Химическое петлевое горение - Chemical looping combustion

Рис. 1. Схема реакторной системы ХЖК.
Рис. 2. (Слева) Конструкция с двойным псевдоожиженным слоем, пилотная установка для сжигания с химическим контуром в Дармштадте и (справа) конструкция с взаимосвязанным движущимся слоем с псевдоожиженным слоем, экспериментальная установка с прямым химическим контуром для угля в Университете штата Огайо.

Горение с химическим контуром ( CLC ) - это технологический процесс, в котором обычно используется система с двойным псевдоожиженным слоем . CLC, работающий с взаимосвязанным движущимся слоем с системой псевдоожиженного слоя, также использовался в качестве технологического процесса. В CLC оксид металла используется в качестве материала слоя, обеспечивающего кислород для горения в топливном реакторе . Восстановленный металл затем переносится во второй слой ( воздушный реактор ) и повторно окисляется перед повторным вводом обратно в топливный реактор, завершающий цикл. На рис. 1 представлена ​​упрощенная схема процесса CLC. На фиг. 2 показан пример системы циркулирующего реактора с двойным псевдоожиженным слоем и системы циркулирующего реактора с псевдоожиженным слоем.

Изоляция топлива от воздуха упрощает количество химических реакций при сгорании . Использование кислорода без азота и следовых газов, содержащихся в воздухе, устраняет основной источник образования оксида азота ( NO
Икс ), образует дымовой газ, состоящий в основном из диоксида углерода и водяного пара ; Остальные следы загрязняющих веществ зависят от выбранного топлива .

Описание

Химическое петлевое горение (CLC) использует две или более реакций для окисления углеводородного топлива. В своей простейшей форме частицы, несущие кислород (обычно металл), сначала окисляются на воздухе, образуя оксид. Затем этот оксид восстанавливают с использованием углеводорода в качестве восстановителя во второй реакции. Например, система на основе железа, сжигающая чистый углерод, будет включать две окислительно-восстановительные реакции:

C (s) + Fe
2О
3(s) → Fe
3О
4(s) + CO
2(грамм)

 

 

 

 

( 1 )
Fe
3О
4(т) + O 2 (г) → Fe
2О
3(s)

 

 

 

 

( 2 )

Если ( 1 ) и ( 2 ) сложить вместе, реакционный набор сводится к прямому окислению углерода, то есть:

C (s) + O
2(г) → CO
2(грамм)

 

 

 

 

( 3 )

CLC был впервые изучен как способ производства CO
2из ископаемого топлива с использованием двух взаимосвязанных псевдоожиженных слоев. Позже она была предложена как система повышения КПД электростанции. Повышение эффективности возможно за счет повышенной обратимости двух окислительно-восстановительных реакций; при традиционном одноступенчатом сгорании высвобождение энергии топлива происходит необратимым образом, значительно отклоняясь от равновесия. В CLC, если выбран соответствующий переносчик кислорода, обе окислительно-восстановительные реакции могут протекать почти обратимо и при относительно низких температурах. Теоретически это позволяет электростанции, использующей CLC, приближаться к идеальной выходной мощности для двигателя внутреннего сгорания, не подвергая компоненты воздействию чрезмерных рабочих температур.

Термодинамика

Рис 3. Диаграмма Сэнки потоков энергии в обратимой системе ХЖК.

На рис. 3 графически показан обмен энергией в системе CLC и показана диаграмма Сэнки потоков энергии, возникающих в двигателе на основе обратимого CLC. Изучая рис. 1, тепловой двигатель устроен так, чтобы получать тепло при высоких температурах от экзотермической реакции окисления. После преобразования части этой энергии в работу тепловая машина отклоняет оставшуюся энергию в виде тепла. Почти весь этот отвод тепла может быть поглощен эндотермической реакцией восстановления, протекающей в восстановителе. Такое расположение требует, чтобы окислительно-восстановительные реакции были экзотермическими и эндотермическими соответственно, но это обычно так для большинства металлов. Для выполнения второго закона требуется дополнительный теплообмен с окружающей средой ; теоретически для обратимого процесса теплообмен связан с изменением энтропии в стандартном состоянии ΔS o первичной реакции окисления углеводородов следующим образом:

Q o = T o ΔS o

Однако для большинства углеводородов ΔS o является небольшим значением, и в результате теоретически возможен двигатель с высоким общим КПД.

CO 2 захвата

Несмотря на то, что это было предложено как средство повышения эффективности, в последние годы проявился интерес к CLC как к способу улавливания углерода . Улавливание углерода облегчается с помощью CLC, поскольку две окислительно-восстановительные реакции генерируют два внутренне разделенных потока дымовых газов: поток из воздушного реактора, состоящий из атмосферного азота.
2и остаточный O
2, но без CO
2; и поток из топливного реактора, содержащий преимущественно CO
2и H
2O с очень небольшим количеством разбавляющего азота. Дымовой газ воздушного реактора может быть выпущен в атмосферу с минимальным выбросом CO.
2загрязнение. Выходящий из редуктора газ содержит почти весь CO.
2генерируемый системой и CLC, поэтому можно сказать, что он демонстрирует «естественный улавливание углерода», поскольку водяной пар может быть легко удален из второго дымового газа посредством конденсации, что приводит к потоку почти чистого CO.
2. Это дает CLC явные преимущества по сравнению с конкурирующими технологиями улавливания углерода, поскольку последние обычно связаны со значительными потерями энергии, связанными либо с системами очистки после сжигания, либо с затратами труда, необходимыми для установок разделения воздуха. Это привело к тому, что CLC был предложен в качестве энергоэффективной технологии улавливания углерода, способной улавливать почти весь CO 2 , например, из установки прямого химического цикла угля (CDCL). Непрерывные 200-часовые показательные результаты 25 кВт й CDCL суба-пилотная установка показали почти 100% конверсию угля до CO 2 , без углерода уноса в реактор воздуха.

Развитие технологий

Первая операция химико-петлевого сжигания на газообразном топливе была продемонстрирована в 2003 году, а затем на твердом топливе в 2006 году. Общий опыт эксплуатации на 34 пилотах мощностью от 0,3 до 3 МВт составляет более 9000 часов. Материалы-носители кислорода, используемые в работе, включают монометаллические оксиды никеля, меди, марганца и железа, а также различные комбинированные оксиды, включая оксиды марганца, связанные с кальцием, железом и кремнеземом. Также используются природные руды, особенно для твердого топлива, включая железные руды, марганцевые руды и ильменит.

Стоимость и штраф за энергию

Детальная оценка технологии химико-цикл сжигания твердого топлива, т.е. угля, на 1000 МВт - я электростанции показывает , что дополнительные расходы реакторных CLC по сравнению с нормальным котлом с циркулирующим псевдоожиженным слоем , являются небольшими, из-за сходство этих технологий. Вместо этого основными затратами являются сжатие CO 2 , необходимое во всех технологиях улавливания CO 2 , и производство кислорода. Производство молекулярного кислорода также может быть необходимо в определенной конфигурации CLC для очистки газообразного продукта из топливного реактора. В целом добавленные затраты были оценены в 20 евро за тонну CO 2, тогда как штраф за электроэнергию составил 4%.

Варианты и сопутствующие технологии

Вариантом CLC является химико-петлевое горение с разъединением кислорода (CLOU), при котором используется переносчик кислорода, который выделяет кислород в газовой фазе в топливном реакторе, например CuO / Cu.
2О. Это полезно для достижения высокой конверсии газа, особенно при использовании твердого топлива, когда можно избежать медленной паровой газификации полукокса. Работа CLOU на твердом топливе показывает высокую производительность

Химический цикл может также использоваться для производства водорода в процессах химического реформинга (CLR). В одной конфигурации процесса CLR водород получают из угля и / или природного газа с использованием топливного реактора с подвижным слоем, объединенного с паровым реактором и воздушным реактором с псевдоожиженным слоем. Эта конфигурация CLR может производить H 2 с чистотой более 99% без необходимости отделения CO 2 .

Исчерпывающие обзоры этой области даны в недавних обзорах химических петлевых технологий.

Таким образом, CLC может обеспечить как повышение эффективности электростанции, так и улавливание углерода с низкими потерями энергии. Проблемы с CLC включают работу с двойным псевдоожиженным слоем (поддержание псевдоожижения носителя, избегая при этом раздавливания и истирания) и поддержание стабильности носителя в течение многих циклов.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки