧化碳、水蒸气和其它气体。将初级烟道气流 股分成第一烟道气部分和第二烟道气部分。从所述第一部分中，对水 蒸气进行冷凝以留下富集二氧化碳的流股。从剩余气体中分离这种二 氧化碳，以得到几乎纯的二氧化碳流股。然后将富集二氧化碳的气体 封存在诸如地下贮层中或进行其它利用。如果期望，还能够对剩余气 体进行分离。如果剩余气体含有大量的氧气，则能够捕集氧气并用于 其它用途。如果剩余气体包含大量合成气即一氧化碳和氢气，则将合 成气用作燃烧用燃料或用作其它化学转化如费托转化的给料而转化成 更高级别的烃产物。

分解反应器接收来自燃烧反应器的第二烟道气部分并使其富集氧 气，以产生包括待在燃烧反应器中燃烧的富集氧气的二氧化碳流股的 次级烟道气流股。除了从燃烧反应器接收的第二烟道气部分之外，分 解反应器可还接收次级或分解燃料，将所述燃料进行燃烧以向分解反 应器提供热量。在适当条件下，氧化的金属氧化物吸附剂在分解反应 器中释放氧气以产生还原的金属氧化物吸附剂。部分使用所释放的氧 气以与剩余的分解燃料燃烧并部分地使得源自燃烧反应器中的二氧化 碳流股富集氧气，从而产生包括富集氧气的二氧化碳流股和水蒸气的 次级烟道气流股。

如果供应至分解反应器的二氧化碳流股包括过量氧气，则能够使 用该氧气以有助于分解燃料的燃烧。如果供应至分解反应器中的二氧 化碳流股包括合成气，则能够将合成气用作分解燃料或用于补充分解 燃料的单独源。另外，从第一部分的初级烟道气流股中分离的任何氧 气或合成气能够供应至分解反应器中以分别用作氧化剂或燃料。

将还原的金属氧化物吸附剂返回至氧化反应器中。将空气供应至 氧化反应器中，其中从空气中提取氧气并将还原的金属氧化物吸附剂 重新氧化以产生被供应至分解反应器中的氧化的金属氧化物吸附剂。 提取后的空气中不含氧气并主要由氮气和其它痕量气体构成，将其释 放至大气中。将氧化的金属氧化物吸附剂与提取后的空气分离并回路 返回至分解反应器。

燃烧反应器和燃料

燃烧反应器能够为其中能够将燃料或其它碳源与氧气完全或部分 燃烧的任意一种反应器。例如所述燃烧反应器可以为用于电站或蒸汽 发生器中的燃烧加热器或锅炉、或燃气涡轮机。或者，所述燃烧反应 器可以为燃煤的燃烧反应器。所述燃烧反应器还可为流体催化裂化器 (FCC)反应器中的催化剂再生器，其中在富集氧气的二氧化碳流股的 存在下将沉积在催化剂颗粒上的焦炭烧掉。本领域中的技术人员应理 解，使用氧气的其它燃烧类型的反应器也可使用且也在本发明的范围 内。

对燃烧反应器进行设计以燃烧大量燃料如煤、石油焦、生物质、 焦炭、天然气、炼厂燃料气、合成气和其它烃类燃料中的任意一种或 多种燃料。所述燃料可以为气体、液体、固体或甚至其组合的形式。 可对固体进行造粒或其它破碎，以得到合适的粒度。

在富集氧气的二氧化碳流股存在下将这些燃料燃烧，所述流股为 燃烧反应提供氧气。富集氧气的二氧化碳流股中氧气的体积百分比理 想地为约10~50%，或更优选约15~30%，或约20~25%。氧气的理想 百分比部分取决于所燃烧的燃料和燃烧反应器中所要求的温度。此外， 如果期望产生富集合成气而不是富集氧气的初级烟道气流股，则可使 用化学计量计算以确定待被引入以与选择的燃料燃烧的合适量的氧 气。氧气或合成气在初级烟道气流股中的相对含量也能够测量且然后 能够调节富集氧气的二氧化碳流股的氧气含量以满足初级烟道气流股 的期望组成。通过控制传送至分解反应器中的氧化的金属氧化物吸附 剂的量，能够部分地调节富集氧气的二氧化碳流股中氧气的量。或者， 能够控制诸如温度、氧气分压和分解反应器中的压力的条件，从而控 制从氧化的金属氧化物吸附剂中释放的氧气的量。

燃烧反应器的运行温度是确定富集氧气的二氧化碳流股中氧气的 适当含量的另一个因素。例如燃烧反应器可最初已经设计用于使用空 气作为用于燃烧中氧气的携带气体以在相对更低的温度下运行。如果 将这种燃烧反应器用于根据本发明制造的更新的增氧燃烧系统中，则 富集氧气的二氧化碳流股需要大量的二氧化碳以限制燃烧温度并防止 对燃烧反应器或增氧燃烧系统中其它温度传感设备造成损害。与其中 在富集氧气的二氧化碳流股中含有很少氮气的本发明的系统相反，在 常规空气助燃的燃烧反应器中空气中携带的氮气通常限制温度。共同 运行以产生富集氧气的二氧化碳流股的分解反应器和氧化反应器代替 常规燃烧系统中标准的空气或氧气源。当对常规燃烧系统进行更新时， 例如利用本系统的分解反应器和氧化反应器代替空气源。

初级烟道气流股在燃烧反应器的下游分开。本领域技术人员应理 解，可使用大量装置来控制被分成第一烟道气部分和第二烟道气部分 的烟道气的相对量。例如，能够使用具有可调节尺寸的开口的进口和 两个出口喷嘴的导管，以调节传送至第一烟道气部分和第二烟道气部 分中的烟道气的相对量。

分解反应器

分解反应器接收源自燃烧反应器的第二烟道气部分。此外，分解 反应器可接收第二燃料或分解燃料，从而在分解反应器中发生燃烧以 为氧化的金属氧化物吸附剂分解成氧气和还原的金属氧化物吸附剂提 供合适的条件即温度。能够将水蒸气从第二烟道气部分中除去。或者， 当引入分解反应器中时，第二烟道气部分可含有水蒸气。如果第二烟 道气部分在其中含有足够的合成气，则不需要单独供应分解燃料。或 者，可使用合成气以补充单独的分解燃料。在第二烟道气部分富含氧 气并缺乏合成气的情况中，则在分解反应器中发生燃烧需要分解燃料。 然而，如果第二烟道气部分富含氧气，则需要从氧化的金属氧化物吸 附剂中产生的氧气将会减少。

在机械上，所述分解反应器可以为其中实现气-固接触的任意一种 反应器。实例包括固定床反应器、移动床反应器、夹带流反应器和流 化床反应器。出于有效气固接触和良好的热管理的原因，优选将鼓泡 流化床反应器作为分解反应器。

传递到分解反应器的氧气耗尽的二氧化碳流股能够具有一定百分 比范围的二氧化碳、氧气、水蒸气和其它杂质。理想地，含有二氧化 碳流股的第二烟道气部分的温度为100~600℃，更优选150~400℃，甚 至更优选200~300℃。期望尽可能高地保持第二烟道气部分的温度和 热值，以有助于氧化的金属氧化物吸附剂的分解反应。运载第二烟道 气部分的导管应尽量短并隔热以防止热损失。

可将多种燃料用于分解反应器中的燃烧。这些燃料可以为气体、 液体或固体形式或其组合的形式。关于气体，燃料可以为先前所述的 合成气、天然气、炼厂气或上述气体的组合或其它含有易燃烃的气体。 液体的非限制性实例包括燃料油、船用燃料和煤油。还可使用理想地 进行造粒或其它研磨以提供小粒度的固体，其作为举例且非限制性地 可包括煤、焦炭、木材和木炭。

在一个实施方案中，燃烧反应器可以在氧气缺乏的模式下运行， 由此防止初级燃烧的完全燃烧。由此初级烟道气可含有一氧化碳和氢 气，所述一氧化碳和氢气能够用作分解反应器中的分解燃料。另外， 在二氧化碳提纯工艺中从烟道气流股的第一部分中分离的一氧化碳和 氢气也可用作分解反应器的补充燃料。

某些固体与氧气反应以形成氧化的金属氧化物吸附剂并在受热时 分解以产生还原的金属氧化物吸附剂和气态氧。用于增氧燃烧系统中 的金属氧化物吸附剂可包括负载在基质上的多种金属颗粒中的任意一 种，其能够易于被氧化并还原，这取决于温度和氧气的分压。在分解 反应器中的典型运行条件包括约600~1100℃的温度。压力可以为1~25 绝压巴，更优选1~4绝压巴。

作为实例且是非限制性地，将这种金属氧化物吸附剂的实例示于 表1中。

表1：金属氧化物吸附剂

示例性地，关于CuO/Cu₂O、Mn₂O₃/Mn₃O₄和Co₃O₄/CoO金属氧 化物吸附剂，下面显示了可逆的分解反应；

4CuO<->2Cu₂O+O₂(g)        (1)

6Mn₂O₃<->4Mn₃O₄+O₂(g)     (2)

2Co₃O₄<->6CoO+O₂(g)       (3)

Mattisson等人(Int.J.Greenhouse Gas Control,3,11-19,2009)及 其中的公开内容通过参考以其完整形式并入本文中，其描述了在向其 中从金属氧化物吸附剂中释放氧气的反应器中供应氧气的条件下使用 在空气反应器中氧化了的金属氧化物吸附剂。

可使用许多种基质以负载金属氧化物吸附剂。这些基质的非限制 性实例包括氧化铝、氧化硅、氧化铝氧化硅（aluminosilica）、氧化 钛、氧化锆及其组合。这些载体向金属氧化物提供高表面积并提高金 属氧化物的磨损和烧结特性。其还充当储热介质。

通过文献中熟知的技术如湿法浸渍、冷冻造粒、固体混合或喷雾 干燥，能够制备包括负载在这些基质上的金属氧化物的金属氧化物吸 附剂。在制备期间，一部分金属氧化物与载体发生不可逆反应，形成 另外的化合物。在制备的吸附剂上金属氧化物的量理想地为约 5~60wt%，或更优选约10~50wt%。

分解反应器的运行温度部分取决于特定的金属氧化物吸附剂，所 述金属氧化物吸附剂可用于向分解反应器传送氧气。例如将在空气存 在下各种上述金属氧化物吸附剂的典型分解温度列于上表1中。

分解反应器理想地为鼓泡流化床反应器。将分解燃料（如果需要 的话）和第二烟道气部分导入分解反应器的底部。将源自氧化反应器 的氧化的金属氧化物吸附剂导入燃料和第二烟道气部分的流股中。在 分解反应器氧气分压低且温度高的条件下，氧化的金属氧化物吸附剂 向流股中释放氧气，同时一部分释放的氧气与分解燃料燃烧且另一部 分释放的氧气富集在第二烟道气部分中以产生包括富集氧气的二氧化 碳流股和水蒸气的次级烟道气流股。典型地，二氧化碳不参与分解反 应。使用旋风分离器将次级烟道气流股中夹带的所有固体分离并返回 至分解反应器，所述旋风分离器可在分解反应器的内部或外部。

氧化反应器

通过重力或其它手段如螺旋进料器将还原的金属氧化物吸附剂从 分解反应器返回至氧化反应器以重新氧化成氧化的金属氧化物吸附 剂。最优选地，氧化反应器是提升管反应器，与充当分解反应器的流 化床反应器相比，其具有大的管高度/直径比。流体流过氧化反应器的 速度通常远大于流过分解反应器的速度。高速空气将还原的金属氧化 物吸附剂携带至氧化反应器的顶部。在移动通过氧化反应器期间，氧 气被还原的金属氧化物吸附剂捕集以产生氧化的金属氧化物。在氧化 反应器中典型的运行条件包括600~1100℃的温度。压力可以为1~25 绝压巴，更优选1~4绝压巴。

将氧气从空气中提取出去，剩下贫含氧气的空气流股。该流股和 氧化的金属氧化物吸附剂被送至分离器，例如旋风分离器，在那里较 重的氧化的金属氧化物吸附剂与贫含氧气的空气流股分开。该贫含氧 气的空气流股可被排放到大气中，而氧化的金属氧化物吸附剂被回路 返回到分解反应器，理想地在重力帮助下返回。回路密封和罐密封通 常用于防止分解反应器的氧化反应器之间的气体互混。

图1的详细说明

图1显示了根据本发明制成的增氧燃烧系统20的第一实施方案的 示意图。所述系统特别适合于更新常规燃烧反应器，所述常规燃烧反 应器利用空气作为燃料燃烧的氧气源。系统20包含三个主要反应器： 氧化反应器22、分解反应器24和燃料燃烧反应器26。

使用空气40作为氧气源的氧化反应器22将还原的金属氧化物吸 附剂氧化成氧化的金属氧化物吸附剂。将提取过氧气的空气流股28 和氧化的金属氧化物吸附剂传送至旋风分离器30中，在那里将氧化的 金属氧化物吸附剂和贫含氧气的空气流股32分离。将氧化的金属氧化 物吸附剂的供应流股34(图1中显示为MeO流股)传送至分解反应器 24中。流股34可还含有一些在氧化反应器22中未经历完全氧化的还 原形式的金属氧化物吸附剂。作为实例且是非限制性地，氧化的金属 氧化物吸附剂可包括负载在基质如氧化铝、氧化硅、氧化铝氧化硅、 氧化钛和氧化锆上的CuO、Mn₂O₃、Co₃O₄或其组合或其它合适的携 氧材料中的一种或多种。氧化的金属氧化物吸附剂必须具有在适当条 件如表1中所列出的条件下在分解反应器24中释放氧气的能力。

分解反应器24使得在流体供应流股24中供应的氧化的金属氧化 物吸附剂被分解或还原成氧气和还原的金属氧化物吸附剂。在返回流 股36中将还原的金属氧化物吸附剂(图1中显示为Me)返回至氧化反 应器22。所述流股36可还含有一些在分解反应器24中未经历完全还 原的氧化形式的金属氧化物吸附剂。在供应至氧化反应器22的空气 40的存在下在氧化反应器22中将还原的金属氧化物吸附剂氧化回氧 化的金属氧化物吸附剂。由此金属氧化物吸附剂在氧化反应器22和分 解24之间来回循环以将氧气从空气中分离并然后将氧气传递至分解 反应器24中。

将第二烟道气部分42和分解燃料44在分解反应器24中燃烧。如 果需要，在进入分解反应器24之前，通过冷却和冷凝将第二烟道气部 分42中的水蒸气除去。两个反应器22、24的运行温度取决于可逆反 应如上面以方程式(1)~(3)给出的反应的热力学且对于大部分金属氧化 物吸附剂通常为约600~1100℃。源自燃烧反应器26的第二烟道气部 分42可含有少量氧气，从而分解燃料44能够在分解反应器24中燃烧 以供应进行分解反应所需要的热量。从氧化的金属氧化物吸附剂中释 放的氧气部分用于分解燃料44的燃烧并部分用于富集在第二烟道气 部分42中以产生次级烟道气流股，其包括主要包含二氧化碳、水蒸气 和氧气的富集氧气的二氧化碳流股46。

将初始燃料50和富集氧气的二氧化碳流股46导入初始燃料50在 其中燃烧的燃烧反应器26中。例如燃料50可以为天然气或甲烷。如 果将化学计量过量的氧气供应至燃烧反应器26中，则初级烟道气流股 52包含水蒸气、二氧化碳、氧气和其它痕量气体。贫含氧气的二氧化 碳流股52包含约40~60%的二氧化碳、40~60%的水蒸气且剩余物由 氧气和其它痕量气体构成。使用分流器54将流股52分成第一烟道气 部分56和第二烟道气部分42，所述第二烟道气部分42用于向分解反 应器24提供热流体流股。再次，如果需要，能从流股42中除去水以 产生干燥流股。

如果向燃烧反应器26中供应化学计量不足的氧气，则初级烟道气 52将包括合成气而不是过量的氧气。在此情况下，能够将合成气用作 分解燃料44等以补充导入分解反应器24的单独的分解燃料44。

将第一烟道气部分56传送至冷凝器60中，在那里将水62从第一 烟道气部分56中冷凝出来。然后，使用标准气体分离设备72和用于 将二氧化碳与其它气体分离的方法将剩余的二氧化碳和氧气流体流股 64分离成主要为二氧化碳流股66和含有氧气和其它气体的流股70。 作为实例且是非限制性地，这种设备能够包括气体分离领域中的技术 人员所熟知的冷冻、膜和吸收介质。理想地，二氧化碳流股66的纯度 为至少95%以上并能够在地质学上进行封存或进行其它利用。尽管未 在图1中示出，但是可将含有氧气和其它痕量气体的一部分流股70 传送至分解反应器24中以作为氧化剂。

将第二烟道气部分42返回至分解反应器24以再次富集氧气。应 注意，系统20保持金属氧化物吸附剂与在燃烧反应器中燃烧的初始燃 料是分开的。这对于更新应用特别有利，其中其易于将含氧气体传送 至燃烧反应器而不是固体金属氧化物吸附剂。

图2显示了增氧燃烧系统120的第二实施方案，其中在分解反应 器124中将源自第一和第二烟道气部分两者中的合成气燃烧。与图1 的第一实施方案中所述的类似和相应的元件用实施方案1中的参考数 字加100来表示。在该第二实施方案中，燃烧反应器126可在氧气不 足模式下运行，由此防止初始燃料150的完全燃烧。即，在富集氧气 的二氧化碳流股146中氧气的量不足以完全燃烧初始燃料150。由此， 初级烟道气152除了二氧化碳和水蒸气之外还含有一氧化碳和氢气。 因此，能够将第二烟道气部分142用作分解反应器124中的分解燃料 的一部分。第一烟道气部分156还具有使用水冷凝器160来除去的水 162。使用常规气体分离设备172能够将剩余气体164分离成含有高纯 度二氧化碳的流股166和合成气与其它气体的流股170，所述合成气 即一氧化碳和氢气。然后，将合成气流股170导至分解反应器124以 用作分解燃料的一部分。可将流股170的一部分排放至大气中以避免 惰性气体在系统中的累积(图2中未示出)。

尽管在上述说明书中已经根据其特定优选实施方案对本发明进行 了描述并出于示例性目的而提出了许多细节，但是本领域技术人员应 理解，本发明容许改变且本文中所述的特定其它细节能够在不背离本 发明基本原理的条件下发生显著变化。