Kimyasal döngü yanması - Chemical looping combustion

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Şekil 1. CLC reaktör sisteminin şeması
Şekil 2. (Sol) Çift akışkan yatak tasarımı, Darmstadt kimyasal döngülü yanma pilot tesisi ve (Sağ) birbirine bağlı hareketli yataklı akışkan yatak tasarımı, Ohio Eyalet Üniversitesi Coal Direct Chemical Looping pilot tesisi

Kimyasal döngü yanması ( CLC ), tipik olarak bir çift akışkan yatak sistemi kullanan teknolojik bir süreçtir . Akışkan yatak sistemi ile birbirine bağlı hareketli yatakla çalıştırılan CLC de bir teknoloji süreci olarak kullanılmıştır. CLC'de, yakıt reaktöründe yanma için oksijen sağlayan bir yatak malzemesi olarak bir metal oksit kullanılır . İndirgenen metal daha sonra ikinci yatağa ( hava reaktörü ) aktarılır ve döngüyü tamamlayan yakıt reaktörüne geri verilmeden önce yeniden oksitlenir. Şekil 1, CLC işleminin basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir. Şekil 2, bir çift akışkan yataklı sirkülasyon reaktör sistemi ve hareketli yataklı akışkan yataklı bir sirkülasyon reaktör sistemi örneğini göstermektedir.

Yakıtın izolasyonu hava sayısını kolaylaştıran kimyasal reaksiyonlar içinde yanma . İstihdam oksijen olmadan azot havada bulunan ve eser gazı oluşumu için birincil kaynağı da ortadan kaldırmaktadır , azot oksit ( NO
x
), esas olarak karbondioksit ve su buharından oluşan bir baca gazı üretir ; diğer eser kirleticiler seçilen yakıta bağlıdır .

Açıklama

Kimyasal döngü yanması (CLC), hidrokarbon bazlı yakıtların oksidasyonunu gerçekleştirmek için iki veya daha fazla reaksiyon kullanır. En basit haliyle, oksijen taşıyan bir tür (normalde bir metal) ilk olarak havada oksitlenerek bir oksit oluşturur. Bu oksit daha sonra ikinci bir reaksiyonda indirgeyici olarak bir hidrokarbon kullanılarak indirgenir. Örnek olarak, saf karbon yakan demir bazlı bir sistem iki redoks reaksiyonunu içerir:

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

 

 

 

 

( 1 )

Fe
3
Ö
4
(s) + O 2 (g) → Fe
2
Ö
3
(s)

 

 

 

 

( 2 )

( 1 ) ve ( 2 ) birlikte eklenirse, reaksiyon seti düz karbon oksidasyonuna, yani:

C (ler) + O
2
(g) → CO
2
(g)

 

 

 

 

( 3 )

CLC ilk olarak CO üretmenin bir yolu olarak çalışıldı
2
fosil yakıtlardan, birbirine bağlı iki akışkan yatak kullanarak. Daha sonra santral verimliliğini artırmak için bir sistem olarak önerildi. Verimlilikteki kazanç, iki redoks reaksiyonunun geliştirilmiş tersinirliği nedeniyle mümkündür; geleneksel tek aşamalı yanmada, bir yakıtın enerjisinin salınımı oldukça geri döndürülemez bir şekilde gerçekleşir - önemli ölçüde dengeden ayrılır. CLC'de, uygun bir oksijen taşıyıcı seçilirse, her iki redoks reaksiyonunun neredeyse tersine çevrilebilir şekilde ve nispeten düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesi sağlanabilir. Teorik olarak, bu, CLC kullanan bir güç istasyonunun, bileşenleri aşırı çalışma sıcaklıklarına maruz bırakmadan içten yanmalı bir motor için ideal iş çıktısına yaklaşmasına izin verir.

Termodinamik

Şekil 3. Tersinir bir CLC sistemindeki enerji akışlarının Sankey diyagramı.

Şekil 3, bir CLC sistemindeki enerji değişimlerini grafik olarak gösterir ve tersine çevrilebilir CLC tabanlı bir motorda meydana gelen enerji akışlarının bir Sankey diyagramını gösterir . Şekil 1 incelendiğinde, bir ısı motoru , ekzotermik oksidasyon reaksiyonundan yüksek sıcaklıklarda ısı alacak şekilde düzenlenmiştir . Bu enerjinin bir kısmını işe dönüştürdükten sonra, ısı motoru kalan enerjiyi ısı olarak reddeder. Bu ısı reddinin hemen hemen tamamı , redüktörde meydana gelen endotermik indirgeme reaksiyonu tarafından emilebilir . Bu düzenleme, redoks reaksiyonlarının sırasıyla ekzotermik ve endotermik olmasını gerektirir, ancak bu normalde çoğu metal için geçerlidir. İkinci yasayı yerine getirmek için çevre ile bir miktar ek ısı alışverişi gereklidir ; Teorik olarak, tersine çevrilebilir bir işlem için, ısı değişim standart devlet entropi değişimi, ΔS ile ilgilidir o aşağıdaki gibi birincil bir hidrokarbon oksidasyon reaksiyonunun:

S o = T o ΔS o

Bununla birlikte, çoğu hidrokarbonlar, ΔS o sonucu, yüksek genel verimliliği bir motor teorik olarak mümkündür, küçük bir değerdir ve.

CO 2 yakalama

Verimliliği artırmanın bir yolu olarak önerilmesine rağmen, son yıllarda bir karbon yakalama tekniği olarak CLC'ye ilgi gösterilmiştir . Karbon tutulması CLC ile kolaylaştırılır çünkü iki redoks reaksiyonu, kendinden ayrı iki baca gazı akışı oluşturur: atmosferik N'den oluşan hava reaktöründen bir akım
2
ve artık O
2
, ancak makul ölçüde
CO içermez
2
; ve ağırlıklı olarak
CO içeren yakıt reaktöründen bir akım
2
ve H
2
O
çok az seyreltici nitrojen ile. Hava reaktörü baca gazı atmosfere deşarj edilerek minimum CO
2
kirlilik. Redüktör çıkış gazı hemen hemen tüm CO
2
Bu nedenle sistem ve CLC tarafından üretilen su buharı, ikinci baca gazından yoğuşma yoluyla kolayca çıkarılabildiğinden ve neredeyse saf bir
CO akışına yol açtığından 'doğal karbon tutma' sergilediği söylenebilir.
2
. Bu, rakip karbon yakalama teknolojileriyle karşılaştırıldığında CLC'ye açık avantajlar sağlar, çünkü ikincisi genellikle yanma sonrası yıkama sistemleri veya hava ayırma tesisleri için gerekli iş girdisi ile ilişkili önemli bir enerji cezası içerir. Bu, CLC'nin , örneğin bir Coal Direct Chemical Looping (CDCL) tesisinden CO 2'nin neredeyse tamamını yakalayabilen, enerji verimli bir karbon yakalama teknolojisi olarak önerilmesine yol açtı . 25 kW sürekli bir 200 saatlik gösteri sonuçları inci CDCh alt pilot ünitede CO yaklaşık% 100 kömür dönüşümü gösterdi 2 hava reaktöre herhangi bir karbon taşınması ile.

Teknoloji gelişimi

Gazlı yakıtlarla kimyasal döngü yakmanın ilk operasyonu 2003 yılında ve daha sonra 2006 yılında katı yakıtlarla gösterilmiştir. 34 pilotta 0.3 ila 3 MW'lık toplam operasyonel deneyim 9000 saatten fazladır. Operasyonda kullanılan oksijen taşıyıcı malzemeler arasında, monometalik nikel oksitleri, bakır, manganez ve demirin yanı sıra kalsiyum, demir ve silika ile birleşmiş manganez oksitler de dahil olmak üzere çeşitli kombine oksitler bulunur. Ayrıca demir cevherleri, manganez cevherleri ve ilmenit dahil olmak üzere, özellikle katı yakıtlar için doğal cevherler de kullanılmaktadır.

Maliyet ve enerji cezası

1000 MW kimyasal loop katı yakıtın yanması, örneğin, kömür ayrıntılı bir teknoloji değerlendirmesi, inci normal dönüşümlü bir akışkan yataklı kazan kıyasla ilave CLC reaktör maliyetleri nedeniyle teknolojilerin benzerlikler, küçük güç tesisi göstermektedir. Bunun yerine başlıca maliyetler, tüm CO 2 yakalama teknolojilerinde gerekli olan CO 2 sıkıştırması ve oksijen üretimidir. Yakıt reaktöründen ürün gazının parlatılması için belirli CLC konfigürasyonunda moleküler oksijen üretimi de gerekli olabilir. Tüm ilave maliyetler 20 olarak tahmin edilmiştir olarak € / CO ton 2 enerji cezası ise% 4'tür.

Varyantlar ve ilgili teknolojiler

CLC'nin bir varyantı, yakıt reaktöründe gaz fazındaki oksijeni serbest bırakan bir oksijen taşıyıcısının kullanıldığı Oksijen Ayrıştırmalı Kimyasal Döngü Yakmadır (CLOU), örneğin CuO / Cu
2
O. Bu, yüksek gaz dönüşümü elde etmek için ve özellikle kömürün yavaş buharla gazlaştırılmasının önlenebileceği katı yakıtlar kullanıldığında faydalıdır. Katı yakıtlarla CLOU çalışması yüksek performans gösterir

Kimyasal Döngü, Kimyasal Döngü Reformu (CLR) süreçlerinde hidrojen üretmek için de kullanılabilir . CLR işleminin bir konfigürasyonunda, hidrojen, bir buhar reaktörü ve akışkan yataklı bir hava reaktörü ile entegre edilmiş hareketli yataklı bir yakıt reaktörü kullanılarak kömür ve / veya doğal gazdan üretilir. CLR Bu yapılandırma% 99'dan daha fazla saflıkta H üretebilir 2 CO gerek kalmadan 2 ayrılması.

Alanla ilgili kapsamlı genel bakışlar, kimyasal döngü teknolojileri üzerine yapılan son incelemelerde verilmiştir.

Özetle, CLC, düşük enerji cezası gerektiren karbon yakalama ile aynı anda hem güç istasyonu verimliliğinde bir artış sağlayabilir. CLC ile ilgili zorluklar arasında, ikili akışkanlaştırılmış yatağın çalıştırılması (ezilme ve aşınmadan kaçınırken taşıyıcı akışkanlaşmasının sürdürülmesi) ve birçok döngü boyunca taşıyıcı stabilitesinin korunması yer alır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar