Kemiallinen silmukkapoltto - Chemical looping combustion

Kuva 1. Kaavio CLC-reaktorijärjestelmästä
Kuva 2. (Vasen) Kaksoisleijukerrosrakenne, Darmstadtin kemiallisen silmukan polttolaitoslaitos ja (Oikea) toisiinsa kytketty liikkuvan kerroksen leijukerrosrakenne, Ohio State University Coal Direct Chemical Looping -testauslaitos

Kemiallinen silmukoiminen palaminen ( CLC ) on tekninen prosessi tyypillisesti käytetään kahden leijukerroksen järjestelmä. CLC: tä, jota käytetään yhdessä toisiinsa yhdistetyn leijupetijärjestelmän kanssa, on myös käytetty tekniikan prosessina. CLC: ssä metallioksidia käytetään kerrosmateriaalina, joka tuottaa happea polttopolttoaineen reaktorissa . Pelkistetty metalli siirretään sitten toiseen kerrokseen ( ilmareaktori ) ja hapetetaan uudelleen, ennen kuin se palautetaan takaisin polttoainereaktoriin silmukan loppuun saattamiseksi. Kuvassa 1 on yksinkertaistettu kaavio CLC-prosessista. Kuvio 2 esittää esimerkkiä kaksoisleijupetikiertoisesta reaktorijärjestelmästä ja liikkuvasta leijukerrosleijukerrosreaktorijärjestelmästä.

Eristäminen polttoaineen ilma yksinkertaistaa määrä kemiallisia reaktioita on palamisen . Käytetään happea ilman typpi ja jäljittää kaasuja ilmasta löytyvään eliminoi ensisijainen lähde muodostumista typpioksidin ( NO
x
) tuottaa pääasiassa hiilidioksidista ja vesihöyrystä koostuvaa savukaasua ; muut pienet epäpuhtaudet riippuvat valitusta polttoaineesta .

Kuvaus

Kemiallinen silmukkapoltto (CLC) käyttää kahta tai useampaa reaktiota hiilivetypohjaisten polttoaineiden hapettamiseen. Yksinkertaisimmassa muodossaan happea kantavat lajit (yleensä metalli) hapetetaan ensin ilmassa muodostaen oksidin. Tämä oksidi pelkistetään sitten käyttämällä hiilivetyä pelkistimenä toisessa reaktiossa. Esimerkiksi rautapohjainen järjestelmä, joka polttaa puhdasta hiiltä, ​​käsittäisi kaksi redox- reaktiota:

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

 

 

 

 

( 1 )

Fe
3
O
4
(t) + O 2 (g) → Fe
2
O
3
s

 

 

 

 

( 2 )

Jos ( 1 ) ja ( 2 ) lisätään yhteen, reaktiojoukko pelkistyy suoraksi hiilihapetukseksi eli:

C (s) + O
2
(g) → CO
2
(g)

 

 

 

 

( 3 )

CLC: tä tutkittiin ensin keinona tuottaa CO: ta
2
fossiilisista polttoaineista käyttämällä kahta toisiinsa yhdistettyä leijupetiä. Myöhemmin sitä ehdotettiin järjestelmäksi voimalan tehokkuuden lisäämiseksi. Tehokkuuden kasvu on mahdollista kahden redoksireaktion parannetun palautuvuuden ansiosta; perinteisessä yksivaiheisessa polttamisessa polttoaineen energian vapautuminen tapahtuu erittäin peruuttamattomasti - poiketen huomattavasti tasapainosta. CLC: ssä, jos sopiva happikantaja valitaan, molemmat redox-reaktiot voidaan saada tapahtumaan melkein palautuvasti ja suhteellisen matalissa lämpötiloissa. Teoriassa tämä antaa CLC: tä käyttävälle voimalaitokselle mahdollisuuden lähestyä polttomoottorin ihanteellista työtulosta altistamatta komponentteja liiallisille käyttölämpötiloille.

Termodynamiikka

Kuva 3. Sankey-kaavio palautuvassa CLC-järjestelmässä olevista energiavirroista.

Kuvio 3 havainnollistaa energianvaihtoa CLC-järjestelmässä graafisesti ja esittää Sankey-kaavion palautuvassa CLC-pohjaisessa moottorissa esiintyvistä energiavuoista. Kuviota 1 tarkasteltaessa lämpömoottori on järjestetty vastaanottamaan lämpöä korkeissa lämpötiloissa eksotermisestä hapetusreaktiosta. Muutettuaan osan tästä energiasta työhön lämpömoottori hylkää jäljellä olevan energian lämpönä. Melkein kaikki tämä lämmön hylkääminen voidaan absorboida pelkistimessä tapahtuvalla endotermisellä pelkistysreaktiolla. Tämä järjestely edellyttää, että redoksireaktiot ovat vastaavasti eksotermisiä ja endotermisiä, mutta tämä on normaalisti useimpien metallien tapauksessa. Toisen lain täyttämiseksi tarvitaan jonkin verran ylimääräistä lämmönvaihtoa ympäristön kanssa . teoreettisesti palautuvassa prosessissa lämmönvaihto liittyy primaarisen hiilivetyjen hapetusreaktion vakiotilan entropian muutokseen ΔS o seuraavasti:

Q o = T o ΔS o

Kuitenkin useimmat hiilivedyt, AS o on pieni arvo ja tämän seurauksena, moottorin korkea kokonaishyötysuhde on teoreettisesti mahdollista.

CO 2 -sieppaus

Vaikka sitä ehdotetaan keinoksi lisätä tehokkuutta, viime vuosina kiinnostus CLC: tä kohtaan on osoittanut hiilidioksidin talteenottotekniikkaa . Hiilidioksidin talteenottoa helpottaa CLC, koska kaksi redoksireaktiota tuottavat kaksi sisäisesti erotettua savukaasuvirtaa: ilmareaktorista tulevan virran, joka koostuu ilmakehän N
2
ja jäännös O
2
, mutta järkevästi vapaa CO: sta
2
; ja virta polttoainereaktorista, joka sisältää pääasiassa CO: ta
2
ja H
2
O,
jossa on hyvin vähän laimenninta typpeä. Ilmareaktorin savukaasu voidaan päästää ilmakehään aiheuttaen minimaalista CO-pitoisuutta
2
saastuminen. Pelkistimen poistokaasu sisältää melkein kaiken CO: n
2
Siksi järjestelmän ja CLC: n tuottamien voidaan sanoa osoittavan "luonnostaan ​​hiilen sieppauksen", koska vesihöyry voidaan helposti poistaa toisesta savukaasusta kondensaation avulla, mikä johtaa melkein puhtaan CO- virtaan
2
. Tämä antaa CLC: lle selviä etuja verrattuna kilpaileviin hiilidioksidin talteenottotekniikoihin, koska niihin liittyy yleensä merkittävä energiarangaistus, joka liittyy joko polttamisen jälkeisiin pesupalveluihin tai ilmanerotuslaitoksiin vaadittavaan työpanokseen. Tämä on johtanut siihen, että CLC: tä ehdotetaan energiatehokkaaksi hiilidioksidin talteenottotekniikaksi, joka kykenee sieppaamaan lähes kaiken CO 2 : n esimerkiksi Coal Direct Chemical Looping (CDCL) -laitokselta. 25 kW : n CDCL-aliohjausyksikön 200 tunnin jatkuvat esittelytulokset osoittivat lähes 100-prosenttisen hiilen muuttumisen CO 2 : ksi ilman hiilen siirtymistä ilmareaktoriin.

Teknologian kehitys

Kemiallisten silmukoiden polttaminen kaasumaisilla polttoaineilla osoitettiin ensimmäisen kerran vuonna 2003 ja myöhemmin kiinteiden polttoaineiden kanssa vuonna 2006. Kokonaiskäyttö kokemus 34 lentäjässä (0,3–3 MW) on yli 9000 h. Toiminnassa käytettyjä hapenkantaja-aineita ovat nikkelin, kuparin, mangaanin ja raudan monometallioksidit sekä erilaiset yhdistetyt oksidit, mukaan lukien mangaanioksidit. Yhdistetty kalsiumiin, rautaan ja piidioksidiin. Myös luonnollisia malmeja on käytetty erityisesti kiinteiden polttoaineiden, kuten rautamalmien, mangaanimalmien ja ilmeniitin, osalta.

Kustannukset ja energiasakko

Yksityiskohtainen tekniikan arviointi kiinteän polttoaineen eli hiilen kemiallisesta polttamisesta 1000 MW : n voimalaitokselle osoittaa, että lisätyt CLC-reaktorikustannukset verrattuna normaaliin kiertoleijukattilaan ovat pieniä tekniikoiden samankaltaisuuden vuoksi. Suuret kustannukset ovat sen sijaan CO 2 puristus, tarvitaan kaikki CO 2 talteenottoteknologioiden, ja hapen tuotanto. Molekyylihapen tuotantoa voidaan tarvita myös tietyissä CLC-konfiguraatioissa polttoreaktorin tuotekaasun kiillottamiseksi. Kaikissa lisäkustannuksia arvioitiin 20 € / tonni CO 2 , kun taas energian rangaistus oli 4%.

Vaihtoehdot ja niihin liittyvät tekniikat

CLC: n muunnos on kemiallinen silmukkapoltto hapen irrotuksella (CLOU), jossa käytetään happea kantajaa, joka vapauttaa kaasufaasihappea polttoainereaktorissa, esim. CuO / Cu
2
Tämä on hyödyllistä korkean kaasumuunnoksen saavuttamiseksi ja erityisesti kiinteitä polttoaineita käytettäessä, jolloin hiilen hidas höyrykaasutus voidaan välttää. CLOU-käyttö kiinteillä polttoaineilla osoittaa korkean suorituskyvyn

Kemiallista silmukointia voidaan käyttää myös vedyn tuottamiseen kemiallisen silmukan uudistamisprosesseissa (CLR). Yhdessä CLR-prosessin kokoonpanossa vety tuotetaan hiilestä ja / tai maakaasusta käyttämällä höyryreaktoriin integroitua liikkuvan kerroksen polttoainereaktoria ja leijupetireaktoria. Tämä konfiguraatio CLR voi tuottaa yli 99%: n puhtaudella H 2 ilman CO 2 erottaminen.

Kattavat yleiskatsaukset alasta annetaan viimeaikaisissa katsauksissa kemiallisesta silmukointitekniikasta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että CLC voi saavuttaa sekä voimalaitoksen tehokkuuden kasvun samanaikaisesti matalan energian rangaistushiilen talteenoton kanssa. CLC: n haasteisiin kuuluu kaksoisleijukerroksen käyttö (kantajan leijumisen ylläpitäminen välttäen samalla murskaamista ja kulumista) ja kantajan vakauden ylläpitäminen monien syklien ajan.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit