Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

تشغيل 25 كيلوواطth الكالسيوم حلقات الطيار-مصنع مع تركيزات الأكسجين المرتفعة في كالسينير

Published: October 25, 2017 doi: 10.3791/56112
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Combustion and CCS Centre, Cranfield University

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-"إعداد مواد"

  1. غربال الحجر الجيري (~ 50 كغم من المواد الخام) لتوزيع حجم الجسيمات المطلوب (300-400 ميكرون أو توزيع آخر اعتماداً على التجربة) استخدام شاكر ميكانيكية. وضع المواد ينخل في الأواني المجاور calciner للتغذية خلال test.
  2. إعداد المواد على دفعات إلى الأخذ في المفاعل. الدفعات بشكل عام ل 0.5 أو 1 لتر (1 لتر من الحجر الجيري حوالي 1.5 كجم)، ولكن هذا يمكن أن تختلف تبعاً لمعايير التشغيل.

2. بدء تشغيل الإجراء

تنبيه: تحقيق درجات عالية للغاية هنا. معدات الوقاية الشخصية المناسبة مثل قفازات، نظارات، أحذية معطف وسلامة المختبرات مطلوبة.

  1. الحرارة إلى أعلى مفاعلات
    1. بدء انخفاض تدفق ن 2 في carbonator (60 لتر في الدقيقة) و calciner (20 لتر في الدقيقة) فضلا عن الحلقة الأختام (10 لتر في الدقيقة) في روتاميتيرس-
    2. تشغيل المحولات carbonator يدوياً. تعيين درجة حرارة جميع بريهيتيرس الكهربائية carbonator في 600 درجة مئوية.
    3. بدء الحصول على بيانات (لدرجات حرارة الغاز والضغوط، استخدم زر التسجيل في البرنامج). وتشمل البيانات درجات الحرارة والضغوط وتكوين الغاز من كلا المفاعلات. ويرد في الشكل 1 و الشكل 2، لقطات من نظام الاستحواذ على البيانات.
    4. بدوره على كالسينير الغاز بريهيتيرس. قم بتشغيل السخان حول كالسينير إلى 600 درجة مئوية مقاسة داخل BFB عبر الحرارية.
      ملاحظة: البيانات مثل تكوين درجة الحرارة والضغط والغاز الفعل المحتازة كما ذكر في الخطوة 2.1.3.
    5. موضع ل 3 من الحجر الجيري ينخل BFB في كالسينير. أولاً فتح صمام أعلى وإدخال هذه المواد في الأسفل الأنبوب وإغلاق صمام أعلى، ثم فتح صمام السفلي حيث أن المواد التي تتدفق إلى المفاعل.
    6. تسخين مادة BFB إلى أعلاه 650 درجة مئوية (بواسطة سخان كهربائي حول كالسينير)-
      ملاحظة: هذا عادة ما يستغرق ~ 1 ح، أثناء هذا الاختيار وقت الحصول على البيانات والضغوط في الأسرة بقاعدة-

Figure 1
الرقم 1: لقطة للشاشة للحصول على بيانات درجة الحرارة والضغط لكل المفاعلات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
رقم 2: لقطة للشاشة للحصول على البيانات درجة الحرارة لنظام التسخين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الرقم 3: التخطيطي 25 كيلو وات ال CaL (CFB carbonator و BFB calciner). 1: carbonator؛ 2: كالسينير؛ 3: تقليل التكرار الحلقي-الختم؛ 4: حلقة العلوي-الختم؛ 5: إعصار carbonator؛ 6: إعصار كالسينير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. بدء الاحتراق في كالسينير
    1. زيادة تركيز الأكسجين في كالسينير من 0 إلى المجلد 40 ٪، التأكد من أن التركيز مستقرة قبل البدء الاحتراق.
    2. بدء تدفق الغاز الطبيعي يدوياً باستخدام روتاميتير التأكد من أن الاحتراق مستقرة المقايسة.
      ملاحظة: ينبغي زيادة تدفق الغاز الطبيعي بعناية. تحقق من أن البيانات تظهر مستوى مناسب من رد فعل الاحتراق.
    3. زيادة تركيز الأكسجين في calciner تزايدات المجلد 20% عن طريق ضبط روتاميتير تدفق الغاز الطبيعي ضمان الاحتراق المقايسة.
      ملاحظة: ينبغي إجراء هذه العملية بعناية فائقة. إذا ظهرت أي شبهة عدم حدوث الاحتراق كما هو متوقع من الحسابات الأولية ثم وقف تدفق الغاز الطبيعي وتبديل تدفق الأوكسجين إلى النيتروجين للتشغيل المأمون. التعرف على مصدر هذا التناقض. المدة الإجمالية لهذه العملية هو حوالي 1 h.
    4. تحقيق 100 ٪ أكسجين تركيز احتراق الغاز الطبيعي-
      ملاحظة: بيانات تكوين الحرارة والغاز ينبغي بعناية اتباعها طوال كل التجارب، ولكن لا سيما عند الاحتراق تجري في الأكسجين 100%-
    5. إضافة الحجر الجيري بزيادات 0.5 لتر حتى يتوفر ل 7 في المميعة. جميع المواد في المميعة من calciner (درجة الحرارة تكليس المقدر هو 800-850 درجة مئوية للدفعة الحالية في كالسينير ودرجة الحرارة كالسينير للمجموعات التالية) كالسن-
    6. زيادة تدفق ن 2 في carbonator لبدء الدورة الدموية. تحقق من منفذ عرض الدورة الدموية بانتظام لضمان التداول السليم.
    7. كالسن جميع الحجر الجيري المتاحة المتداولة في تلاعب قبل بدء الالتقاط 2 CO.

3. استقرار عملية

  1. التبديل يدوياً الغاز الكربنة من ن 2 إلى المجلد 15% CO 2 استخدام روتاميتير، الذي يسمح الحجر الجيري المكلس لبدء التقاط CO 2-
  2. ضبط التدفقات في calciner يدوياً باستخدام روتاميتيرس لتحقيق درجة حرارة 930-950 درجة مئوية ثابتة في كالسينير بتنظيم تدفق الغاز الطبيعي (الحرس الوطني) والأكسجين (داخل النظام الأمثل فلويديزيشن). تدفق 2 س عادة 100% مع ما يكفي من المواد سرير، ولكن ضبطه في جميع أنحاء التجربة.
  3. عندما يبدأ بالمواد إلى الانخفاض في النشاط (فوق 5% CO 2 التركيز على الخروج من carbonator، التي تكتسب بشكل مستمر بالبرنامج كما هو موضح في الخطوة 2.1.3)، وإضافة المزيد من الحجر الجيري.

4. إيقاف الإجراء

  1. يدوياً إيقاف تدفق الغاز الطبيعي باستخدام روتاميتير وانخفاض تدفق الأوكسجين، والتبديل الغازات في كلا المفاعلات إلى ن 2. إيقاف جميع سخانات (كالسينير و carbonator).
  2. درجة الحرارة للجرد لتلاعب نقصان (عادة ما بين عشية وضحاها)، وإفراغ المفاعلات عندما يكونون في درجة حرارة الغرفة-
  3. وزن المواد الصلبة المستخرجة، وإجراء تحليل منخل قياسي. توصيف المواد: بوروسيميتري، تكوين (الأشعة السينية fluorescence القياس الطيفي، XRF) 21 ، 22 وبنية مجهرية (المسح الضوئي المجهر الإلكتروني، ووزارة شؤون المرأة)-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويرد في الشكل 3الإعداد التجريبية. ويتألف المصنع مترابط ذو-سريرين. إلا وهي carbonator هو CFB مع ارتفاع 4.3 م وقطرها الداخلي 0.1 m (ID)؛ بينما كالسينير BFB مع ارتفاع 1.2 متر ومعرف 0.165 م. ويسيطر النقل الصلبة من مفاعل واحد إلى آخر اثنين حلقة الأختام قاعدة مع النيتروجين. كلا المفاعلات ويتم تغذية خليط غاز عن طريق خط التسخين، وكلاهما يتم تسخينها كهربائياً؛ وعلاوة على ذلك، يتم تغذية calciner مع الغاز الطبيعي بغية إنتاج الحرارة اللازمة للاحراق ماص للحرارة عن طريق الاحتراق والحرارة تعميم ماصة. لوحة موزع carbonator لديه فوهات 8، كل منها مع عشرين مم 2 الثقوب، بينما كالسينير فوهات 20 مع كل ستة ثقوب 1 مم.

وتناقش النتائج من ثلاث تجارب مختلفة في هذا القسم. هذه الاختبارات تقدم لمحة عامة فيما يتعلق بتشغيل المصنع التجريبي من الهواء (~ 20% المجلد س2) إلى 100% المجلد س2 في مدخل كالسينير. ويستكشف هذا العمل أيضا نتائج استخدام توزيع حجم الجسيمات مختلفة في هذا الوضع التشغيلي لمعرفة ما إذا كانت هذه المعلمة قد تؤثر على الأداء الكلي للنظام. وقد الحجر الجيري المستخدمة في هذه الدراسة الحد أدنى لمحتوى كربونات 98.25%3.

تجربة 1: غاز المداخن (15% المجلد CO2) مع الحجر الجيري (200-300 ميكرون) المجلد 30% O2

هذا أول اختبار مع كسر الحجر الجيري الذي أنجز 200-300 ميكرون لاختبار جهاز الحفر مع الحجر الجيري المتداولة بين المفاعلين داخل جهاز الحفر كنقطة انطلاق للأداء الأمثل. أثناء هذا الاختبار، تحقق من كفاءة القبض على 45% (الشكل 4). هذه الكفاءة الالتقاط، هالكربوهيدرات، حسبت باستخدام الصيغة التالية23: حيث وCO2 وهو معدل تدفق المولى CO2 الدخول carbonator ووالكربوهيدرات وهو معدل تدفق المولى CO2 ترك carbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
الشكل 4: تركيز CO2 في مدخل carbonator ومنفذ وكفاءة التقاط (اكارب) عن 200-300 ميكرون الحجر الجيري مع 30% O2- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

بسبب كفاءة التقاط أدنى خلال هذا التشغيل التجريبي أساسا عدم كفاية الإمداد بالحرارة كالسن جميع المقيمين في BFB الحجر الجيري. هذا بسبب انخفاض نسبة3 /كربونات الكالسيوم تساو في تغذية carbonator. وكان هناك سبب محتمل آخر التعطيل والمرحل من جسيمات الجير من calciner، مما خفض المخزون الإجمالي سرير ومقدار الوقت الحاضر مسيل في النظام. بعد التجربة، تم إجراء توازن مادي للجرد للمفاعل (الجدول 1). ويمكن ملاحظة تحول إلى أجزاء أصغر، بسبب التناقص الطبيعي للمواد الواردة في كل أسرة قاعدة.

كسر الحجر الجيري في كالسينير + Carbonator إعصار كالسينير إعصار Carbonator
الكتلة الإجمالية (ز) 9100 5000 500 20
250-300 ميكرون 22 في المائة 24% 2% 0%
212-250 ميكرون 47% 41% 6% 18%
150-212 ميكرومتر 28% 34% 24% 18%
0--150 ميكرومتر 3% 1% 69% 65%

الجدول 1: الوزن التوازن بين المدخلات المادية والنواتج على 200-300 ميكرون الحجر الجيري مع 30% O2-

تجربة 2: غاز المداخن (15% CO2) مع الحجر الجيري (100-200 ميكرومتر) 100% س2

في هذا الاختبار، كان الهدف الرئيسي استخدام الحجر الجيري جسيمات أصغر من أجل التحقيق أثرها المفيد ممكن على أداء النظام. وكان الهدف الثانوي لتوفير المزيد من الحرارة في عملية الإحراق في BFB calciner قبل combusting الغاز الطبيعي في الغاية تركيز الأكسجين، من الناحية المثالية تصل إلى 100% في المدخل.

في هذه التجربة، نحن بنجاح اختبار إمكانية استخدام نقي س2 في المدخل كالسينير، الذي يوفر إمكانية القضاء تماما على سلة المحذوفات لإيقاف الغاز اللازم لعملية أوكسي الوقود قياسية. وهذا هو بفضل استهلاك الحرارة في شكل مادة مميعة تعميم ورد فعل الإحراق المستمر.

استخدام الجسيمات الصغيرة لم يكن لها تأثير مفيد على عملية الكربنة، الأكثر احتمالاً بسبب منطقة الاتصال أعلى بين الجسيمات والغاز. ومع ذلك، هناك بعض الجدل في هذه المسألة كما أظهرت جسيمات أصغر مفاعليه انخفض بسبب المحتوى العالي من الشوائب24. تقريبا جميع الحجر الجيري وأضاف أن < كان سريعاً جداً الوترياتيد 150 ميكرون من كالسينير للاعصار المتلقين للمعلومات. ولذلك، كان من الصعب جداً للحفاظ على المخزون اللازم من الجير في جهاز الحفر اللازمة لتحقيق مستوى أعلى من الكفاءة التقاط. نتائج كفاءة التقاط في الشكل 5.

Figure 5
الرقم 5: تركيز CO2 في مدخل carbonator والمآخذ وكفاءة التقاط المقابلة (هكارب) على 100-200 ميكرومتر الحجر الجيري مع 100% O2- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

التوازن بين المدخلات والمخرجات من المواد الصلبة قد أنجزت بعد الاختبار (الجدول 2)، وقد اتضح أن معظم tالمواد أنه أدخلت تلاعب خلال التجربة انتهت في الإعصار كالسينير. ربما كان هذا السبب الرئيسي لالتقاط قياس انخفاض الكفاءة أثناء هذا الاختبار.

كسر الحجر الجيري Carbonator كالسينير إعصار كالسينير إعصار carbonator
الكتلة الإجمالية (ز) 19000 1200 2700 8700 360
> مكم 212-212 0% 21% 2% 0% 39 في المائة
212-150 ميكرومتر 18% 39 في المائة 73% 5% 42 في المائة
150-125 ميكرومتر 40% 22 في المائة 13 ٪ 32% 10 ٪
125-63 ميكرومتر 41% 18% 12% 60 في المائة 9 ٪
0-63 ميكرومتر 2% 0% 0% 3% 1%

الجدول 2: رصيد المواد المسترجعة وتحليله منخل 100-200 ميكرومتر الحجر الجيري مع 100% O2-

في الختام، نحن اختبرت بنجاح استخدام نقي س2 في المدخل كالسينير من أجل القضاء نهائياً على سلة المحذوفات لإيقاف الغاز اللازم لعملية أوكسي الوقود قياسية. وهذا ممكن بسبب امتصاص الحرارة وتقدم في شكل تعميم المواد المميعة ورد فعل الإحراق المستمر. ومع ذلك، توزيع حجم الجسيمات الصغيرة (100-200 ميكرومتر) لم يكن مفيد لعملية الالتقاط، بسبب الوترييشن للجسيمات. كان من الصعوبة بمكان الحفاظ على المخزون الفراش اللازم للحصول على مستوى أعلى من كفاءة التقاط. ولذلك، قررنا أن التحقيق في استخدام الجسيمات الأكبر في الحملة التجريبية المقبلة.

تجربة 3: غاز المداخن (15% CO2) مع الحجر الجيري (300-400 ميكرون) 100% س2

تم اختبار أداء ميكرومتر جزء 300-400 خلال هذه المحاكمة، بغية الحد من الخسائر المادية عالية من المميعة من كالسينير كما رأينا في التشغيلات السابقة. وكان من المتوقع لتمكين الاحتفاظ بالمخزون الجير/الحجر الجيري الضرورية اللازمة لالتقاط تداولها والكربون كفاءة. بسبب استخدام مبلغ مناسب لتعميم مسيل في تلاعب والحرارة الكافية المقدمة من احتراق الغاز الطبيعي في الأكسجين النقي (الإفراج عن 18 كيلو واط)، كفاءة التقاط مستقرة ~ تحقق 70% لأكثر من 3 ح؛ هذا نتيجة جيدة للغاية عند النظر في الأنبوب مفاعل carbonator قصيرة نسبيا وما يترتب عليها من وقت الاتصال قصيرة بين ماصة وأول أكسيد الكربون2. واستمر تركيز CO2 عند مخرج carbonator أسفل المجلد 5%، والحجر الجيري الطازجة (على دفعات 0.5 لتر) أضيفت إلى كالسينير عند تجاوز تركيز CO2 عند مخرج carbonator هذه القيمة. وقد تحقق تشغيل تجريبي مستقرة مع الظروف الأمثل.

العملية التي بدأت مع الإجراء القياسي؛ أي، الأولى كانت ساخنة المفاعل تصل إلى 700 درجة مئوية، ثم ل 2.9 من الحجر الجيري إضافة إلى كالسينير وتسخينه. درجات الحرارة وتركيزات الغاز في كالسينير ترد في الشكل 6. علما بأن الأرقام التالية تتوافق مع تلك الخطوات في الشكل 6. 1) تدفق الهواء حلت محلها خليط تدفق من 40% س2 و 60% N2 وبدأ احتراق الغاز الطبيعي في المميعة (9.1 كيلو واط). كان يسخن الحجر الجيري في المميعة أعلاه 800 درجة مئوية وأضيفت 3 دفعات أكثر من الحجر الجيري (1 لتر) إلى كالسينير. 2) بينما كان أساسا الحجر الجيري في المميعة، قد بدأ تداول الجير/الحجر الجيري تتدفق مسخن N2 عن طريق carbonator (سرعة 2.5 متر/ثانية عند 650 درجة مئوية). 0.9 إضافية تمت إضافة الحجر الجيري L و 3) س2 اسطوانة جديدة كان متصلاً المدخل كالسينير. إعادة الاتصال بعد 4)، بدأت الأكسجين، والاحتراق مرة أخرى، هذه المرة في بمدخل س2 تركيز 70% (و 30% ن2)، مما أدى إلى استهلاك 14 كيلوواط غاز الطبيعي تصل بتركيز2 س عند المخرج ~ 5% (في الغاز الرطب). قدم 5) "نقي س"2 في مدخل كالسينير، مما أدى إلى الإفراج عن الحرارة 18 كيلو وات إلى في كالسينير، و 6) الكربنة بدأ في carbonator بالحقن 15% من أول أكسيد الكربون2. كفاءة الكربنة (الشكل 7) أعلى نسبة حتى الآن على تصميم هذا المفاعل (~ 70 ٪). 7) سرعة الغاز المتدفقة عبر BFB كالسينير كان لتخفيضها إلى 0.30 m/s (مطلوب بدرجة الحرارة المطلوبة) للحفاظ على درجة حرارة حوالي 930 ج ° المتولدة عن احتراق الغاز الطبيعي في نقي س2 (مع الحفاظ على تركيز O2 في إيقاف الغاز إلى مستوى مقبول صناعيا أسفل المجلد 5%).

Figure 6
رقم 6: درجة حرارة BFB في كالسينير، ودرجة الحرارة والتكوين لإيقاف الغاز في الخروج. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

وأبقى درجة الحرارة في المميعة المستمر أثناء الاختبار بتنظيم معدل تدفق الغاز الطبيعي والتتالي ضبط معدل تدفق س2 لتحقيق سرعة كالسينير ~0.30 m/s. لوحظ أثناء عملية مستمرة، رصيد النشطة التالية: في كالسينير، وكان يسخن الأكسجين إلى فقط 300 درجة مئوية لأسباب تتعلق بالسلامة؛ ومن ثم توفير 0.5 كيلوواط في الحرارة الكامنة. حوالي 15.5 كيلوات أفرج عنه قبل احتراق الغاز الطبيعي في المميعة، ولكن فقط 5.3 كيلوواط ضروري للاحراق مستمر (عند إضافة أية مواد جديدة)، 3.6 كيلو واط لتغطية الحرارة الكامنة لإيقاف الغاز و ~ 7 كيلو واط للتدفئة في الممتزة المتداولة و t o تغطية الخسائر الحرارة. في carbonator، 3.2 كيلو واط وقدم التدفئة الغاز (إلى350 درجة مئوية)، و 5.4 كيلووات صدر قبل عملية الكربنة. تقريبا 5 كيلو واط تم الخروج من carbonator حسب الحاجة الحرارة الكامنة إيقاف الغاز و 3.6 كيلو وات أن تتشتت بفقدان الحرارة لتغطية الحرارة الصادرة عن رد فعل الطاردة للحرارة مع الحفاظ على درجة الحرارة عند 650 درجة مئوية. عند بدء تشغيل عملية الكربنة (وفعالة)، درجة الحرارة في carbonator نهج 700 درجة مئوية، وتحولات توازن دينامي حراري يمكن بلوغه تركيز الغاز منفذاً إلى قيم أعلى. ويرد هذا التركيز الحد الأدنى النظري، اعتماداً على درجة الحرارة carbonator، جنبا إلى جنب مع تركيز قياس أثناء اختبار في الشكل 7.

