stringtranslate.com

Химическое циклическое горение

Рис. 1. Схема системы реактора CLC
Рис. 2. (Слева) Конструкция с двойным псевдоожиженным слоем, экспериментальная установка химического сжигания в Дармштадте [1] и (справа) конструкция с взаимосвязанными подвижным слоем и псевдоожиженным слоем, экспериментальная установка прямого химического сжигания угля в Университете штата Огайо [2]

Химическое петлевое сжигание ( CLC ) — это технологический процесс, обычно использующий двойную систему псевдоожиженного слоя . CLC, работающий с взаимосвязанным подвижным слоем с системой псевдоожиженного слоя, также использовался в качестве технологического процесса. В CLC оксид металла используется в качестве материала слоя, обеспечивающего кислород для сгорания в топливном реакторе . Затем восстановленный металл переносится во второй слой ( воздушный реактор ) и повторно окисляется перед повторным введением обратно в топливный реактор, завершая цикл. На рис. 1 показана упрощенная схема процесса CLC. На рис. 2 показан пример двойной циркуляционной реакторной системы с псевдоожиженным слоем и циркуляционной реакторной системы с подвижным слоем и псевдоожиженным слоем.

Изоляция топлива от воздуха упрощает ряд химических реакций при сгорании . Использование кислорода без азота и следовых газов, содержащихся в воздухе, устраняет основной источник образования оксида азота ( NOx ), производит дымовой газ, состоящий в основном из углекислого газа и водяного пара ; другие следовые загрязнители зависят от выбранного топлива .

Описание

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

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

CLC впервые был изучен как способ получения CO 2 из ископаемого топлива с использованием двух взаимосвязанных псевдоожиженных слоев. [3] Позднее он был предложен как система для повышения эффективности электростанции. [4] Повышение эффективности возможно благодаря повышенной обратимости двух окислительно-восстановительных реакций; при традиционном одноступенчатом сгорании высвобождение энергии топлива происходит крайне необратимым образом - значительно отклоняясь от равновесия. В CLC, если выбран подходящий переносчик кислорода, обе окислительно-восстановительные реакции могут происходить почти обратимо и при относительно низких температурах. Теоретически это позволяет электростанции, использующей CLC, приблизиться к идеальной рабочей мощности для двигателя внутреннего сгорания, не подвергая компоненты воздействию чрезмерных рабочих температур.

Термодинамика

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

Рис. 3 графически иллюстрирует энергетический обмен в системе CLC и показывает диаграмму Сэнки потоков энергии, происходящих в обратимом двигателе на основе 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 тепловой двигатель отбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла. Почти весь этот отброс тепла может быть поглощен эндотермической реакцией восстановления, происходящей в редукторе. Такая компоновка требует, чтобы окислительно-восстановительные реакции были экзотермическими и эндотермическими соответственно, но это обычно имеет место для большинства металлов. [5] Для удовлетворения второго закона требуется некоторый дополнительный теплообмен с окружающей средой ; теоретически для обратимого процесса теплообмен связан со стандартным изменением энтропии состояния, ΔS o , первичной реакции окисления углеводородов следующим образом:

Q o = T o ΔS o

Однако для большинства углеводородов ΔS o является небольшой величиной, и, как следствие, теоретически возможен двигатель с высокой общей эффективностью. [6]

СО2захватывать

Хотя CLC предлагается как средство повышения эффективности, в последние годы интерес к нему проявляется как к технологии улавливания углерода . [7] [8] 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 N
2и остаточный O
2, но в значительной степени свободный от CO 2 ; и поток из топливного реактора, содержащий преимущественно CO 2 и H
2O с очень небольшим количеством разбавленного азота. Дымовой газ воздушного реактора может быть выброшен в атмосферу, вызывая минимальное загрязнение CO 2 . Выходной газ редуктора содержит почти весь CO 2 , вырабатываемый системой, и поэтому можно сказать, что CLC демонстрирует «собственное улавливание углерода», поскольку водяной пар может быть легко удален из второго дымового газа путем конденсации, что приводит к потоку почти чистого CO 2 . Это дает CLC явные преимущества по сравнению с конкурирующими технологиями улавливания углерода, поскольку последние обычно подразумевают значительные энергетические потери, связанные либо с системами очистки после сжигания, либо с работой, необходимой для установок разделения воздуха. Это привело к тому, что CLC была предложена в качестве энергоэффективной технологии улавливания углерода, [9] [10] способной улавливать почти весь CO 2 , например, из установки прямого химического цикла угля (CDCL). [11] [12] Результаты непрерывной 200-часовой демонстрации работы субпилотного блока CDCL мощностью 25 кВт· ч показали почти 100%-ную конверсию угля в CO2 без переноса углерода в воздушный реактор. [13] [14]

Развитие технологий

Первая работа химического петлевого сжигания с газообразным топливом была продемонстрирована в 2003 году, [15] а затем с твердым топливом в 2006 году. [16] Общий опыт эксплуатации 34 пилотных установок мощностью от 0,3 до 3 МВт составляет более 9000 часов. [17] [18] [19] Материалы-носители кислорода, используемые в работе, включают монометаллические оксиды никеля, меди, марганца и железа, а также различные комбинированные оксиды, включая оксиды марганца в сочетании с кальцием, железом и кремнием. Также использовались природные руды, особенно для твердого топлива, включая железные руды, марганцевые руды и ильменит.

Стоимость и штраф за электроэнергию

Подробная технологическая оценка химического петлевого сжигания твердого топлива, т. е. угля, для электростанции мощностью 1000 МВт показывает , что дополнительные затраты на реактор CLC по сравнению с обычным котлом с циркулирующим кипящим слоем невелики из-за сходства технологий. Основные затраты приходятся на сжатие CO2 , необходимое во всех технологиях улавливания CO2 , и производство кислорода. Производство молекулярного кислорода может также потребоваться в определенной конфигурации CLC для очистки газового продукта из топливного реактора. В целом дополнительные затраты оцениваются в 20 €/тонну CO2, тогда как энергетический штраф составляет 4%. [20]

Варианты и связанные с ними технологии

Вариантом CLC является химическое петлевое сжигание с выделением кислорода (CLOU), где используется кислородный носитель, который выделяет газообразный кислород в топливном реакторе, например, CuO/ Cu
2O. [21] Это полезно для достижения высокой конверсии газа, и особенно при использовании твердого топлива, где можно избежать медленной паровой газификации угля. Работа CLOU с твердым топливом показывает высокую производительность [22] [23]

Химический цикл также может использоваться для производства водорода в процессах химического циклического риформинга (CLR). [24] [25] В одной конфигурации процесса CLR водород производится из угля и/или природного газа с использованием реактора с движущимся слоем топлива, интегрированного с паровым реактором и воздушным реактором с псевдоожиженным слоем. Эта конфигурация CLR может производить H2 чистотой более 99% без необходимости отделения CO2 . [ 19] [26]

Подробный обзор этой области представлен в недавних обзорах по технологиям химической петли. [7] [27] [28]

Подводя итог, можно сказать, что CLC может обеспечить как повышение эффективности электростанции, так и низкий энергетический штраф за улавливание углерода. Проблемы с CLC включают работу двойного псевдоожиженного слоя (поддержание псевдоожижения носителя при избежании дробления и истирания [29] ), а также поддержание стабильности носителя в течение многих циклов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ströhle, Jochen; Orth, Matthias; Epple, Bernd (январь 2014 г.). «Проектирование и эксплуатация химической петлевой установки мощностью 1 МВт». Applied Energy . 113 : 1490–1495. doi :10.1016/j.apenergy.2013.09.008. ISSN  0306-2619.
  2. ^ Лян-Ши, Фань. Химическое петлевое частичное окисление: газификация, риформинг и химический синтез . Кембридж. ISBN 9781108157841. OCLC  1011516037.
  3. ^ Льюис, У., Джиллиланд, Э. и Суини, М. (1951). «Газификация углерода». Chemical Engineering Progress . 47 : 251–256.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Рихтер, Х. Дж.; Кнохе, К. Ф. (1983). «Обратимость процессов горения, в книге «Эффективность и себестоимость – Анализ процессов по второму закону». Серия симпозиумов ACS (235): 71–85. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Jerndal, E., Mattisson, T. и Lyngfelt, A. (2006). «Термический анализ химического петлевого горения». Chemical Engineering Research and Design . 84 (9): 795–806. doi :10.1205/cherd05020.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ McGlashan, NR (2008). «Химическое петлевое горение – термодинамическое исследование». Proc. Inst. Mech. Eng. C. 222 ( 6): 1005–1019. CiteSeerX 10.1.1.482.5166 . doi :10.1243/09544062JMES790. S2CID  14865943. 
  7. ^ ab Liang-Shih., Fan (2010). Химические системы циклов для преобразования ископаемой энергии . Hoboken, NJ: Wiley-AIChE. ISBN 9780470872888. OCLC  663464865.
  8. ^ Фань, Лян-Ши; Цзэн, Лян; Ван, Уильям; Ло, Сивэй (2012). «Химические процессы зацикливания для улавливания CO2 и преобразования углеродистого топлива – перспективы и возможности». Энергетика и наука об окружающей среде . 5 (6): 7254. doi :10.1039/c2ee03198a. ISSN  1754-5692.
  9. ^ Ишида, М.; Джин, Х. (1997). «Восстановление CO2 на электростанции с химическим циклическим сжиганием». Energy Conv. MGMT . 38 : S187–S192. doi :10.1016/S0196-8904(96)00267-1.
  10. ^ Brandvoll, Ø.; Bolland, O. (2004). «Улавливание внутреннего CO2 с использованием химического петлевого сгорания в энергетическом цикле на природном газе». Журнал инженерного дела по газовым турбинам и энергетике . 126 (2): 316–321. doi :10.1115/1.1615251.
  11. ^ Гордер, Пэм (5 февраля 2013 г.). «Новая угольная технология использует энергию без сжигания, приближается к пилотной разработке». researchnews.osu.edu . Архивировано из оригинала 21 декабря 2016 г. Получено 2016-11-04 .
  12. ^ Bayham, Samuel; McGiveron, Omar; Tong, Andrew; Chung, Elena; Kathe, Mandar; Wang, Dawei; Zeng, Liang; Fan, Liang-Shih (май 2015 г.). «Параметрические и динамические исследования 25-кВт-ной угольной установки прямого химического цикла на основе железа с использованием полубитуминозного угля». Applied Energy . 145 : 354–363. doi : 10.1016/j.apenergy.2015.02.026 . ISSN  0306-2619.
  13. ^ Bayham, Samuel C.; Kim, Hyung R.; Wang, Dawei; Tong, Andrew; Zeng, Liang; McGiveron, Omar; Kathe, Mandar V.; Chung, Elena; Wang, William (2013-03-08). "Процесс прямого химического сжигания угля на основе железа: непрерывная работа 200-часового субпилотного блока мощностью 25 кВт". Energy & Fuels . 27 (3): 1347–1356. doi :10.1021/ef400010s. ISSN  0887-0624.
  14. ^ Чанг, Ченг; Поттимурти, Ясвант; Сюй, Минъюань; Се, Тянь-Лин; Сюй, Дикай; Чжан, Итао; Чен, Ю-Йен; Он, Пэнфэй; Пикартс, Маршалл (декабрь 2017 г.). «Судьба серы в системах химического цикла с прямым использованием угля». Прикладная энергетика . 208 : 678–690. doi :10.1016/j.apenergy.2017.09.079. ISSN  0306-2619.
  15. ^ Лингфельт, А. (2004). «Новая технология сжигания». Проблемы парниковых газов . 73 : 2–3.
