№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.438:621.311.22
СЖИГАНИЕ И ГАЗИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ В ХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ -НОВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ СО2
© 2014 г. Г.А. РЯБОВ, Д.А. САНКИН, О.М. ФОЛОМЕЕВ
Всероссийский теплотехнический институт (ОАО "ВТИ"), г. Москва E-mail: georgy.ryabov@gmail.com; vti@vti.ru
Примерно треть глобальной антропогенной эмиссии диоксида углерода связана с централизованным производством энергии из органического топлива, поэтому методы снижения этой составляющей представляют большой интерес. Меры по повышению эффективности энергопроизводства и потребления, переход на сжигание газа вместо угля или мазута, разведение и восстановление лесов в краткосрочной перспективе являются основным способом снижения антропогенной эмиссии СО2. Кроме того, важным является повышение в общем балансе доли использования АЭС и возобновляемых энергоресурсов, однако сложности с обеспечением безопасности при производстве энергии на атомных станциях, отрицательное восприятие их общественностью и высокая стоимость производства энергии из возобновляемых энергоресурсов не дают основания полагать, что за счет этих мер в ближайшей перспективе может быть достигнуто сколько-нибудь заметное снижение эмиссии.
Ключевые слова: улавливание СО2, сжигание в химических циклах, опытная установка, гидродинамика, опускной стояк, работа системы возврата.
THE IMPLEMENTATION OF CIRCULATING FLUIDIZED BED TECHNOLOGY FOR CO2 CUPTURE. CHEMICAL LOOPING COMBUSTION AND GASIFICATION
G.A. Ryabov, D.S. Sankin, O.M. Folomeev
JSC "All-Russia Thermal Engineering Institute" (VTI), Moscow E-mail: georgy.ryabov@gmail.com vti@vti.ru
Chemical looping combustion (CLC) is a promising technique for the CO2 separation with small energy losses. In CLC, a metal oxide is used to transfer oxygen from metal oxides to the fuel and oxidizing metal by combustion air. The revive of different CLC modification (high temperature metal oxides combustion and gasification, calcium looping cycles, CLOU) was done in the paper. The hydrodynamics of interconnected reactor systems and loop seal (standpipe and non-mechanical valves) are very important to the optimization of full system. The presented data focus on the solids circulation rate, standpipe and loop seal behavior depending on selected operating parameters such as gas flow rate, loop seal fluidi-zation, and solids inventory. New experimental data on local solid flux (up and down) in the exit region of CFB riser were done. "Collection efficiency" of exit region of the riser are obtained for rectangular cross-section of this zone.
Key words: CO2 capture, Chemical looping, combustion, test rig, hydrodynamics, standpipe, loop seal behavior.
N3, 02, Н20
ТТ
Воздух
Топливо
Рис. 1. Схема процесса сжигания газообразного топлива в химическом цикле: 1 — окислительный (воздушный) реактор; 2 — циклон; 3 — восстановительный (топливный) реактор, пневмозатворы
со2, Н20
По оценкам международных экспертов реализации первичных мер (энергосбережение, повышение экономичности электростанций, переход на сжигание природного газа и т.п.) недостаточно для достижения целей Конвенции ООН об изменении климата — стабилизации атмосферной концентрации диоксида углерода на безопасном для человечества уровне. В связи с этим в последние несколько лет рядом международных организаций и крупнейших корпораций приняты программы исследований возможностей снижения эмиссии СО2 за счет более дорогостоящих мер, принятие которых рассчитано на средне- и долгосрочную перспективу, например, улавливание диоксида углерода из дымовых газов и его последующее захоронение (или утилизация). Технологический процесс секвестра углекислоты состоит из трех основных звеньев: улавливания, транспортировки и захоронения. При этом вопросы транспорта СО2 изучены довольно хорошо, в то время как улавливание — наиболее затратная часть процесса секвестра — и захоронение исследованы в значительно меньшей степени. Так как сложности с улавливанием СО2 в значительной степени связаны с его низкой концентрацией в дымовых газах, альтернативой при сжигании топлива может служить использование в качестве окислителя кислорода вместо воздуха и использование химических циклов.
Получение концентрированного потока углекислого газа может быть достигнуто с помощью так называемых химических циклов, концепция которых была запатентована в США в 1954 г. Суть ее сводится к такой организации процесса горения, когда переносчиком кислорода к топливу является не воздух, а оксид металла. Последний при взаимодействии с топливом в топливном реакторе восстанавливается до металла (или более низкого оксида) с образованием СО2 и водяного пара. После этого металл окисляется в воздушном реакторе, получившийся оксид вновь направляется в цикл. Выходящие из топливного реактора газы после конденсации водяного пара представляют собой практически чистый СО2, который может быть направлен на захоронение или утилизацию. В результате затрат энергии для сепарации СО2 от N не требуется, поэтому потери на собственные нужды такой системы крайне незначительны и состоят в основном из затрат на сжатие СО2.
В качестве примера на рис. 1 показана схема процесса сжигания газообразного топлива в химическом цикле. В воздушном реакторе (1) с циркулирующим кипящим слоем происходят реакции окисления металлов, а газовый поток, состоящий в основном из азота с небольшим количеством кислорода и паров воды, направляется в котел-утилизатор или газовую турбину (при работе системы под высоким давлением). Частицы оксидов металлов выносятся потоком в верхнюю часть воздушного реактора,
Качественное сравнение типичных оксидов металлов
Параметры
Ре20з/Рез04
Мп304/Мп0
СиО/Си
N»/N1
Реакционная способность
Стоимость
Здоровье и экология
Термодинамика
Реагирование с СН4 Температура плавления
^ уменьшение ^ уменьшение Не влияет Не влияет
Нет ограничений Нет ограничений
Эндотермическая Эндотермическая реакция реакция
Высокая Высокая
увеличение ^ увеличение ^ Не влияет Может влиять
отрицаткельно Нет ограничений Ограничена
степень конверсии 99,5%
Экзотермическая Эндотермическая
реакция реакция
Низкая (1085°С) Высокая
откуда попадают в циклон (2), затем поступают в топливный реактор (3), с пузырьковым кипящим слоем, ожижающим агентом которого является газообразное топливо. В этом реакторе частицы оксидов металлов восстанавливаются до металлов и поступают через пневматический затвор в воздушный реактор. Смесь газов, выходящая из топливного реактора, состоит из СО2 и водяного пара. Этот поток газов поступает в свой котел-утилизатор и направляется в конденсатор водяных паров, а осушенный СО2 поступает на захоронение. В общем случае реакция восстановления выглядит следующим образом:
(2п + т)М0 + СН4—(2п + т)М + тН20 + пС02. (1)
Далее металлы поступают в реактор (1) на рис. 1, где происходит их окисление с помощью воздуха (или смеси кислорода и азота с пониженным содержанием кислорода ~5%):
М + 1/202—М0. (2)
В настоящее время по данным [1] насчитывается более 600 работ по различным аспектам использования химических циклов. В ходе экспериментов установлено, что возможна почти полная конверсия топлива при 100% улавливании СО2. Многие работы направлены на исследование сжигания газа. Пока еще только на нескольких установках использовали твердые топлива [2]. Мировой эксплуатационный опыт сжигания топлив в химических циклах, включающих носители кислорода с основой на оксидах N1, Бе, Мп, Си и Со, насчитывает более 4000 ч. Основными вопросами при использовании химических циклов являются организация надежной и высокой степени циркуляции частиц (гидродинамика связанных между собой ректоров, сепарация частиц, работы систем возврата и пневмоза-творов) и выбор оптимальных оксидов металлов.
Реакции происходят при температурах 800—1200°С. Процесс в топливном реакторе может быть экзо- и эндотермичным, в зависимости от того, оксид какого металла выбран для проведения процесса. Реакция окисления металла в этом процессе всегда эк-зотермична. Суммарный тепловой эффект обеих реакций равен тепловому эффекту при обычном сжигании топлива в воздухе. Для повышения проницаемости и реакционной способности частиц этих оксидов из них составляют композиты с оксидами алюминия, титана или магния. Размер частиц композитов в различных опытах составлял от 100 до 250 мкм. Частицы не должны быть склонны к истиранию и агломерации при высоких температурах. Желательно, чтобы композиты оксидов были относительно дешевыми (как в виде исходных порошков, так и в производстве композитов с определенными свойствами и размерами).
Количество носителя зависит от его реакционной способности: высокой реакционной способности соответствуют меньшие размеры реакторов, количество материалов и
Рис. 2. Альтернативные схемы использования твердых топлив в химических циклах: а — сжигание синтезга-за; б — прямое сжигание (газификация)
CO, H,O
i
H,O
CO,
H, H,O
CO,
h,o CO,
. 'Носитель .кислорода
CO
Летучие
Уголь
O,
COJ Носитель
D Носитель
кислорода Уголь
О v^
кислорода
Сингаз H,O и/или CO, CO,
Syngas-CLC IG-CLC CLOU
(газ) (твердое топливо) (твердое топливо)
Рис. 3. Основные процессы в топливном реакторе для трех модификаций химических циклов [3]
меньшая стоимость установки. Важным фактором также является кислородная емкость носителя (количество кислорода, переносимое частицей материала носителя), которая зависит от типа используемого носителя и инертного материала. В таблице 1 приведено качественное сравнение типичных оксидов металлов — носителей кислорода.
В последнее время появился интерес к использованию естественных дешевых минералов — ильменита и железомарганцевых минералов. Это прежде всего относится к сжиганию твердых топлив. Для природного газа наиболее эффективными считаются композиты на основе оксидов никеля, железа и алюминия.
При организации химических циклов с твердыми топливами возникает ряд вопросов, которые в настоящее время активно исследуются. Если предварительно производится газификация твердого топлив
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.