Forbrænding med kemisk looping - Chemical looping combustion

Fig 1. Diagram over CLC-reaktorsystem
Fig 2. (Venstre) Dobbelt fluidiseret lejdesign, Darmstadt kemisk looping-forbrændingspilotanlæg og (højre) sammenkoblet bevægeligt seng-fluidiseret sengedesign, Ohio State University Coal Direct Chemical Looping pilotanlæg

Forbrænding med kemisk looping ( CLC ) er en teknologisk proces, der typisk anvender et system med dobbelt fluidiseret leje . CLC, der drives med en sammenkoblet bevægelig seng med et fluidiseret lejesystem, har også været anvendt som en teknologiproces. I CLC anvendes et metaloxid som et lejemateriale, der tilfører ilt til forbrænding i brændstofreaktoren . Det reducerede metal overføres derefter til det andet leje ( luftreaktor ) og oxideres igen, før det genindføres tilbage til brændstofreaktoren, der fuldender sløjfen. Fig. 1 viser et forenklet diagram af CLC-processen. Figur 2 viser et eksempel på et cirkulerende reaktorsystem med dobbelt fluidiseret leje og et cirkulerende reaktorsystem med bevægeligt leje.

Isolering af brændstoffet fra luft forenkler antallet af kemiske reaktioner ved forbrænding . Anvendelse af ilt uden nitrogen og sporgasser, der findes i luft, eliminerer den primære kilde til dannelse af nitrogenoxid ( NO
x ), producerer en røggas, der primært består af kuldioxid og vanddamp ; andre sporforurenende stoffer afhænger af det valgte brændstof .

Beskrivelse

Forbrænding ved kemisk looping (CLC) bruger to eller flere reaktioner til at udføre oxidation af kulbrintebaserede brændstoffer. I sin enkleste form oxideres en iltbærende art (normalt et metal) først i luften og danner et oxid. Dette oxid reduceres derefter ved anvendelse af et carbonhydrid som reduktionsmiddel i en anden reaktion. Som et eksempel ville et jernbaseret system, der brænder rent kulstof, involvere de to redoxreaktioner :

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

 

 

 

 

( 1 )
Fe
3O
4(s) + O 2 (g) → Fe
2O
3(s)

 

 

 

 

( 2 )

Hvis ( 1 ) og ( 2 ) tilsættes sammen, reduceres reaktionssættet til lige carbonoxidation dvs.

C (s) + O
2(g) → CO
2(g)

 

 

 

 

( 3 )

CLC blev først undersøgt som en måde at producere CO på
2fra fossile brændstoffer ved hjælp af to sammenkoblede fluidiserede senge. Senere blev det foreslået som et system til at øge kraftværkseffektiviteten. Effektivitetsgevinsten er mulig på grund af den forbedrede reversibilitet af de to redoxreaktioner; i traditionel enkelttrinsforbrænding sker frigivelsen af ​​et brændstofs energi på en meget irreversibel måde - afviger betydeligt fra ligevægt. Hvis der vælges en passende iltbærer i CLC, kan begge redoxreaktioner fås til at forekomme næsten reversibelt og ved relativt lave temperaturer. Teoretisk gør dette det muligt for et kraftværk, der bruger CLC, at nærme sig den ideelle arbejdsydelse for en forbrændingsmotor uden at udsætte komponenter for høje arbejdstemperaturer.

Termodynamik

Fig 3. Sankey-diagram over energistrømme i et reversibelt CLC-system.

Fig. 3 illustrerer energiudvekslingen i et CLC-system grafisk og viser et Sankey-diagram over energifluxene, der forekommer i en reversibel CLC-baseret motor. Ved studium af fig. 1 er en varmemotor indrettet til at modtage varme ved høje temperaturer fra den eksoterme oxidationsreaktion. Efter at have omdannet en del af denne energi til arbejde, afviser varmemotoren den resterende energi som varme. Næsten al denne varmeafvisning kan absorberes af den endotermiske reduktionsreaktion, der forekommer i reduceringsanordningen. Dette arrangement kræver, at redoxreaktionerne er henholdsvis exotermiske og endotermiske, men dette er normalt tilfældet for de fleste metaller. Der kræves en vis ekstra varmeudveksling med miljøet for at opfylde den anden lov ; teoretisk, for en reversibel proces, er varmevekslingen relateret til den standard tilstand entropiændring, AS o , af den primære carbonhydrid oxidationsreaktionen som følger:

Q o = T o ΔS o

Men for de fleste kulbrinter, AS o er en lille værdi, og som følge heraf en motor af høj samlet effektivitet er teoretisk muligt.

CO 2 -fangst

Selvom det er foreslået som et middel til at øge effektiviteten, er der i de senere år vist interesse for CLC som en kulstofopsamlingsteknik . Kulstofopsamling letter CLC, fordi de to redoxreaktioner genererer to iboende adskilte røggasstrømme: en strøm fra luftreaktoren, der består af atmosfærisk N
2og resterende O
2, men fornuftigt fri for CO
2; og en strøm fra brændstofreaktoren, der overvejende indeholder CO
2og H
2O med meget lidt fortyndingsstof. Luftreaktorens røggas kan udledes til atmosfæren og forårsage minimal CO
2forurening. Reduktionsudgangsgas indeholder næsten al CO
2genereret af systemet og CLC kan derfor siges at udvise 'iboende kulstofopsamling', da vanddamp let kan fjernes fra den anden røggas via kondens, hvilket fører til en strøm af næsten ren CO
2. Dette giver CLC klare fordele sammenlignet med konkurrerende kulstofopsamlingsteknologier, da sidstnævnte generelt indebærer en betydelig energibøde forbundet med enten skrubningssystemer efter forbrænding eller det krævede arbejdsinput til luftseparationsanlæg. Dette har ført til, at CLC er foreslået som en energieffektiv kulstofopsamlingsteknologi, der er i stand til at fange næsten al CO 2 , for eksempel fra et CDCL-anlæg (Coal Direct Chemical Looping). En kontinuerlig 200 timers demonstrationsresultater af en 25 kW th CDCL subpilotenhed angav næsten 100% kulkonvertering til CO 2 uden kuloverførsel til luftreaktoren .

Teknologisk udvikling

Den første drift af kemisk sløjfeforbrænding med gasformige brændstoffer blev demonstreret i 2003 og senere med faste brændstoffer i 2006. Den samlede operationelle erfaring i 34 piloter på 0,3 til 3 MW er mere end 9000 timer. Oxygenbærermaterialer, der anvendes i drift, inkluderer monometalliske oxider af nikkel, kobber, mangan og jern samt forskellige kombinerede oxider, herunder manganoxider. Kombineret med calcium, jern og silica. Også naturlige malme har været i brug, især til faste brændstoffer, herunder jernmalm, manganmalm og ilmenit.

Omkostnings- og energibøde

En detaljeret vurdering teknologi af kemisk-looping forbrænding af fast brændsel, dvs. kul, for en 1000 MW th kraftværk viser at de tilsatte CLC reaktoren omkostninger sammenlignet med en normal CFB-kedel er lille på grund af lighederne mellem de teknologier. De største omkostninger er i stedet CO 2 -komprimering, der kræves i alle CO 2 -fangsteknologier og iltproduktion. Molekylær iltproduktion kan også være nødvendig i visse CLC-konfigurationer til polering af produktgassen fra brændstofreaktoren. I alle de ekstra omkostninger blev anslået til 20 € / ton CO 2, mens energibøden var 4%.

Varianter og relaterede teknologier

En variant af CLC er Chemical-Looping Combustion with Oxygen Uncoupling (CLOU), hvor der anvendes en iltbærer, der frigiver gasfase-ilt i brændstofreaktoren, fx CuO / Cu
2O. Dette er nyttigt til opnåelse af høj gaskonvertering, og især når der anvendes faste brændstoffer, hvor langsom dampforgasning af kul kan undgås. CLOU-drift med faste brændstoffer viser høj ydeevne

Chemical Looping kan også bruges til at producere brint i kemiske-looping reforming (CLR) processer. I en konfiguration af CLR-processen produceres brint fra kul og / eller naturgas ved hjælp af en brændstofreaktor i bevægelsesleje integreret med en dampreaktor og en luftreaktor med fluidiseret leje. Denne konfiguration af CLR kan producere mere end 99% renhed H 2 uden behov for CO 2 separation.

Omfattende oversigter over området er givet i nylige anmeldelser af kemiske looping-teknologier.

Sammenfattende kan CLC opnå både en forøgelse af kraftværkseffektivitet samtidig med kulstofopsamling med lav energi. Udfordringer med CLC inkluderer drift af dobbelt fluidiseret leje (opretholdelse af bærerfluidisering mens man undgår knusning og slid) og opretholdelse af bærerstabilitet over mange cyklusser.

Se også

Referencer

eksterne links