Процесс сжигания кислородно-топливного топлива

Кислородное сжигание топлива — это процесс сжигания топлива с использованием чистого кислорода или смеси кислорода и рециркулируемого дымового газа вместо воздуха. Поскольку азотная составляющая воздуха не нагревается, снижается расход топлива и возможны более высокие температуры пламени. Исторически газокислородное сжигание в основном использовалось при сварке и резке металлов, особенно стали, поскольку газокислородное топливо обеспечивает более высокие температуры 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 использованию на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, газовой смеси, обогащенной кислородом, вместо воздуха. Почти весь азот удаляется из входящего воздуха, в результате чего получается поток, содержащий примерно 95% кислорода. ^{[ 3 ]} Сжигание чистого кислорода приведет к слишком высокой температуре пламени, поэтому смесь разбавляют путем смешивания с рециркулируемым дымовым газом или ступенчатого сжигания . Переработанный дымовой газ также можно использовать для подачи топлива в котел и обеспечения адекватной конвективной передачи тепла во все зоны котла. При сжигании кислородно-топливного топлива образуется примерно на 75% меньше дымовых газов, чем при горении на воздушном топливе, и образуются выхлопы, состоящие в основном из CO ₂ и H ₂ O (см. рисунок).

Экономия и эффективность

Оправданием использования кислородного топлива является получение богатого CO ₂ дымового газа, готового к секвестрации . Сжигание кислородно-топливного топлива имеет значительные преимущества перед традиционными установками, работающими на воздухе. Среди них:

Масса и объем дымовых газов уменьшаются примерно на 75%.
Поскольку объем дымовых газов уменьшается, в дымовых газах теряется меньше тепла.
Размер оборудования очистки дымовых газов можно уменьшить на 75%.
Дымовой газ состоит в основном из CO ₂ , пригодного для секвестрации.
Концентрация загрязняющих веществ в дымовых газах выше, что облегчает разделение.
Большая часть дымовых газов конденсируется; это делает возможным разделение при сжатии.
Тепло конденсации можно улавливать и повторно использовать, а не терять с дымовыми газами.
Поскольку азот в воздухе отсутствует, производство оксида азота значительно снижается.
Если топливо содержит серу, серную кислоту можно восстановить, а не выбрасывать в качестве опасного загрязнителя окружающей среды или «терять» при десульфурации дымовых газов .

С экономической точки зрения этот метод стоит дороже, чем традиционная воздушная установка. Основная проблема заключалась в отделении кислорода из воздуха. Этот процесс требует много энергии, на этот процесс может быть потрачено около 15% продукции угольной электростанции . Однако новая технология, которая еще не практична, называется химическим петлевым сжиганием. ^{[ 4 ]} можно использовать для снижения этих затрат. При химическом петлевом сжигании кислород, необходимый для сжигания угля, вырабатывается внутри в результате реакций окисления и восстановления, в отличие от использования более дорогих методов получения кислорода путем отделения его от воздуха. ^{[ 5 ]}

В настоящее время, при отсутствии необходимости снижения выбросов CO2 _, кислородное топливо неконкурентоспособно. Однако кислородное топливо является жизнеспособной альтернативой удалению CO ₂ из дымовых газов обычных установок, работающих на ископаемом топливе . Однако концентратор кислорода может помочь, поскольку он просто удаляет азот.

В других отраслях, помимо производства электроэнергии, сжигание кислородно-топливного топлива может быть конкурентоспособным благодаря более высокой доступности явного тепла. Сжигание кислородно-топливного топлива широко распространено в различных аспектах производства металлов.

Стекольная промышленность переходит на кислородное топливо с начала 1990-х годов, поскольку стекловаренные печи требуют температуры около 1500 градусов C, что экономически невозможно при адиабатических температурах пламени для сжигания топлива и воздуха, если только тепло не регенерируется между потоком дымовых газов и дымовым потоком. входящий поток воздуха. стекловаренных печей, разработанные в середине 19 века, Регенераторы представляют собой большие и дорогие высокотемпературные кирпичные каналы, заполненные кирпичом, расположенные в шахматном порядке для улавливания тепла при выходе дымовых газов из печи. Когда дымоход полностью нагревается, поток воздуха меняется на противоположный, и дымоход становится впускным отверстием для воздуха, отдавая свое тепло входящему воздуху и обеспечивая более высокие температуры печи, чем можно достичь только при использовании только топливовоздушной смеси. Два комплекта регенеративных дымоходов позволяли менять направление потока воздуха через регулярные промежутки времени и, таким образом, поддерживать высокую температуру входящего воздуха. Позволяя строить новые печи без затрат на регенераторы, и особенно с дополнительным преимуществом сокращение выбросов оксидов азота , что позволяет стекольным заводам соблюдать ограничения на выбросы, кислородно-топливо является экономически эффективным без необходимости сокращения выбросов CO ₂ . Сжигание кислородно-топливного топлива также снижает выбросы CO ₂ на территории стекольного завода, хотя это может быть компенсировано выработкой CO ₂ из-за выработки электроэнергии, необходимой для производства кислорода для процесса горения.

Сжигание кислородно-топливного топлива также может быть экономически эффективным при сжигании опасных отходов с низким значением БТЕ. Его часто комбинируют со ступенчатым сжиганием для уменьшения оксидов азота , поскольку чистый кислород может стабилизировать характеристики горения пламени.

Пилотные установки

Существуют пилотные установки, которые проходят первоначальные испытания концепции для оценки технологий для масштабирования до коммерческих установок, в том числе

Электростанция Каллида А в Квинсленде, Австралия ^{[ 6 ]}
Электростанция Black Pump в Шпремберге, Германия
CIUDEN в Кубильос-дель-Силь , Испания ^{[ 7 ]}
Демонстрационный центр NET Power ^{[ 8 ]}

Растение «Белая роза»

Одним из примеров сжигания кислородно-топливного топлива является попытка строительства завода «Белая роза» в Северном Йоркшире, Великобритания. Запланированный проект представлял собой кислородно-топливную электростанцию с системой разделения воздуха для улавливания двух миллионов тонн углекислого газа в год. Затем углекислый газ будет доставляться по трубопроводу для хранения в соленом водоносном горизонте под Северным морем. ^{[ 9 ]} Однако в конце 2015 — начале 2016 года, после прекращения финансирования со стороны Drax Group и правительства Великобритании, строительство было остановлено. ^{[ 10 ]} Непредвиденная потеря финансирования в рамках программы коммерциализации CCS правительства Великобритании, а также сокращение субсидий на возобновляемые источники энергии привели к тому, что завод «Белая роза» остался без средств для продолжения развития. ^{[ 9 ]}

Воздействие на окружающую среду

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 дымовых газов с высокой концентрацией CO ₂ , упрощается очистка и хранение CO _{2 ,} а не выброс его в атмосферу. ^{[ 2 ]}

Многие виды ископаемого топлива, такие как уголь и сланец , в результате сгорания образуют золу. Эту золу также необходимо утилизировать, что может повлиять на окружающую среду. Исследования показывают, что в целом сжигание кислородного топлива существенно не влияет на состав образующейся золы. Измерения показали схожие концентрации минералов и тяжелых металлов независимо от того, использовалась ли воздушная или кислородно-топливная среда. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Однако одним заметным исключением является то, что зола кислородного топлива часто имеет более низкие концентрации оксида кальция или гидроксида кальция (свободной извести). Свободная известь образуется, когда карбонатные минералы в топливе, таком как уголь и сланец, разлагаются при высоких температурах, возникающих во время сгорания ( прокаливания ). Кальцинирование является равновесной реакцией , и более высокое парциальное давление CO ₂ смещает равновесие в пользу CaCO ₃ и MgCO ₃ соответственно. Свободная известь является реактивной и потенциально может повлиять на окружающую среду, например, за счет повышения щелочности золы. Поскольку сжигание кислородно-топливного топлива происходит в атмосфере, богатой CO ₂ , разложение замедляется, а зола обычно содержит меньше свободной извести. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Десульфурация дымовых газов обычно используется для повышения pH дымовых газов или продуктов их переработки при реакции с атмосферной влагой ( кислотные дожди ). Помимо серы и ее оксидов, еще один потенциальный компонент кислотных дождей образуется из азота и закиси азота, взаимодействующих с водой - исключение азота из процесса сгорания полностью снижает этот фактор.

См. также

Ссылки

^ Маркевиц, Питер; Лейтнер, Уолтер; Линссен, Йохен; Запп, Петра; Мюллер, Томас; Шрайбер, Андреа (01 марта 2012 г.). «Мировые инновации в разработке технологий улавливания углерода и утилизации CO2» (PDF) . Энергетика и экология . 5 (6): 7281–7385. дои : 10.1039/C2EE03403D .
^ Jump up to: ^а ^б Буи, Май; Аджиман, Клэр С.; Бардоу, Андре; Энтони, Эдвард Дж.; Бостон, Энди; Браун, Соломон; Феннелл, Пол С.; Фусс, Сабина; Галиндо, Ампаро; Хакетт, Ли А.; Халлетт, Джейсон П. (2018). «Улавливание и хранение углерода (CCS): путь вперед» . Энергетика и экология . 11 (5): 1062–1176. дои : 10.1039/C7EE02342A . hdl : 10044/1/55714 . ISSN 1754-5692 .
^ ДИЛЛОН, Д; ПАНЕСАР, Р; СТЕНА, Р; АЛЛАМ, Р; БЕЛЫЙ, В; ГИББИНС, Дж; ХЕЙНС, М. (2005), «Процессы кислородного сжигания для улавливания CO2 на современных сверхкритических электростанциях PF и NGCC» , , Greenhouse Gas Control Technologies 7 , Elsevier, стр. 211–220, ISBN 978-0-08-044704-9 , получено 2 августа 2021 г.
^ «Технологический метод улавливания и секвестрации углерода CO2 на кислородном топливе - CCS на электростанции» . www.powerplantccs.com . Архивировано из оригинала 5 сентября 2013 г. Проверено 19 октября 2010 г.
^ «химическое циклическое сжигание | netl.doe.gov» . www.netl.doe.gov . Проверено 5 мая 2017 г.
^ Сперо, Крис; Ямада, Тошихико; Нельсон, Питер; Моррисон, Тони; Бури-Вебер, Клэр. «Проект по производству кислородного топлива Каллид – сгорание и экологические показатели» (PDF) . www.eventspro.net . 3-я конференция по сжиганию кислородного топлива . Проверено 5 мая 2017 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Энергетический город» . www.ciuden.es . Фонд «Энергетический город» . Проверено 5 мая 2017 г.
^ «Домашняя страница NET Power» . Проверено 24 июля 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Проект CCS «Белая роза» | Глобальный институт улавливания и хранения углерода» . www.globalccsinstitute.com . Проверено 14 марта 2024 г.
^ «Технологии улавливания и секвестрации углерода @ MIT» . sequestration.mit.edu . Проверено 5 мая 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б Конист, Алар; Нешумаев Дмитрий; Бэрд, Захария С.; Энтони, Эдвард Дж.; Маасикметс, Марек; Ярвик, Оливер (11 декабря 2020 г.). «Минеральный и тяжелый металлический состав сланцевой золы от сжигания кислородного топлива» . АСУ Омега . 5 (50): 32498–32506. дои : 10.1021/acsomega.0c04466 . ISSN 2470-1343 . ПМЦ 7758964 . PMID 33376887 .
^ Jump up to: ^а ^б Лоо, Лаури; Конист, Алар; Нешумаев Дмитрий; Пиху, Тыну; Маатен, Биргит; Сийрде, Андрес (май 2018 г.). «Зола и дымовые газы от сжигания сланцевого кислородно-топливного топлива в циркулирующем псевдоожиженном слое» . Энергии . 11 (5): 1218. doi : 10.3390/en11051218 .

[Royal_Society_of_Chemistry-1] Маркевиц, Питер; Лейтнер, Уолтер; Линссен, Йохен; Запп, Петра; Мюллер, Томас; Шрайбер, Андреа (01 марта 2012 г.). «Мировые инновации в разработке технологий улавливания углерода и утилизации CO2» (PDF) . Энергетика и экология . 5 (6): 7281–7385. дои : 10.1039/C2EE03403D .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б Буи, Май; Аджиман, Клэр С.; Бардоу, Андре; Энтони, Эдвард Дж.; Бостон, Энди; Браун, Соломон; Феннелл, Пол С.; Фусс, Сабина; Галиндо, Ампаро; Хакетт, Ли А.; Халлетт, Джейсон П. (2018). «Улавливание и хранение углерода (CCS): путь вперед» . Энергетика и экология . 11 (5): 1062–1176. дои : 10.1039/C7EE02342A . hdl : 10044/1/55714 . ISSN 1754-5692 .

[3] ДИЛЛОН, Д; ПАНЕСАР, Р; СТЕНА, Р; АЛЛАМ, Р; БЕЛЫЙ, В; ГИББИНС, Дж; ХЕЙНС, М. (2005), «Процессы кислородного сжигания для улавливания CO2 на современных сверхкритических электростанциях PF и NGCC» , , Greenhouse Gas Control Technologies 7 , Elsevier, стр. 211–220, ISBN 978-0-08-044704-9 , получено 2 августа 2021 г.

[4] «Технологический метод улавливания и секвестрации углерода CO2 на кислородном топливе - CCS на электростанции» . www.powerplantccs.com . Архивировано из оригинала 5 сентября 2013 г. Проверено 19 октября 2010 г.

[5] «химическое циклическое сжигание | netl.doe.gov» . www.netl.doe.gov . Проверено 5 мая 2017 г.

[3rd_Oxyfuel_Combustion_Conference-6] Сперо, Крис; Ямада, Тошихико; Нельсон, Питер; Моррисон, Тони; Бури-Вебер, Клэр. «Проект по производству кислородного топлива Каллид – сгорание и экологические показатели» (PDF) . www.eventspro.net . 3-я конференция по сжиганию кислородного топлива . Проверено 5 мая 2017 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[ciuden-7] «Энергетический город» . www.ciuden.es . Фонд «Энергетический город» . Проверено 5 мая 2017 г.

[NET_Power_Homepage-8] «Домашняя страница NET Power» . Проверено 24 июля 2019 г.

[:0-9] Jump up to: ^а ^б «Проект CCS «Белая роза» | Глобальный институт улавливания и хранения углерода» . www.globalccsinstitute.com . Проверено 14 марта 2024 г.

[10] «Технологии улавливания и секвестрации углерода @ MIT» . sequestration.mit.edu . Проверено 5 мая 2017 г.

[:2-11] Jump up to: ^а ^б Конист, Алар; Нешумаев Дмитрий; Бэрд, Захария С.; Энтони, Эдвард Дж.; Маасикметс, Марек; Ярвик, Оливер (11 декабря 2020 г.). «Минеральный и тяжелый металлический состав сланцевой золы от сжигания кислородного топлива» . АСУ Омега . 5 (50): 32498–32506. дои : 10.1021/acsomega.0c04466 . ISSN 2470-1343 . ПМЦ 7758964 . PMID 33376887 .

[:3-12] Jump up to: ^а ^б Лоо, Лаури; Конист, Алар; Нешумаев Дмитрий; Пиху, Тыну; Маатен, Биргит; Сийрде, Андрес (май 2018 г.). «Зола и дымовые газы от сжигания сланцевого кислородно-топливного топлива в циркулирующем псевдоожиженном слое» . Энергии . 11 (5): 1218. doi : 10.3390/en11051218 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]