Vegyi hurok égés - Chemical looping combustion

1. ábra A CLC reaktorrendszer vázlata
2. ábra (balra) Kettős fluid ágyas kialakítás, a darmstadti vegyi hurkos égésű kísérleti üzem és (jobbra) összekapcsolt mozgó ágyas fluid ágyas tervezés, az Ohio Állami Egyetem szén közvetlen kémiai hurok kísérleti üzeme

A kémiai hurokégetés ( CLC ) egy technológiai folyamat, amely általában kettős fluid ágyas rendszert alkalmaz. A CLC-t összekapcsolt, fluid ágyas rendszerű mozgó ágyzal működtetve, technológiai folyamatként is alkalmazták. A CLC-ben fém-oxidot használnak ágyanyagként, amely biztosítja az oxigént az üzemanyag-reaktorban történő égéshez . A redukált fémet ezután a második ágyba ( légreaktor ) viszik át, majd újra oxidálják, majd visszahelyezik a tüzelőanyag-reaktorba, befejezve a kört. Az 1. ábra a CLC folyamat egyszerűsített diagramját mutatja. A 2. ábra egy kettős fluid ágyas keringető reaktor rendszer és egy mozgó ágy fluidizált ágy keringető reaktor rendszer példáját mutatja.

Izolálása a tüzelőanyag a levegővel leegyszerűsíti száma kémiai reakciók a égés . Alkalmazva az oxigén nélkül, a nitrogén és a nyomgázok levegőben található kiküszöböli az elsődleges forrása a kialakulásának a nitrogén-oxid ( NO
x ), elsősorban szén-dioxidból és vízgőzből álló füstgázt termel ; más nyomokban előforduló szennyező anyagok a kiválasztott üzemanyagtól függenek .

Leírás

A kémiai ciklusú égés (CLC) két vagy több reakciót használ a szénhidrogén alapú üzemanyagok oxidációjának elvégzéséhez. A legegyszerűbb formájában egy oxigént szállító anyag (általában fém) először oxidálódik a levegőben, oxidot képezve. Ezt az oxidot ezután szénhidrogén redukálószerként redukáljuk egy második reakció során. Például egy tiszta szenet égető vasalapú rendszer magában foglalja a két redox reakciót:

C (s) + Fe
2O
3s) → Fe
3O
4(s) + CO
2g)

 

 

 

 

( 1 )
Fe
3O
4(s) + O 2 (g) → Fe
2O
3s

 

 

 

 

( 2 )

Ha az ( 1 ) és ( 2 ) pontokat összeadjuk, a reakciókészlet egyenes szén-oxidációvá csökken, azaz:

C (s) + O
2(g) → CO
2g)

 

 

 

 

( 3 )

A CLC-t először a CO termelésének módjaként tanulmányozták
2fosszilis tüzelőanyagokból, két egymással összekapcsolt fluid ágy segítségével. Később az erőmű hatékonyságának növelésére szolgáló rendszerként javasolták. A hatékonyság növekedése a két redoxreakció megnövelt reverzibilitásának köszönhető; a hagyományos egylépéses égés során az üzemanyag energiájának felszabadulása nagyon visszafordíthatatlan módon történik - jelentősen eltér az egyensúlytól. A CLC-ben, ha megfelelő oxigénhordozót választunk, mindkét redoxireakció szinte visszafordíthatóan és viszonylag alacsony hőmérsékleten valósulhat meg. Elméletileg ez lehetővé teszi, hogy a CLC-t használó erőmű elérje a belső égésű motor ideális teljesítményét anélkül, hogy az alkatrészeket túlzott üzemi hőmérsékletnek tenné ki.

Termodinamika

3. ábra: Az energiaáramlások Sankey diagramja egy reverzibilis CLC rendszerben.

A 3. ábra grafikusan szemlélteti az CLC-rendszer energiacseréjét, és egy reverzibilis CLC-alapú motorban előforduló energiaáramok Sankey-diagramját mutatja . Az 1. ábrát tanulmányozva egy hőmotor van elrendezve, hogy magas hőmérsékleten hőt fogadjon az exoterm oxidációs reakcióból. Miután ennek az energiának egy részét munkává alakította, a hőmotor hőként visszautasítja a fennmaradó energiát. Ennek a hőelutasításnak szinte az összesét el tudja szívni a reduktorban lejátszódó endoterm redukciós reakció. Ez az elrendezés megköveteli, hogy a redoxireakciók exotermek és endotermek legyenek, de ez általában a legtöbb fém esetében érvényes. A második törvény teljesítéséhez némi további hőcserére van szükség a környezettel ; elméletileg egy reverzibilis folyamat esetében a hőcsere a primer szénhidrogén-oxidációs reakció standard állapotának entrópiaváltozásához (ΔS o ) kapcsolódik az alábbiak szerint:

Q o = T o ΔS o

Azonban a legtöbb szénhidrogének, ΔS o egy kis érték, és ennek eredményeként a motor nagy általános hatékonyság elméletileg lehetséges.

CO 2 megkötés

Jóllehet a hatékonyság növelésének eszközeként javasolják, az elmúlt években a CLC, mint szén-dioxid-megkötési technika iránti érdeklődés mutatkozott . A szén megkötését a CLC megkönnyíti, mert a két redoxireakció két, egymástól elválasztott füstgázáramot generál: a légreaktorból származó áramot, amely atmoszférikus N
2és a maradék O
2, de ésszerűen CO- mentes
2; és az üzemanyag-reaktorból származó áram, amely túlnyomórészt CO-t tartalmaz
2és H
2O nagyon kevés hígító nitrogénnel. A légreaktor füstgáza a légkörbe vezethető, minimális CO-tartalmat okozva
2környezetszennyezés. A reduktor kilépőgáza szinte az összes CO-t tartalmazza
2ezért a rendszer és a CLC által generált „eredendő szén-dioxid-megkötést” lehet mondani, mivel a vízgőz kondenzációval könnyen eltávolítható a második füstgázból, ami szinte tiszta CO- áramhoz vezet.
2. Ez egyértelmű előnyöket nyújt a CLC-nek a versenytárs szén-dioxid-elkötési technológiákkal összehasonlítva, mivel az utóbbiak általában jelentős energiabüntetést vonnak maguk után vagy az égés utáni súrolóberendezésekkel, vagy a levegőelválasztó üzemek számára szükséges munkaerővel. Ez oda vezetett, hogy CLC javasolnak energiatakarékos szén capture technológiát, amely képes megragadni szinte az összes CO 2 , például egy Coal Direct Chemical Looping (CDCI) növény. A folyamatos 200 órás demonstrációs eredmények egy 25 kW-os th CDCI al-félüzemi jelzett közel 100% szenet konverzió CO 2 nélkül a szén átvitele a levegő reaktorba.

Technologiai fejlodes

A vegyi körkörös égést gázüzemű üzemekkel először 2003-ban, később pedig szilárd tüzelőanyagokkal 2006-ban mutatták be. 34, 0,3–3 MW teljesítményű kísérleti üzemeltetési tapasztalat több mint 9000 óra. A működés során használt oxigénhordozó anyagok közé tartoznak a nikkel, réz, mangán és vas monometál-oxidjai, valamint különféle kombinált oxidok, beleértve a mangán-oxidokat is. Kalciummal, vasal és szilícium-dioxiddal kombinálva. Természetes érceket is alkalmaztak, különösen szilárd tüzelőanyagokhoz, ideértve a vasérceket, a mangánérceket és az ilmenitet is.

Költség- és energiabüntetés

A szilárd tüzelőanyagok, azaz a szén vegyi hurkolású égetésének részletes technológiai értékelése egy 1000 MW-os th erőműnél azt mutatja, hogy a hozzáadott CLC-reaktor költségei a normál keringő fluidágyas kazánhoz képest kicsiek, a technológiák hasonlósága miatt. A fő költségek helyette a CO 2 -tömörítés, amelyre szükség van az összes CO 2 -fogási technológiában, és az oxigéntermelés. Molekuláris oxigéntermelésre is szükség lehet bizonyos CLC konfigurációkban a tüzelőanyag-reaktorból származó termékgáz polírozásához. Az összes hozzáadott költség becsült összege 20 EUR / tonna CO 2 volt, míg az energiabírság 4% volt.

Változatok és a kapcsolódó technológiák

A CLC egyik változata a kémiai-hurkos égés oxigén-leválasztással (CLOU), ahol olyan oxigénhordozót használnak, amely gázfázisú oxigént szabadít fel az üzemanyag-reaktorban, pl. CuO / Cu
2O. Ez hasznos a magas gázkonverzió eléréséhez, és különösen szilárd tüzelőanyagok alkalmazásakor, ahol elkerülhető a szén lassú gőzgázosítása. A CLOU szilárd tüzelőanyaggal történő üzemeltetése nagy teljesítményt mutat

A kémiai hurok felhasználható hidrogén előállítására a kémiai hurok-átalakító (CLR) folyamatokban is. A CLR eljárás egyik konfigurációjában a hidrogént szénből és / vagy földgázból állítják elő gőzreaktorral integrált mozgó ágyas tüzelőanyag-reaktor és fluid ágyas légreaktor segítségével. Ez a konfiguráció a CLR képes több, mint 99% -os tisztaságú H 2 szükségessége nélkül CO 2 szétválasztás.

A területről átfogó áttekintést adnak a vegyi hurkolási technológiákról szóló közelmúltbeli áttekintések.

Összefoglalva: a CLC mind az erőmű hatékonyságának növekedését képes elérni, mind az alacsony energiájú büntetéses szén-dioxid-megkötéssel. A CLC-vel kapcsolatos kihívások magukban foglalják a kettős fluid ágy működtetését (a hordozó fluidizációjának fenntartása, miközben a zúzódás és a kopás elkerülése), és a hordozó stabilitását sok ciklus alatt fenntartják.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek