Chemické smyčkové spalování - Chemical looping combustion - Wikipedia

Obr. 1. Schéma systému reaktoru CLC
Obr. 2. (Vlevo) Duální konstrukce s fluidním ložem, pilotní závod na spalování chemických smyček v Darmstadtu[1] a (Vpravo) propojený design pohyblivého lože s fluidním ložem, pilotní závod Ohio State University Coal Direct Chemical Looping[2]

Chemické smyčkové spalování (CLC) je technologický proces obvykle využívající duální vodní postel Systém. CLC provozovaný se vzájemně propojeným pohyblivým ložem se systémem fluidního lože byl také použit jako technologický proces. V CLC se jako materiál lože používá oxid kovu poskytující kyslík pro spalování v palivový reaktor. Redukovaný kov se poté přenese do druhého lože (vzduchový reaktor ) a před opětovným zavedením zpět do palivového reaktoru dokončením smyčky se znovu oxiduje. Obr. 1 ukazuje zjednodušené schéma procesu CLC. Obr. 2 ukazuje příklad systému s cirkulujícím reaktorem s dvojitým fluidním ložem a systému s cirkulujícím reaktorem s fluidním ložem s pohyblivým ložem.

Izolace paliva od vzduch zjednodušuje počet chemické reakce v spalování. Zaměstnávání kyslík bez dusík a stopové plyny nacházející se ve vzduchu vylučují primární zdroj pro tvorbu oxid dusíku (NE
X), vyrábí a spalin složený převážně z oxid uhličitý a vodní pára; jiná stopa znečišťující látky závisí na palivo vybraný.

Popis

Chemické smyčkové spalování (CLC) používá k oxidaci paliv na bázi uhlovodíků dvě nebo více reakcí. Ve své nejjednodušší formě je kyslík nesoucí druh (obvykle kov) nejprve oxidován ve vzduchu za vzniku oxidu. Tento oxid se potom redukuje za použití uhlovodíku jako reduktoru ve druhé reakci. Jako příklad lze uvést žehlička Systém založený na spalování čistého uhlíku by zahrnoval tyto dva redox reakce:

C (s) + Fe
2Ó
3(s) → Fe
3Ó
4(s) + CO
2(G)

 

 

 

 

(1)

Fe
3Ó
4(s) + Ó2 (g) → Fe
2Ó
3(s)

 

 

 

 

(2)

Pokud (1) a (2) se sčítají, reakční sada se redukuje na přímou oxidaci uhlíku, tj .:

C (s) + Ó
2(g) → CO
2(G)

 

 

 

 

(3)

CLC byl nejprve studován jako způsob výroby CO
2 z fosilních paliv pomocí dvou vzájemně propojených fluidních ložísk.[3] Později byl navržen jako systém pro zvýšení účinnosti elektrárny.[4] Zvýšení účinnosti je možné díky zvýšené reverzibilitě dvou redoxních reakcí; u tradičního jednostupňového spalování dochází k uvolňování energie paliva velmi nevratně - značně se odchylující od rovnováhy. V CLC, pokud je zvolen vhodný nosič kyslíku, může dojít k tomu, že obě redoxní reakce probíhají téměř reverzibilně a při relativně nízkých teplotách. To teoreticky umožňuje elektrárně využívající CLC přiblížit se k ideálnímu pracovnímu výkonu spalovacího motoru, aniž by byly komponenty vystaveny nadměrným pracovním teplotám.

Termodynamika

Obr. 3. Sankeyův diagram energetických toků v reverzibilním systému CLC.

Obr. 3 graficky ilustruje energetické výměny v systému CLC a ukazuje a Sankey diagram energetických toků vyskytujících se v reverzibilním motoru na bázi CLC. Studium obr. 1, a tepelný motor je uspořádán pro příjem tepla při vysokých teplotách z exotermické oxidační reakce. Po přeměně části této energie na práci tepelný motor odmítne zbývající energii jako teplo. Téměř všechno toto odmítnutí tepla může být absorbováno endotermický redukční reakce probíhající v reduktoru. Toto uspořádání vyžaduje, aby redoxní reakce byly exotermické a endotermické, ale to je obvykle případ většiny kovů.[5] Ke splnění požadavků je zapotřebí další výměna tepla s okolním prostředím druhý zákon; teoreticky pro reverzibilní proces souvisí výměna tepla se standardní změnou entropie stavu, ΔSÓnásledující reakce oxidace primárních uhlovodíků:

QÓ = TÓΔSÓ

U většiny uhlovodíků však ΔSÓ je malá hodnota a ve výsledku je teoreticky možný motor s vysokou celkovou účinností.[6]

CO2 zajmout

Ačkoli byl navržen jako prostředek ke zvýšení efektivity, v posledních letech se projevil zájem o CLC jako o zachycování uhlíku technika.[7][8] Zachytávání uhlíku usnadňuje CLC, protože obě redoxní reakce generují dva skutečně oddělené proudy spalin: proud ze vzduchového reaktoru, který se skládá z atmosférických N
2 a zbytkové Ó
2, ale rozumně bez CO
2; a proud z palivového reaktoru převážně obsahující CO
2 a H
2Ó s velmi malým množstvím dusíkatého ředidla. Spaliny ze vzduchového reaktoru mohou být vypouštěny do atmosféry a způsobovat minimum CO
2 znečištění. Výstupní plyn reduktoru obsahuje téměř všechny CO
2 generované systémem a CLC, lze tedy říci, že vykazují „inherentní zachycování uhlíku“, protože vodní pára může být snadno odstraněna z druhého kouřového plynu kondenzací, což vede k proudu téměř čistého CO
2. To dává CLC jasné výhody ve srovnání s konkurenčními technologiemi pro zachycování uhlíku, protože ty obecně zahrnují značnou energetickou pokutu spojenou buď se systémy čištění po spalování nebo s pracovním vstupem vyžadovaným pro zařízení na oddělování vzduchu. To vedlo k tomu, že CLC byl navržen jako energeticky účinná technologie zachycování uhlíku,[9][10] schopný zachytit téměř veškerý CO2například z továrny Coal Direct Chemical Looping (CDCL).[11][12] Výsledky nepřetržitého 200hodinového předvádění s výkonem 25 kWth Subpilotní jednotka CDCL indikovala téměř 100% konverzi uhlí na CO2 bez přenosu uhlíku do vzduchového reaktoru.[13][14]

Vývoj technologií

První provoz chemického smyčkového spalování s plynnými palivy byl prokázán v roce 2003,[15] a později v roce 2006 tuhá paliva.[16] Celková provozní zkušenost u 34 pilotů o výkonu 0,3 až 3 MW je více než 9000 h.[17][18][19] Materiály nosiče kyslíku používané při provozu zahrnují monokovové oxidy niklu, mědi, manganu a železa, stejně jako různé kombinované oxidy včetně oxidů manganu ve spojení s vápníkem, železem a oxidem křemičitým. Používají se také přírodní rudy, zejména pro tuhá paliva, včetně železných rud, manganových rud a ilmenitu.

Náklady a náklady na energii

Podrobné vyhodnocení technologie chemického smyčkového spalování tuhého paliva, tj. Uhlí, pro 1000 MWth elektrárna ukazuje, že přidané náklady reaktoru CLC ve srovnání s běžným cirkulujícím fluidním kotlem jsou malé kvůli podobnostem technologií. Hlavní náklady jsou místo toho CO2 komprese, potřebná ve všech CO2 technologie zachycování a produkce kyslíku. Molekulární produkce kyslíku může být také potřebná v určité konfiguraci CLC pro leštění produktového plynu z palivového reaktoru. Ve všech přidaných nákladech se odhadovalo na 20 EUR / t CO2 zatímco energetický trest činil 4%.[20]

Varianty a související technologie

Varianta CLC je Chemické smyčkové spalování s odpojením kyslíku (CLOU), kde se používá nosič kyslíku, který uvolňuje kyslík v plynné fázi v palivovém reaktoru, např. CuO /Cu
2Ó.[21] To je užitečné pro dosažení vysoké konverze plynu, zejména při použití tuhých paliv, kde lze zabránit pomalému zplyňování páry. Provoz CLOU s pevnými palivy vykazuje vysoký výkon[22][23]

Chemickou smyčku lze také použít k výrobě vodíku v Reforma chemické smyčky (CLR) procesy.[24][25] V jedné konfiguraci procesu CLR se vodík vyrábí z uhlí a / nebo zemního plynu pomocí palivového reaktoru s pohyblivým ložem integrovaného do parního reaktoru a vzduchového reaktoru s fluidním ložem. Tato konfigurace CLR může produkovat více než 99% čistotu H.2 bez potřeby CO2 oddělení.[19][26]

Komplexní přehledy oboru jsou uvedeny v nedávných recenzích o chemických smyčkových technologiích.[7][27][28]

Stručně řečeno, CLC může dosáhnout zvýšení účinnosti elektrárny současně s nízkou spotřebou uhlíku. Mezi výzvy CLC patří provozování duálního fluidního lože (udržování fluidizace nosiče a zabránění rozdrcení a opotřebení[29]) a udržení stability nosiče po mnoho cyklů.

Viz také

Reference

  1. ^ Ströhle, Jochen; Orth, Matthias; Epple, Bernd (leden 2014). "Návrh a provoz 1MWth chemického smyčkovacího závodu". Aplikovaná energie. 113: 1490–1495. doi:10.1016 / j.apenergy.2013.09.008. ISSN  0306-2619.
  2. ^ Liang-Shih, fanoušek. Chemická smyčková parciální oxidace: zplyňování, reformování a chemické syntézy. Cambridge. ISBN  9781108157841. OCLC  1011516037.
  3. ^ Lewis, W., Gilliland, E. a Sweeney, M. (1951). "Zplyňování uhlíku". Pokrok chemického inženýrství. 47: 251–256.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  4. ^ Richter, H.J .; Knoche, K.F. (1983). „Reverzibilita spalovacích procesů v Efektivnosti a nákladech - Analýza druhého zákona procesů“. Série sympozia ACS (235): 71–85. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  5. ^ Jerndal, E., Mattisson, T. a Lyngfelt, A. (2006). "Termická analýza chemického smyčkového spalování". Výzkum a design chemického inženýrství. 84 (9): 795–806. doi:10.1205 / cherd05020.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  6. ^ McGlashan, N.R. (2008). "Chemické smyčkové spalování - termodynamická studie". Proc. Inst. Mech. Eng. C. 222 (6): 1005–1019. CiteSeerX  10.1.1.482.5166. doi:10.1243 / 09544062JMES790. S2CID  14865943.
  7. ^ A b Liang-Shih., Fan (2010). Chemické smyčkové systémy pro přeměnu fosilní energie. Hoboken, NJ: Wiley-AIChE. ISBN  9780470872888. OCLC  663464865.
  8. ^ Fanoušek, Liang-Shih; Zeng, Liang; Wang, William; Luo, Siwei (2012). "Chemické smyčkové procesy pro zachycování CO2 a přeměnu uhlíkatého paliva - vyhlídky a příležitosti". Energetika a věda o životním prostředí. 5 (6): 7254. doi:10.1039 / c2ee03198a. ISSN  1754-5692.
  9. ^ Ishida, M .; Jin, H. (1997). "CO
    2     Obnova v elektrárně s chemickým smyčkovým spalováním “. Energetická konv. MGMT. 38: S187 – S192. doi:10.1016 / S0196-8904 (96) 00267-1.
  10. ^ Brandvoll, Ø .; Bolland, O. (2004). "Vlastní CO
    2     zachycování pomocí chemického smyčkového spalování v cyklu na zemní plyn ". Trans. JAKO JÁ. 126 (2): 316–321. doi:10.1115/1.1615251.
  11. ^ Gorder, Pam (5. února 2013). „Nová uhelná technologie využívá energii bez spalování, vyžaduje vývoj v pilotním měřítku“. researchnews.osu.edu. Archivovány od originál 21. prosince 2016. Citováno 2016-11-04.
  12. ^ Bayham, Samuel; McGiveron, Omar; Tong, Andrew; Chung, Elena; Kathe, Mandar; Wang, Dawei; Zeng, Liang; Fan, Liang-Shih (květen 2015). „Parametrické a dynamické studie přímé chemické smyčkovací jednotky na bázi železa o výkonu 25 kW s využitím subbitumního uhlí“. Aplikovaná energie. 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 (03.03.2013). „Proces spalování přímého chemického smyčkování uhlí na bázi železa: 200 h nepřetržitý provoz subpilotní jednotky s výkonem 25 kW“. Energie a paliva. 27 (3): 1347–1356. doi:10.1021 / ef400010s. ISSN  0887-0624.
  14. ^ Chung, Cheng; Pottimurthy, Yaswanth; Xu, Mingyuan; Hsieh, Tien-Lin; Xu, Dikai; Zhang, Yitao; Chen, Yu-Yen; On, Pengfei; Pickarts, Marshall (prosinec 2017). "Osud síry v systémech chemické smyčky s přímým uhlím". Aplikovaná energie. 208: 678–690. doi:10.1016 / j.apenergy.2017.09.079. ISSN  0306-2619.
  15. ^ Lyngfelt, A. (2004). „Nová spalovací technologie“. Problémy se skleníkovým plynem. Č. 73: 2–3.
  16. ^ Lyngfelt, A. (2007). „Chemické smyčkové spalování tuhých paliv“. Problémy se skleníkovým plynem. Č. 85: 9–10.
  17. ^ Lyngfelt, A. (2011). „Nosiče kyslíku pro chemické smyčkové spalování - 4000 h provozních zkušeností“. Věda a technologie v oblasti ropy a zemního plynu. 66:2 (2): 161–172. doi:10,2516 / ogst / 2010038.
  18. ^ Lyngfelt, A; Linderholm, C. „Chemické spalování tuhých paliv ve smyčce - stav a nedávný pokrok“. 13. mezinárodní konference o technologiích pro kontrolu skleníkových plynů, GHGT-13, 14. – 18. Listopadu 2016, Lausanne, Švýcarsko.
  19. ^ A b Tong, Andrew; Bayham, Samuel; Kathe, Mandar V .; Zeng, Liang; Luo, Siwei; Fan, Liang-Shih (leden 2014). „Proces chemického smyčkování syngasu na bázi železa a vývoj procesu chemického smyčkování uhlí přímo na Ohio State University“. Aplikovaná energie. 113: 1836–1845. doi:10.1016 / j.apenergy.2013.05.024. ISSN  0306-2619.
  20. ^ Lyngfelt, Anders; Leckner, Bo (01.11.2015). „Kotel o výkonu 1 000 MWth pro chemické spalování tuhých paliv ve smyčce - diskuse o konstrukci a nákladech“. Aplikovaná energie. 157: 475–487. doi:10.1016 / j.apenergy.2015.04.057.
  21. ^ Mattisson, T., Lyngfelt, A. a Leion, H. (2009). „Chemická smyčka s rozpojením kyslíku pro spalování pevných paliv“. International Journal of Greenhouse Gas Control. 3: 11–19. doi:10.1016 / j.ijggc.2008.06.002.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  22. ^ Abad, A., Adánez-Rubio, I. Gayán, P. García-Labiano, F. de Diego L. F. a Adánez, J. (2012). „Demonstrace chemického smyčkování s procesem rozpojování kyslíku (CLOU) v 1,5kW té nepřetržitě fungující jednotce s použitím nosiče kyslíku na bázi Cu“. International Journal of Greenhouse Gas Control. 6: 189–200. doi:10.1016 / j.ijggc.2011.10.016. hdl:10261/75134.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  23. ^ Zhou, Zhiquan; Han, Lu; Nordness, Oscar; Bollas, George M. (2015-05-01). „Kontinuální režim chemického smyčkového spalování (CLC) a chemického smyčkování s reaktivitou rozpojování kyslíku (CLOU) nosičů kyslíku CuO“. Aplikovaná katalýza B: Životní prostředí. 166–167: 132–144. doi:10.1016 / j.apcatb.2014.10.067.
  24. ^ Rydén, M .; Lyngfelt, A. (2006). „Použití parního reformingu k výrobě vodíku se zachycováním oxidu uhličitého chemickým smyčkovým spalováním“. Journal of Hydrogen Energy. 31 (10): 1631–1641. doi:10.1016 / j.ijhydene.2005.12.003.
  25. ^ Rydén, M .; Lyngfelt, A. & Mattisson, T. (2006). „Výroba syntézního plynu reformováním chemického smyčkování v kontinuálně pracujícím laboratorním reaktoru“. Palivo. 85 (12–13): 1631–1641. doi:10.1016 / j.fuel.2006.02.004.
  26. ^ Tong, Andrew; Sridhar, Deepak; Sun, Zhenchao; Kim, Hyung R .; Zeng, Liang; Wang, Fei; Wang, Dawei; Kathe, Mandar V .; Luo, Siwei (leden 2013). „Kontinuální vysoce vodíková výroba vodíku ze subpilotní jednotky s 25 kWth chemickou smyčkou se 100% zachycením uhlíku“. Palivo. 103: 495–505. doi:10.1016 / j.fuel.2012.06.088. ISSN  0016-2361.
  27. ^ Lyngfelt, A. a Mattisson, T. (2011) „Materiály pro chemické smyčkové spalování“, D. Stolten a V. Scherer, Efficient Carbon Capture for Coal Power Plants, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co .. KGaA , 475-504.
  28. ^ Adánez, J .; Abad, A. Garcia-Labiano; F. Gayan P. & de Diego, L. (2012). „Pokrok v technologiích spalování a reformování chemických smyček'". Pokrok ve vědě o energii a spalování. 38 (2): 215–282. doi:10.1016 / j.pecs.2011.09.001. hdl:10261/78793.
  29. ^ Kim, J.Y., Ellis, N., Lim, C.J. a Grace, J.R. (2019). Msgstr "Vymazání binárních směsí pevných látek v tryskové jednotce". Technologie prášku. 352: 445–452. doi:10.1016 / j.powtec.2019.05.010.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

externí odkazy