بدأت عملية الكربنة مع ~6.7 ل من الحجر الجيري في تلاعب. حرف L 0.54 إضافية في بداية الكربنة (13:45 في الشكل 7) أدت إلى انخفاض المتبقية CO2 في الغاز أسفل المجلد 5%، واستمر هذا المستوى في جميع أنحاء الاختبار بإضافات لدفعات الحجر الجيري 0.5 لتر (عند تجاوز تركيز CO2 على خروج carbonator 5%). وكانت الفواصل الزمنية بين الإضافات من الحجر الجيري الطازجة كالسينير 15 و 20، 50، 45 و 50 دقيقة. ولذلك، خلصنا إلى أن عملية مستقرة يتطلب إضافة المقابلة مسيل الطازجة إلى 0.5 لتر (750 غرام) من الحجر الجيري تقريبا كل 50 دقيقة، وما يعادل نسبة المكياج (و0&/FCO2) 6%، كما هو موضح في مكان آخر25 . نسبة المكياج في هذه التجارب تأثر أساسا بالحجر الجيري (تسوس مفاعليه والوترييشن). القيمة هذه المعلمة بالمختار استناداً إلى تركيز CO2 عند مخرج carbonator، أيإضافة الحجر الجيري أكثر عندما وصلت المجلد 5% أول أكسيد الكربون2.

استناداً إلى تحليل سيفينج، يمكننا أن نستنتج أن كسر الحجر الجيري الأصلي الذي أبقى أغلبها في تعميم الزي، بينما جزيئات معظمها < 250 ميكرون تم ترحيلها إلى الإعصار كالسينير. هذه الجسيمات نتجت معظمها الكسر/التناقص الطبيعي الجسيمات الأكبر حجماً.

كسر الحجر الجيري في Carbonator كالسينير إعصار كالسينير إعصار Carbonator
الكتلة الإجمالية (ز) 14,000 1,900 4,200 2,000 120
> مكم 355 21% 16 في المائة 4 في المائة 0% 0%
300-350 ميكرون 43% 45% 38 ٪ 1% 1%
250-300 ميكرون 33% 26 ٪ 48% 3% 0%
212-250 ميكرون 2% 4 في المائة 9 ٪ 7 في المائة 1%
150-212 ميكرومتر 0% 3% 1% 35% 14%
63-150 ميكرومتر 0% 5% 0% 41% 46%
0-63 ميكرومتر 0% 0% 0% 12% 38 ٪

الجدول 3: الشامل توازن المواد الصلبة ومنخل تحليل المدخلات (الحجر الجيري) والنواتج (الأخرى) على 300-400 ميكرون الحجر الجيري مع 100% O2-

كسر الحجر الجيري في Carbonator كالسينير إعصار كالسينير إعصار Carbonator الفرق (الخروج – في)
مجموع مول 130 31 66 32 2 0
> مكم 355 27 5 2 0 0 -20
300-350 ميكرون 56 14 25 0 0 -17
250-300 ميكرون 4 8 32 1 0 -2.6
212-250 ميكرون 2 1 6 2 0 6.9
150-212 ميكرومتر 0 1 1 11 0 13
63-150 ميكرومتر 0 2 0 13 1 16
0-63 ميكرومتر 1 0 0 4 1 4.1

الجدول 4: تقدير التوازن المولى (رطوبة 10% من الحجر الجيري الخام، وزن 75% من الإنتاج في الدولة المكلس) 300-400 ميكرون الحجر الجيري مع 100% O2-

Figure 7
الشكل 7: تركيز CO2 في مدخل carbonator ومنفذ وكفاءة التقاط المقابلة (هكارب) عن 300-400 ميكرون الحجر الجيري مع 100% O2.  الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 المحذوفات المداخن الغاز (أساسا CO2وبخار الماء والممتص س2) هو تخفيض أو حتى إلغاء، وانخفاض الحرارة المستهلكة لتسخين هذا الدفق. ولذلك، هناك حاجة أقل من الأكسجين وسيلزم جامعة ولاية أريزونا أصغر. كما تدفق الغاز سيكون أقل في هذا التكوين، سيكون حجم كالسينير أصغر لنفس السرعة فلويديزيشن.

كان وضع منهجية موحدة لضمان التشغيل الأمن لتركيز الأكسجين عالية في كالسينير. وأظهرت النتائج كفاءة التقاط يصل إلى 70% في بعض التجارب المنجزة. أيضا، وتوزيع حجم الجسيمات مختلفة استخدمت في تكوين هذا المفاعل (carbonator CFB؛ كالسينير BFB). كانت التوزيعات: 100-200 ميكرومتر؛ 200-300 ميكرون؛ 300-400 ميكرون. لتوزيع أصغر (100-200 ميكرومتر)، ومع ذلك، كانت هناك قضايا الوترييشن وغالبية المخزون سرير عثر في إعصار الصيد-الوعاء calciner. وتحققت أفضل النتائج مع توزيع حجم الجسيمات الأكبر (300-400 ميكرون): أبقى هالكربوهيدرات ~ 70% طوال هذه التجربة مع المكياج بنسبة حوالي 6%.

