Кислородно-топливное горение — это процесс сжигания топлива с использованием чистого кислорода или смеси кислорода и рециркулируемого дымового газа вместо воздуха. Поскольку азотный компонент воздуха не нагревается, расход топлива снижается, и возможны более высокие температуры пламени. Исторически основным применением кислородно-топливного горения была сварка и резка металлов, особенно стали, поскольку кислородно-топливное горение позволяет достичь более высоких температур пламени, чем можно достичь с помощью воздушно-топливного пламени. [1] В последние десятилетия ему также уделялось много внимания как потенциальной технологии улавливания и хранения углерода . [2]
В настоящее время проводятся исследования по сжиганию на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, газовой смеси, обогащенной кислородом, вместо воздуха. Почти весь азот удаляется из входящего воздуха, что дает поток, который состоит примерно на 95% из кислорода. [3] Сжигание с использованием чистого кислорода приведет к слишком высокой температуре пламени, поэтому смесь разбавляется путем смешивания с рециркулированным дымовым газом или поэтапного сжигания . Рециркулированный дымовой газ также может использоваться для переноса топлива в котел и обеспечения адекватной конвективной теплопередачи во все области котла. Сжигание кислородного топлива производит примерно на 75% меньше дымового газа, чем сжигание с использованием воздуха, и производит выхлопные газы, состоящие в основном из CO2 и H2O ( см. рисунок).
Обоснованием использования кислородного топлива является получение дымового газа, богатого CO2, готового к секвестрации . Кислородно-топливное сжигание имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными установками, работающими на воздухе. Среди них:
С экономической точки зрения этот метод стоит дороже, чем традиционная установка, работающая на воздухе. Основной проблемой было отделение кислорода от воздуха. Этот процесс требует много энергии, около 15% производства угольной электростанции может быть использовано для этого процесса. Однако, новая технология, которая пока не является практичной, называемая химическим циклическим сжиганием [4], может быть использована для снижения этой стоимости. При химическом циклическом сжигании кислород, необходимый для сжигания угля, вырабатывается внутри за счет реакций окисления и восстановления, в отличие от использования более дорогих методов получения кислорода путем его отделения от воздуха. [5]
В настоящее время, при отсутствии необходимости в снижении выбросов CO2 , кислородное топливо не является конкурентоспособным. Однако кислородное топливо является жизнеспособной альтернативой удалению CO2 из дымового газа от обычной воздушной электростанции, работающей на ископаемом топливе . Однако кислородный концентратор может помочь, поскольку он просто удаляет азот.
В отраслях, не относящихся к производству электроэнергии, сжигание кислородного топлива может быть конкурентоспособным из-за более высокой доступности явного тепла. Сжигание кислородного топлива распространено в различных аспектах производства металла.
Стекольная промышленность переходит на кислородно-топливное топливо с начала 1990-х годов, поскольку стекловаренным печам требуется температура около 1500 градусов по Цельсию, что экономически невыгодно при адиабатических температурах пламени для сжигания топлива с воздухом, если только тепло не регенерируется между потоком дымовых газов и потоком входящего воздуха. Разработанные в середине 19 века регенераторы стекловаренных печей представляют собой большие и дорогие высокотемпературные кирпичные каналы, заполненные кирпичом, расположенным в шахматном порядке для улавливания тепла, когда дымовой газ выходит из печи. Когда дымовой канал полностью нагревается, поток воздуха меняется на противоположный, и дымовой канал становится воздухозаборником, отдавая свое тепло входящему воздуху и обеспечивая более высокие температуры печи, чем можно достичь только с использованием воздуха и топлива. Два набора регенеративных дымовых каналов позволяли менять поток воздуха через регулярные интервалы и, таким образом, поддерживать высокую температуру входящего воздуха. Позволяя строить новые печи без затрат на регенераторы, и особенно с дополнительным преимуществом снижения выбросов оксида азота , что позволяет стекольным заводам соблюдать ограничения по выбросам, кислородно-топливная технология экономически эффективна без необходимости сокращения выбросов CO 2. Кислородно-топливное сжигание также снижает выбросы CO 2 на месте расположения стекольного завода, хотя это может быть компенсировано производством CO 2 из-за выработки электроэнергии, которая необходима для производства кислорода для процесса горения.
Кислородно-топливное сжигание может быть также экономически эффективным при сжигании опасных отходов с низким значением BTU. Его часто комбинируют с поэтапным сжиганием для снижения содержания оксидов азота , поскольку чистый кислород может стабилизировать характеристики горения пламени.
Существуют пилотные установки, которые проходят первоначальные концептуальные испытания для оценки технологий с целью их масштабирования до уровня коммерческих установок, в том числе:
Одним из примеров кислородно-топливного сжигания является попытка завода White Rose в Северном Йоркшире, Великобритания. Планируемый проект представлял собой кислородно-топливную электростанцию в сочетании с разделением воздуха для улавливания двух миллионов тонн углекислого газа в год. Затем углекислый газ должен был доставляться по трубопроводу для секвестрации в соленом водоносном горизонте под Северным морем. [9] Однако в конце 2015 и начале 2016 года после прекращения финансирования Drax Group и правительством Великобритании строительство было остановлено. [10] Непредвиденная потеря финансирования по Программе коммерциализации CCS правительства Великобритании, а также сокращение субсидий на возобновляемые источники энергии оставили завод White Rose с недостаточными средствами для продолжения разработки. [9]
Одним из основных последствий сжигания ископаемого топлива для окружающей среды является выброс CO 2 , который способствует изменению климата . Поскольку сжигание кислородного топлива приводит к образованию дымового газа, который уже имеет высокую концентрацию CO 2 , это облегчает очистку и хранение CO 2 , а не его выброс в атмосферу. [2]
Многие виды ископаемого топлива, такие как уголь и горючий сланец , производят золу в результате сгорания. Эту золу также необходимо утилизировать, что может повлиять на окружающую среду. До сих пор исследования показывают, что в целом сжигание кислородного топлива не оказывает существенного влияния на состав производимой золы. Измерения показали схожие концентрации минералов и тяжелых металлов независимо от того, использовалась ли воздушная или кислородная среда. [11] [12] Однако одним заметным исключением является то, что кислородная зола часто имеет более низкие концентрации оксида кальция или гидроксида кальция (свободная известь). Свободная известь образуется, когда карбонатные минералы в топливе, таком как уголь и горючий сланец, разлагаются при высоких температурах, возникающих во время сгорания ( кальцинация ). Кальцинация является равновесной реакцией , и более высокое парциальное давление CO2 смещает равновесие в пользу CaCO3 и MgCO3 соответственно. Свободная известь является реакционноспособной и может потенциально влиять на окружающую среду, например, за счет увеличения щелочности золы . Поскольку кислородное горение происходит в атмосфере, богатой CO 2 , разложение уменьшается, а зола обычно содержит меньше свободной извести. [11] [12] Десульфуризация дымовых газов обычно применяется для повышения pH дымовых газов или их продуктов при реакции с атмосферной влагой ( кислотный дождь ). Помимо серы и ее оксидов, еще один потенциальный компонент кислотных дождей образуется из азотной и азотной закиси, взаимодействующих с водой - исключение азота из процесса горения полностью снижает этот фактор.