Химическое петлевое горение


Химическое петлевое сжигание ( CLC ) — это технологический процесс, обычно использующий систему двойного псевдоожиженного слоя . CLC, работающий с взаимосвязанным движущимся слоем с системой псевдоожиженного слоя, также использовался в качестве технологического процесса. В ХЖК оксид металла используется в качестве материала слоя, обеспечивающего кислород для сгорания в топливном реакторе . Восстановленный металл затем переносится во второй слой ( воздушный реактор ) и повторно окисляется, прежде чем снова вводиться обратно в топливный реактор, завершая цикл. На рис. 1 показана упрощенная схема процесса ХЖК. На фиг.2 показан пример двойной реакторной системы с циркулирующим псевдоожиженным слоем и системы циркулирующего реактора с подвижным слоем и псевдоожиженным слоем.
Изоляция топлива от воздуха упрощает ряд химических реакций при горении . Использование кислорода без азота и примесей газов, содержащихся в воздухе, устраняет основной источник образования оксида азота ( NO x ), образует дымовые газы , состоящие в основном из углекислого газа и водяного пара ; другие следы загрязняющих веществ зависят от выбранного топлива .
Описание
[ редактировать ]Химическое петлевое сжигание (CLC) использует две или более реакции для окисления топлива на основе углеводородов. В своей простейшей форме переносчик кислорода (обычно металл) сначала окисляется 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:
С(ы) + Fe 22О 3 (с) → Fe 33О 4 (с)+ ЧТО 2 (г) | ( 1 ) |
Фе 33О 4 (т) + О 2 (г) → Fe 22О 3 (с) | ( 2 ) |
Если ( 1 ) и ( 2 ) суммируются, набор реакций сводится к прямому окислению углерода, т.е.:
С(ы) + О 2 (г) → CO 2 (г) | ( 3 ) |
CLC впервые изучался как способ производства CO 2 из ископаемого топлива с использованием двух соединенных между собой псевдоожиженных слоев. [3] Позже она была предложена как система повышения эффективности электростанции. [4] Выигрыш в эффективности возможен за счет повышения обратимости двух окислительно-восстановительных реакций; при традиционном одноступенчатом сгорании высвобождение энергии топлива происходит весьма необратимым образом, значительно отклоняясь от равновесия. В ХЖК, если выбран подходящий переносчик кислорода, обе окислительно-восстановительные реакции могут протекать почти обратимо и при относительно низких температурах. Теоретически это позволяет электростанции, использующей CLC, приблизиться к идеальной производительности двигателя внутреннего сгорания, не подвергая компоненты воздействию чрезмерных рабочих температур.
Термодинамика
[ редактировать ]
На рис. 3 графически иллюстрируется энергетический обмен в системе CLC и показана диаграмма Сэнки потоков энергии, возникающих в обратимом двигателе на основе CLC. Как показано на рис. 1, тепловой двигатель устроен так, чтобы получать тепло при высоких температурах в результате экзотермической реакции окисления. Преобразовав часть этой энергии в работу, тепловая машина отбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла. Почти весь этот отвод тепла может быть поглощен эндотермической реакцией восстановления, происходящей в восстановителе. Такое расположение требует, чтобы окислительно-восстановительные реакции были экзотермическими и эндотермическими соответственно, но это обычно имеет место для большинства металлов. [5] необходим некоторый дополнительный теплообмен с окружающей средой Для выполнения второго закона ; теоретически для обратимого процесса теплообмен связан с изменением энтропии стандартного состояния ΔS тот , реакции первичного окисления углеводородов следующим образом:
- Q о = Т о DS тот
Однако для большинства углеводородов ΔS тот Это небольшая величина, и в результате теоретически возможен двигатель с высоким общим КПД. [6]
CO 2 улавливание
[ редактировать ]Хотя ХЖК предлагается как средство повышения эффективности, в последние годы проявился интерес как к методу улавливания углерода . [7] [8] Улавливание углерода облегчается ХЖК, поскольку две окислительно-восстановительные реакции генерируют два внутренне разделенных потока дымовых газов: поток из воздушного реактора, состоящий из атмосферного азота.
2 и остаточный O
2 , но практически не содержит CO 2 ; и поток из топливного реактора, преимущественно содержащий CO 2 и H
2 O с очень небольшим количеством разбавляющего азота. Дымовые газы воздушного реактора можно выбрасывать в атмосферу, вызывая минимальное CO 2 загрязнение . Выходной газ восстановителя содержит почти весь CO 2 , вырабатываемый системой, и поэтому можно сказать, что CLC демонстрирует «собственное улавливание углерода», поскольку водяной пар можно легко удалить из второго дымового газа посредством конденсации, что приводит к образованию потока почти чистый СО 2 . Это дает CLC явные преимущества по сравнению с конкурирующими технологиями улавливания углерода, поскольку последние обычно влекут за собой значительные энергетические потери, связанные либо с системами очистки дожигания, либо с трудозатратами, необходимыми для установок разделения воздуха. Это привело к тому, что CLC был предложен в качестве энергоэффективной технологии улавливания углерода. [9] [10] способны улавливать почти весь CO 2 , например, на заводе по прямому химическому циклированию угля (CDCL). [11] [12] Результаты непрерывной 200-часовой демонстрации работы вспомогательной пилотной установки CDCL мощностью 25 кВт показали почти 100% конверсию угля в CO 2 без переноса углерода в воздушный реактор. [13] [14]
Развитие технологий
[ редактировать ]Первая операция химического петлевого сжигания газообразного топлива была продемонстрирована в 2003 году. [15] а затем на твердом топливе в 2006 году. [16] Общий стаж работы 34 пилотов мощностью от 0,3 до 3 МВт составляет более 9000 часов. [17] [18] [19] В качестве материалов-переносчиков кислорода, используемых в работе, используются монометаллические оксиды никеля, меди, марганца и железа, а также различные комбинированные оксиды, в том числе оксиды марганца в сочетании с кальцием, железом и кремнеземом. Также использовались природные руды, особенно для твердого топлива, включая железные руды, марганцевые руды и ильменит.
Стоимость и энергетический штраф
[ редактировать ]Детальная оценка технологии химического 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. Вместо этого основными затратами являются сжатие CO 2 , необходимое во всех технологиях улавливания CO 2 , и производство кислорода. Производство молекулярного кислорода также может потребоваться в определенной конфигурации ХЖК для очистки газообразного продукта из топливного реактора. В целом дополнительные затраты были оценены в 20 евро/тонну CO 2 , тогда как энергетические потери составили 4%. [20]
Варианты и сопутствующие технологии
[ редактировать ]Вариантом CLC является сжигание в химическом цикле с кислородным разобщением (CLOU), при котором используется кислородный носитель, который выделяет кислород в газовой фазе в топливном реакторе, например CuO/ Cu.
2О . [21] Это полезно для достижения высокой конверсии газа, особенно при использовании твердого топлива, когда можно избежать медленной паровой газификации полукокса. Работа КЛОУ на твердом топливе показывает высокую производительность [22] [23]
Химический петлевой риформинг также можно использовать для производства водорода в процессах химического петлевого риформинга (CLR). [24] [25] В одной из конфигураций процесса CLR водород производят из угля и/или природного газа с использованием топливного реактора с подвижным слоем, интегрированного с паровым реактором и воздушным реактором с псевдоожиженным слоем. с чистотой более 99% Эта конфигурация CLR может производить H 2 без необходимости отделения CO 2 . [19] [26]
Всеобъемлющие обзоры этой области даются в недавних обзорах технологий химических петель. [7] [27] [28]
Таким образом, CLC может одновременно обеспечить как повышение эффективности электростанции, так и улавливание углерода с низкими энергозатратами. Проблемы с CLC включают работу с двойным псевдоожиженным слоем (поддержание псевдоожижения носителя, избегая при этом дробления и истирания). [29] ) и поддержание стабильности носителя на протяжении многих циклов.
См. также
[ редактировать ]- Химический петлевой риформинг и газификация
- Горение
- Кислородное сжигание топлива
- Окислитель
- Redox (реакция восстановления/окисления)
- Улавливание и хранение углерода
- Лейн производитель водорода
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стрёле, Йохен; Орт, Матиас; Эппле, Бернд (январь 2014 г.). «Проектирование и эксплуатация химической петлевой установки мощностью 1 МВт». Прикладная энергетика . 113 : 1490–1495. дои : 10.1016/j.apenergy.2013.09.008 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Лян-Ши, Фан. Химическое циклическое частичное окисление: газификация, риформинг и химический синтез . Кембридж. ISBN 9781108157841 . OCLC 1011516037 .
- ^ Льюис В., Гиллиланд Э. и Суини М. (1951). «Газификация углерода». Химический технологический прогресс . 47 : 251–256.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Рихтер, HJ; Кноче, К.Ф. (1983). «Обратимость процессов сгорания, эффективность и стоимость - анализ процессов по второму закону». Серия симпозиумов ACS (235): 71–85.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Джерндал Э., Мэттиссон Т. и Люнгфельт А. (2006). «Термический анализ химико-петлевого горения». Химико-технологические исследования и проектирование . 84 (9): 795–806. дои : 10.1205/cherd05020 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ МакГлашан, Северная Каролина (2008). «Химическое петлевое горение - термодинамическое исследование». Учеб. Инст. Мех. англ. С. 222 (6): 1005–1019. CiteSeerX 10.1.1.482.5166 . дои : 10.1243/09544062JMES790 . S2CID 14865943 .
- ^ Jump up to: а б Лян-Ши., Фан (2010). Химические петлевые системы для преобразования ископаемой энергии . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-AIChE. ISBN 9780470872888 . OCLC 663464865 .
- ^ Фань, Лян-Ши; Цзэн, Лян; Ван, Уильям; Ло, Сивэй (2012). «Химические процессы улавливания CO2 и конверсии углеродистого топлива – перспективы и возможности». Энергетика и экология . 5 (6): 7254. doi : 10.1039/c2ee03198a . ISSN 1754-5692 .
- ^ Исида, М.; Джин, Х. (1997). «Утилизация CO2 на электростанции с химическим циклическим сжиганием». Энергетическая конв. МГМТ . 38 : С187–С192. дои : 10.1016/S0196-8904(96)00267-1 .
- ^ Брандволл, О.; Болланд, О. (2004). «Собственное улавливание CO 2 с использованием химического циклического сжигания в энергетическом цикле, работающем на природном газе». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 126 (2): 316–321. дои : 10.1115/1.1615251 .
- ^ Гордер, Пэм (5 февраля 2013 г.). «Новая угольная технология использует энергию без сжигания и приближается к опытно-промышленной разработке» . www.researchnews.osu.edu . Архивировано из оригинала 21 декабря 2016 года . Проверено 4 ноября 2016 г.
- ^ Бэйхэм, Сэмюэл; МакГиверон, Омар; Тонг, Эндрю; Чанг, Елена; Кэт, Мандар; Ван, Давэй; Цзэн, Лян; Фань, Лян-Ши (май 2015 г.). «Параметрические и динамические исследования установки прямого химического контурирования угля мощностью 25 кВт на полубитуминозном угле» . Прикладная энергетика . 145 : 354–363. дои : 10.1016/j.apenergy.2015.02.026 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Бэйхэм, Сэмюэл К.; Ким, Хён Р.; Ван, Давэй; Тонг, Эндрю; Цзэн, Лян; МакГиверон, Омар; Кэте, Мандар В.; Чанг, Елена; Ван, Уильям (08 марта 2013 г.). «Процесс сжигания угля на основе железа с прямым химическим контуром: 200-часовая непрерывная работа вспомогательной пилотной установки мощностью 25 кВт». Энергетика и топливо . 27 (3): 1347–1356. дои : 10.1021/ef400010s . ISSN 0887-0624 .
- ^ Чунг, 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. дои : 10.1016/j.apenergy.2017.09.079 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Люнгфельт, А. (2004). «Новая технология сжигания». Проблемы парниковых газов . 73 : 2–3.
- ^ Люнгфельт, А. (2007). «Химико-петлевое сжигание твердого топлива». Проблемы парниковых газов . 85 : 9–10.
- ^ Люнгфельт, А. (2011). «Кислородоносители для химико-петлевого горения – 4000 ч опыта эксплуатации» . Нефтегазовая наука и технология . 66 (2): 161–172. дои : 10.2516/ogst/2010038 .
- ^ Люнгфельт, А; Линдерхольм, К. «Сжигание твердого топлива в химическом цикле - состояние и недавний прогресс». 13-я Международная конференция по технологиям контроля парниковых газов, GHGT-13, 14–18 ноября 2016 г., Лозанна, Швейцария .
- ^ Jump up to: а б Тонг, Эндрю; Бэйхэм, Сэмюэл; Кэте, Мандар В.; Цзэн, Лян; Ло, Сивэй; Фань, Лян-Ши (январь 2014 г.). «Процесс химического контурирования синтез-газа на основе железа и разработка процесса химического контурирования с использованием угля в Университете штата Огайо». Прикладная энергетика . 113 : 1836–1845. дои : 10.1016/j.apenergy.2013.05.024 . ISSN 0306-2619 .
- ^ Люнгфельт, Андерс; Лекнер, Бо (01 ноября 2015 г.). «Котел мощностью 1000 МВт для химического циркуляционного сжигания твердого топлива – Обсуждение проекта и стоимости» . Прикладная энергетика . 157 : 475–487. дои : 10.1016/j.apenergy.2015.04.057 .
- ^ Маттиссон Т., Люнгфельт А. и Лейон Х. (2009). «Химический контур с кислородным разобщением для сжигания твердого топлива». Международный журнал по контролю парниковых газов . 3 : 11–19. дои : 10.1016/j.ijggc.2008.06.002 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Абад А., Аданес-Рубио, И. Гаян, П. Гарсиа-Лабиано, Ф. де Диего Л.Ф. и Аданес Дж. (2012). «Демонстрация химического контура с процессом разъединения кислорода (CLOU) в непрерывно работающей установке мощностью 1,5 кВт с использованием кислородного носителя на основе меди». Международный журнал по контролю парниковых газов . 6 : 189–200. дои : 10.1016/j.ijggc.2011.10.016 . hdl : 10261/75134 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чжоу, Чжицюань; Хан, Лу; Норднесс, Оскар; Боллас, Джордж М. (01 мая 2015 г.). «Непрерывный режим химического петлевого горения (ХПХ) и химического петлевого горения с кислородным разобщением (ХЛОУ) реакционной способности кислородных носителей CuO». Прикладной катализ Б: Экология . 166–167: 132–144. дои : 10.1016/j.apcatb.2014.10.067 .
- ^ Риден, М.; Люнгфельт, А. (2006). «Использование парового риформинга для получения водорода с улавливанием углекислого газа путем химического циклического сжигания» . Журнал водородной энергетики . 31 (10): 1631–1641. doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.12.003 .
- ^ Риден, М.; Люнгфельт А. и Мэттиссон Т. (2006). «Получение синтез-газа путем химического петлевого риформинга в лабораторном реакторе непрерывного действия» . Топливо . 85 (12–13): 1631–1641. doi : 10.1016/j.fuel.2006.02.004 .
- ^ Тонг, Эндрю; Шридхар, Дипак; Сунь, Чжэньчао; Ким, Хён Р.; Цзэн, Лян; Ван, Фэй; Ван, Давэй; Кэте, Мандар В.; Ло, Сивэй (январь 2013 г.). «Непрерывное производство водорода высокой чистоты из вспомогательной пилотной установки мощностью 25 кВт с химическим контуром синтез-газа со 100% улавливанием углерода». Топливо . 103 : 495–505. doi : 10.1016/j.fuel.2012.06.088 . ISSN 0016-2361 .
- ^ Люнгфельт, А. и Маттиссон, Т. (2011) «Материалы для химического горения», в Д. Столтене и В. Шерере, Эффективное улавливание углерода для угольных электростанций, Вайнхайм, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.. КГаА, 475-504.
- ^ Аданес, Дж.; Абад, А. Гарсиа-Лабиано; Ф. Гаян П. и де Диего Л. (2012). «Прогресс в технологиях химического петлевого сжигания и риформинга» . Прогресс в области энергетики и науки о горении . 38 (2): 215–282. дои : 10.1016/j.pecs.2011.09.001 . hdl : 10261/78793 .
- ^ Ким, Дж. Я., Эллис, Н., Лим, С. Дж. и Грейс, младший (2019). «Истирание бинарных смесей твердых тел в установке струйного истирания». Порошковая технология . 352 : 445–452. дои : 10.1016/j.powtec.2019.05.010 . S2CID 164585879 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки
[ редактировать ]- http://www.entek.chalmers.se/lyngfelt/co2/co2.htm
- chemical-looping.at
- Химический цикл. Архивировано 22 октября 2012 г. в Wayback Machine , Институт науки о горении, Университет Западного Кентукки.
- http://www.icb.csic.es/index.php?id=144&L=1
- http://www3.imperial.ac.uk/carboncaptureandstorage
- http://www.encapco2.org/sp4.htm. Архивировано 21 апреля 2008 г. в Wayback Machine.
- Технология улавливания углерода и химического цикла – обновленная информация о прогрессе . Запись вебинара Карла Боззуто и Глобального института CCS, 11 июля 2012 г.