Jump to content

Химическое петлевое горение

Рис. 1. Схема реакторной системы ХЖК.
Рис. 2. (Слева) Конструкция с двойным псевдоожиженным слоем, пилотная установка сжигания с химическим контуром в Дармштадте. [1] и (справа) взаимосвязанная конструкция с подвижным слоем и псевдоожиженным слоем, пилотная установка по прямому химическому контуру угля Университета штата Огайо. [2]

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
2

3
(с) → Fe
3

4
(с)+ ЧТО
2
(г)
( 1 )
Фе
3

4
(т) + О 2 (г) → Fe
2

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

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]

[ 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.
. [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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ Лян-Ши, Фан. Химическое циклическое частичное окисление: газификация, риформинг и химический синтез . Кембридж. ISBN  9781108157841 . OCLC   1011516037 .
  3. ^ 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 )
  4. ^ 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 )
  5. ^ 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 )
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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.
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ Люнгфельт, А. (2004). «Новая технология сжигания». Проблемы парниковых газов . 73 : 2–3.
  16. ^ Люнгфельт, А. (2007). «Химико-петлевое сжигание твердого топлива». Проблемы парниковых газов . 85 : 9–10.
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 )
  22. ^ 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 )
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ 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 .
  27. ^ 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.
  28. ^ 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 .
  29. ^ 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 )
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4abe4573156c9db622f4d85400cd1b40__1713996360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4a/40/4abe4573156c9db622f4d85400cd1b40.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Chemical looping combustion - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)