  16. ^ Lyngfelt, A. (2007). «Химическое циклическое сжигание твердых видов топлива». Greenhouse Gas Issues . 85 : 9–10.
  17. ^ Lyngfelt, A. (2011). «Кислородоносители для химического петлевого горения — 4000 часов опыта эксплуатации». Oil & Gas Science and Technology . 66 (2): 161–172. doi : 10.2516/ogst/2010038 .
  18. ^ Lyngfelt, A; Linderholm, C. «Химическое циклическое сжигание твердого топлива – состояние и недавний прогресс». 13-я Международная конференция по технологиям контроля парниковых газов, GHGT-13, 14–18 ноября 2016 г., Лозанна, Швейцария .
  19. ^ ab Tong, Andrew; Bayham, Samuel; Kathe, Mandar V.; Zeng, Liang; Luo, Siwei; Fan, Liang-Shih (январь 2014 г.). «Разработка процесса химической переработки синтез-газа на основе железа и процесса прямой переработки угля в химическом цикле в Университете штата Огайо». Applied Energy . 113 : 1836–1845. doi : 10.1016/j.apenergy.2013.05.024. ISSN  0306-2619.
  20. ^ Лингфельт, Андерс; Лекнер, Бо (2015-11-01). «Котел мощностью 1000 МВт для химического сжигания твердого топлива – обсуждение конструкции и затрат». Applied Energy . 157 : 475–487. doi : 10.1016/j.apenergy.2015.04.057 .
  21. ^ Мэттиссон, Т., Лингфельт, А. и Лейон, Х. (2009). «Химическая петля с разъединением кислорода для сжигания твердого топлива». Международный журнал по контролю за парниковыми газами . 3 : 11–19. doi :10.1016/j.ijggc.2008.06.002.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Абад, А., Аданез-Рубио, И. Гаян, П. Гарсия-Лабиано, Ф. де Диего ЛФ и Аданез, Х. (2012). «Демонстрация процесса химической петли с разъединением кислорода (CLOU) в непрерывно работающем блоке мощностью 1,5 кВт с использованием носителя кислорода на основе меди». Международный журнал по контролю за выбросами парниковых газов . 6 : 189–200. doi : 10.1016/j.ijggc.2011.10.016. hdl : 10261/75134 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Чжоу, Чжицюань; Хань, Лу; Норднесс, Оскар; Боллас, Джордж М. (2015-05-01). «Непрерывный режим химического петлевого горения (CLC) и химического петлевого горения с кислородным разъединением (CLOU) реактивности переносчиков кислорода CuO». Applied Catalysis B: Environmental . 166–167: 132–144. doi :10.1016/j.apcatb.2014.10.067.
  24. ^ Райден, М.; Лингфельт, А. (2006). «Использование парового риформинга для производства водорода с улавливанием диоксида углерода путем химического петлевого сжигания». Журнал водородной энергетики . 31 (10): 1631–1641. doi :10.1016/j.ijhydene.2005.12.003.
  25. ^ Райден, М.; Лингфельт, А. и Мэттиссон, Т. (2006). «Генерация синтез-газа путем химического петлевого риформинга в непрерывно действующем лабораторном реакторе». Топливо . 85 (12–13): 1631–1641. doi :10.1016/j.fuel.2006.02.004.
  26. ^ Тонг, Эндрю; Шридхар, Дипак; Сан, Чжэньчао; Ким, Хёнг Р.; Цзэн, Лян; Ван, Фэй; Ван, Давэй; Кэте, Мандар В.; Ло, Сивэй (январь 2013 г.). «Непрерывное производство водорода высокой чистоты из химической петли синтез-газа 25 кВтч субпилотной установки со 100% улавливанием углерода». Топливо . 103 : 495–505. doi :10.1016/j.fuel.2012.06.088. ISSN  0016-2361.
  27. ^ Lyngfelt, A. и Mattisson, T. (2011) «Материалы для химического петлевого сжигания», в D. Stolten и V. Scherer, Эффективное улавливание углерода на угольных электростанциях, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.. KGaA, 475-504.
  28. ^ Аданез, Дж.; Абад, А. Гарсия-Лабиано; Ф. Гайан П. и де Диего, Л. (2012). «Прогресс в технологиях химического сжигания и риформинга»". Прогресс в области энергетики и науки о горении . 38 (2): 215–282. doi :10.1016/j.pecs.2011.09.001. hdl : 10261/78793 .
  29. ^ Ким, Дж. Й., Эллис, Н., Лим, К. Дж. и Грейс, Дж. Р. (2019). «Истирание бинарных смесей твердых веществ в установке струйного истирания». Powder Technology . 352 : 445–452. doi : 10.1016/j.powtec.2019.05.010. S2CID  164585879.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки