تشغيل 25 كيلوواطth الكالسيوم حلقات الطيار-مصنع مع تركيزات الأكسجين المرتفعة في كالسينير
Summary
ويصف هذه المخطوطة إجراء للتشغيل كالسيوم حلقات الوحدات التجريبية لعزل ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق مع تركيزات الأكسجين المرتفعة في كالسينير من أجل الحد من أو القضاء على إعادة تدوير غاز المداخن.
Abstract
الكالسيوم حلقات (CaL) هو ما بعد احتراق CO2 التقاط تقنية مناسبة لتجهيز محطات الطاقة القائمة. عملية CaL يستخدم الحجر الجيري رخيصة ومتاحة بسهولة CO2 ماصة. في حين درست هذه التكنولوجيا على نطاق واسع، وهناك عدد قليل من الخيارات المتاحة التي يمكن تطبيقها لجعلها قابلة للتطبيق من الناحية الاقتصادية. واحد من هذه زيادة تركيز الأكسجين في كالسينير الحد من أو القضاء على كمية الغاز المعاد تدويرها (CO2، ح2س والشوائب)؛ ولذلك، خفض أو إزالة الطاقة اللازمة لتسخين تيار الغاز المعاد تدويرها. وعلاوة على ذلك، هناك إلى زيادة مدخلات الطاقة بسبب التغير في كثافة الاحتراق؛ يتم استخدام هذه الطاقة لتمكين رد فعل الإحراق ماص للحرارة أن تحدث في حالة عدم وجود غازات المداخن المعاد تدويرها. وتعرض هذه الورقة بالعملية والنتائج الأولى لمصنع تجريبي CaL مع احتراق الأكسجين 100% من الغاز الطبيعي في كالسينير. وكان الغاز القادمة إلى carbonator غاز المداخن محاكاة من الفحم لتوليد الطاقة أو صناعة الأسمنت. يتم اختبار عدة توزيع حجم الجسيمات الحجر الجيري أيضا لمواصلة استكشاف أثر هذه المعلمة على الأداء العام لهذا وضع التشغيل. تكوين النظام المفاعل، وإجراءات التشغيل، والنتائج موصوفة بالتفصيل في هذه الورقة. وأظهرت المفاعل الاستقرار الهيدروديناميكي جيدة ومستقرة التقاط2 CO، مع الكفاءة التقاط يصل إلى 70% مع خليط غاز محاكاة غازات المداخن من محطة لتوليد الكهرباء بالفحم.
Introduction
انبعاثات أول أكسيد الكربون2 والاحترار العالمي الناجم عن ذلك بالقضايا البيئية الحرجة التي اجتذبت قدرا كبيرا من البحوث في السنوات الماضية. واعترفت احتجاز الكربون وتخزينه (قانون الأحوال المدنية) كتكنولوجيا محتملة للحد من انبعاثات أول أكسيد الكربون2 إلى الغلاف الجوي1،2. الجزء الأكثر تحديا في سلسلة احتجاز ثاني أكسيد الكربون هو القبض على2من أول أكسيد الكربون، وهو أيضا الأكثر كلفة المرحلة3. ونتيجة لذلك، كان هناك تركيز على تطوير تكنولوجيات جديدة لالتقاط2 أول أكسيد الكربون من محطات توليد الطاقة وغيرها من المرافق الصناعية.
كال كتكنولوجيا التقاط2 أول أكسيد الكربون بعد احتراق، وكان أول من اقترح شيميزو et al. 4 CO2 يتم التقاطها بواسطة المستندة إلى تساو مسيل في 600-700 درجة مئوية في مفاعل يسمى carbonator، وصدر عن تكليس اللاحقة في 850-950 درجة مئوية (في كالسينير) حسب، مكافئ. (1)لإنتاج تيار2 CO عالية نقاء مناسبة لعزل5،6. دورة CaL يستخدم قاعدة سريراً، الذي تمثل تكوين أمثل لهذه العملية، إذ أنها تسمح لكميات كبيرة من المواد الصلبة تعمم بسهولة من مفاعل واحد إلى أخرى4،،من56 , 7 , 8.
تساو (s) + CO2 (ز) ⇔ كربونات الكالسيوم3 (s) ΔH25 درجة مئوية =-178.2 كيلوجول/مول (1)
وقد ثبت هذا المفهوم على نطاق تجريبي بمختلف الفئات ومع تكوينات مختلفة والمقاييس، مثل الطيار ميغاواطال 0.2 في شتوتغارت، الطيار ميغاواطال 1 في دارمشتات، الطيار ميغاواطال 1.7 في لوس أنجليس Pereda ووحدة ميغاواطال 1.9 في تايوان10،9،11،13،،من1214،،من1516. على الرغم من أن هذه العملية قد ثبت، لا تزال هناك إمكانيات لزيادة كفاءتها الحرارية، كما هو الحال بتعديل شروط التشغيل القياسية وإجراء تغييرات في تصميم مفاعل التكوين.
ودرست استخدام أنابيب الحرارة بين combustor و calciner بدلاً من الوقود أوكسي combusting في كالسينير. نتائج أداء التقاط2 CO قابلة للمقارنة مع تلك التقليدية كال الطيار-مصنع غير أن هذه العملية قد أعلى مصنع الكفاءات والأبطال2 CO انخفاض تكلفتها17. مارتينيز وآخرون 18 التحقيق إمكانيات التكامل الحرارة بغية تسخين المواد الصلبة التي تدخل في كالسينير وخفض الحرارة اللازمة في كالسينير. وأظهرت النتائج الحد من نسبة 9 في المائة في استهلاك الفحم بالمقارنة مع تلك الحالة القياسية. كما نظرت الأخرى دراسة إمكانيات الإدماج الحرارة خيارات التكامل الداخلي والخارجي19.
واحدة من المشاكل الرئيسية لدورة كال من وجهة نظر اقتصادية توفير الطاقة اللازمة في كالسينير واسطة احتراق الوقود20. زيادة تركيز الأكسجين في مدخل كالسينير المقترح بغية خفض أو حتى تجنب الحاجة إلى سلة2 CO كالسينير. وهذا البديل يقلل من التكاليف الرأسمالية (تخفيض حجم وحدات فصل calciner والهواء (جامعة ولاية أريزونا))، التي يمكن أن تحسن إلى حد كبير القدرة التنافسية لهذه العملية. تغيير جذري في ظروف الاحتراق لا يمكن تحقيقه باستغلال رد فعل الإحراق ماص للحرارة وتدفق3 /كربونات الكالسيوم تساو الكبيرة المتداولة من carbonator تعمل في درجات حرارة منخفضة (ميزة لا تتوفر مع تكنولوجيا الاحتراق أوكسي).
ويهدف هذا العمل وضع إجراءات تشغيل موحدة لتشغيل مصنع تجريبي كال مع carbonator تعميم قاعدة سرير (CFB) و calciner محتدما قاعدة سرير (BFB) مع تركيز 100% O2 في المدخل كالسينير. تم تشغيلها عدة حملات التجريبية أثناء التكليف بالمصنّع التجريبي لضمان التشغيل السليم الأكسجين تركيز زيادة. أيضا، درست ثلاثة الحجر الجيري حجم توزيعات الجسيمات (100-200 ميكرومتر؛ µm 200-300 300-400 ميكرون) التحقيق في كيف تؤثر هذه المعلمة على الوترييشن الجسيمات والتقاط الكفاءة في وضع التشغيل هذه.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشغيل كالسينير مع مدخل أكسجين المجلد 100% قابلة للتحقيق، استناداً إلى استغلال ماص للحرارة طبيعة رد فعل الإحراق، فضلا عن حقيقة أن تعميم المواد الصلبة بين المفاعلين في درجات حرارة مختلفة. ويهدف هذا وضع التشغيل لجعل عملية كال أكثر اقتصاديا واعداً بخفض رأس المال وتكاليف التشغيل. كما سلة المحذو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
البحوث المؤدية إلى هذه النتائج وتلقى التمويل من “صندوق الأبحاث” التابع للجماعة الأوروبية للفحم والصلب (RFCS) في إطار منح اتفاق جوان رفكر-CT-2014-00007. تم تمويل هذا العمل من “المملكة المتحدة التقاط الكربون” ومركز بحوث التخزين (أوكككسرك) كجزء من مشاريع الاتصال 2. أوكككسرك معتمد من قبل بالهندسة ومجلس بحوث العلوم الفيزيائية (EPSRC) كجزء من “برنامج المملكة المتحدة مجلس بحوث الطاقة”، مع تمويل إضافي من إدارة الأعمال التجارية، والطاقة والاستراتيجية الصناعية (سريرخفيف-ديكك سابقا). الكتاب أيضا يود أن يشكر السيد مارتن روسكيلي لمساعدة هائلة له طوال فترة هذا العمل.
Materials
| Longcal limestone | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Mechanical Shacker | SWECO | LS24S544+C | Mechanical siever to separate particles |
| Oxygen | BOC | n/a | BOC cylinders |
| Nitrogen | BOC | n/a | BOC tank |
| Carbon dioxide | BOC | n/a | BOC tank |
| Natural gas | n/a | n/a | Taken from the line |
References
- Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
- Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
- Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
- Shimizu, T., Hirama, T., Hosoda, H., Kitano, K., Inagaki, M., Tejima, K. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustion processes. Chemical Engineering Research and Design. 77 (1), 62-68 (1999).
- Blamey, J., Anthony, E. J., Wang, J., Fennell, P. S. The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture. Progress in Energy and Combustion Science. 36 (2), 260-279 (2010).
- Masnadi, M. S., Grace, J. R., Bi, X. T., Ellis, N., Lim, C. J., Butler, J. W. Biomass/coal steam co-gasification integrated with in-situ CO2 capture. Energy. 83, 326-336 (2015).
- Abanades, J. C., Anthony, E. J., Lu, D. Y., Salvador, C., Alvarez, D. Capture of CO2 from combustion gases in a fluidized bed of CaO. AIChE Journal. 50 (7), 1614-1622 (2004).
- Hughes, R. W., Lu, D. Y., Anthony, E. J., Macchi, A. Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustion system for in situ CO2 capture using high-temperature sorbents. Fuel Processing Technology. 86 (14), 1523-1531 (2005).
- Lu, D. Y., Hughes, R. W., Anthony, E. J. Ca-based sorbent looping combustion for CO2 capture in pilot-scale dual fluidized beds. Fuel Processing Technology. 89 (12), 1386-1395 (2008).
- Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
- Sánchez-Biezma, A., et al. Postcombustion CO2 capture with CaO. Status of the technology and next steps towards large scale demonstration. Energy Procedia. 4, 852-859 (2011).
- Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration. Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).
- Arias, B., et al. Demonstration of steady state CO2 capture in a 1.7 MWth calcium looping pilot. International Journal of Greenhouse Gas Control. 18, 237-245 (2013).
- Ströhle, J., Junk, M., Kremer, J., Galloy, A., Epple, B. Carbonate looping experiments in a 1MWth pilot plant and model validation. Fuel. 127, 13-22 (2014).
- Bidwe, A. R., Hawthorne, C., Dieter, H., Dominguez, M. A., Zieba, M., Scheffknecht, G. Cold model hydrodynamic studies of a 200kWth dual fluidized bed pilot plant of calcium looping process for CO2 Capture. Powder Technology. 253, 116-128 (2014).
- Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
- Reitz, M., Junk, M., Ströhle, J., Epple, B. Design and operation of a 300kWth indirectly heated carbonate looping pilot plant. International Journal of Greenhouse Gas Control. 54, 272-281 (2016).
- Martínez, A., Lara, Y., Lisbona, P., Romeo, L. M. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control. 7, 74-81 (2012).
- Perejón, A., Romeo, L. M., Lara, Y., Lisbona, P., Martínez, A., Valverde, J. M. The calcium-looping technology for CO2 capture: on the important roles of energy integration and sorbent behavior. Appl Energy. 162, 787-807 (2016).
- Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
- . . ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), C1271-C1299 (2012).
- . . ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , C25-C11 (2011).
- Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas. Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).
- Manovic, V., Anthony, E. J. Parametric study on the CO2 capture capacity of CaO-based sorbents in looping cycles. Energy Fuels. 22 (3), 1851-1857 (2008).
- Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis. Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).
- Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
- Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).