تم تحسين هذا البروتوكول عن طريق تصغير التدفئة الكهربائية المقدمة للغاز وكالسينير عندما يتم الغاز الطبيعي كومبوستيد، من أجل حماية الأنابيب من التصريفات الكهربائية الناجمة عن عناصر التدفئة. أيضا، وقد لوحظ أن زيادة تركيز O2 يمكن تحقيق سرعة أكبر من الأولى حملات التجريبية، من المجلد 20% إلى 60% من المجلد و 100% من المجلد من المهم تسليط الضوء على أن الخطوات الأكثر أهمية في هذه العملية هي البداية للاحتراق وزيادة تركيز الأكسجين، التي يمكن أن تسبب ارتفاع درجات الحرارة التي سيتم إيقاف مصدر الغاز الطبيعي إذا سارت الأمور درجة حرارة أعلى من 980 درجة مئوية. أيضا، تركيبة المواد مصدر قلق كما أنه يمكن خفض درجة حرارة المفاعل ووقف عملية الاحتراق، وعليه، ينبغي أن يضاف على دفعات صغيرة.

مع هذه المنهجية المطبقة على هذا تلاعب التجريبية، فمن الممكن لاختبار المواد الاصطناعية الجديدة، وكذلك تحسين المواد عن طريق تعاطي المنشطات، المعالجة الحرارية، والمعالجة الكيميائية، إلخ26 هذا البروتوكول يسمح لهذه المواد الماصة جديدة لاختبار في ظروف واقعية توفير منهجية موحدة للمقارنة ماصة. ومع ذلك، هناك بعض التحديات عند تطبيق هذا المفهوم على نطاق أوسع، مثل استخدام الفحم في كالسينير في ظل هذه الظروف التشغيلية. استخدام الوقود الصلب ستزيد من صعوبة العملية كالسينير بسبب ارتفاع درجات الحرارة، التي يمكن أن تؤدي إلى التكتل الرماد، وفي نهاية المطاف ديفلويديزينج الظواهر27. وهذا يحتاج إلى مزيد من الدراسة لتحديد مدى جدوى هذا البروتوكول؛ ومع ذلك، كان نجاحا المفهوم على نطاق تجريبي في هذا العمل باستخدام الغاز الطبيعي.

قيد آخر الناشئة من هذه الدراسة هو مدة الاختبارات، مع ح ~ 3 عملية حالة ثابتة كل اختبار؛ وهذا بسبب عملية التدفئة من المصنع، وعملية بطيئة. متوسط عدد دورات الكربنة/تكليس تعانيها جسيمات عند تداولها بين المفاعلات غير معروف. فمن الممكن أن تركيز الأكسجين المرتفعة تأثيراً سلبيا مما تسبب في تلبد أكثر في جزيئات الحجر الجيري. مزيد من التحقيق لهذه التحديات سيساعد على تقييم مدى ملاءمة البروتوكول كالرواية ووضع التشغيل الممكنة للنباتات كال على نطاق أكبر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
Longcal limestone Loncliffe Longcal SP52 n/a
Mechanical Shaker 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
  2. Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
  3. Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
  21. ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), ASTM International. West Conshohocken, PA. C1271-C1299 (2012).
  22. ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , ASTM International. West Conshohocken, PA. C25-C11 (2011).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
  27. Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).

Tags

العلوم البيئية، 128 مسألة، حلقات الكالسيوم، تجارب المصنع التجريبي، CO2 التقاط، والإجراءات التشغيلية، تكليس أوكسي الوقود، القبض على الكفاءة.
تشغيل 25 كيلوواط<sub>th</sub> الكالسيوم حلقات الطيار-مصنع مع تركيزات الأكسجين المرتفعة في كالسينير
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Erans, M., Jeremias, M., Manovic,… More

Erans, M., Jeremias, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Operation of a 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant with High Oxygen Concentrations in the Calciner. J. Vis. Exp. (128), e56112, doi:10.3791/56112 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter