Summary
כתב יד זה מתאר שגרה עבור הפעלה של סידן לולאה טייס-מפעל לייצור בעירה שלאחר פחמן לכידת עם ריכוז חמצן גבוהה ב- calciner על מנת לצמצם או למנוע את מיחזור גז הארובה.
Abstract
סידן לולאה (CaL) היא בעירה שלאחר CO2 לכידה טכנולוגיה המתאימה retrofitting קיימות תחנות כוח. תהליך קאל משתמש גיר זול וזמין CO2 sorbent. בעוד הטכנולוגיה נחקרה באופן נרחב, יש כמה אפשרויות זמינות שניתן ליישמם כדי להפוך אותו יותר כלכלית. אחד מהם הוא להגדיל את ריכוז החמצן ב calciner כדי להפחית או למנוע את כמות הגז ממוחזרים (CO2, H2O ו זיהומים); לכן, הפחתה או הסרת האנרגיה הנדרשת לחמם את זרם הגז ממוחזר. יתר על כן, יש עלייה וכתוצאה מכך האנרגיה המושקעת בגלל השינוי בעוצמת בעירה; אנרגיה זו משמשת כדי לאפשר את התגובה calcination תגובה אנדותרמית להתרחש בהיעדר קיטור ממוחזר. מאמר זה מציג את המבצע ואת התוצאות הראשון של מפעל פיילוט קאל עם 100% חמצן בעירה של גז טבעי ב- calciner. הגז נכנס carbonator היה גז הארובה מדומה תחנת כוח פחמית או מלט. מספר גיר חלקיקים בגודל הפצות נבחנים גם על מנת לחקור את ההשפעה של פרמטר זה על הביצועים של מצב הפעולה הזה. התצורה של מערכת הכור, ההליכים ההפעלה, והתוצאות מתוארים בפירוט במאמר זה. הכור הראה יציבות hydrodynamic טוב יציב לכידת2 CO, בעזרת לכידת יעילות של עד 70% עם תערובת גז המדמה את הגז הארובה של תחנת כוח פחמית.
Introduction
CO2 פליטות של ההתחממות הגלובלית וכתוצאה מכך הם קריטיים נושאים סביבתיים שמשך כמות גדולה של מחקר בשנים האחרונות. כבר הודה כטכנולוגיה פוטנציאל להפחתת פליטת CO2 ל-1,האווירה2בפרשות ואחסון (מיליגרם). החלק המאתגר ביותר של הרשת CCS הוא התפיסה של CO2, שהוא גם יקר ביותר בשלב3. כתוצאה מכך, היה דגש על פיתוח טכנולוגיות חדשות עבור לכידת CO2 תחנות כוח ומתקני תעשייה אחרים.
קאל כטכנולוגיה בעירה שלאחר CO2 לכידת, הועלתה לראשונה על ידי שימיזו. et al. 4 CO2 הוא נלכד על ידי מבוסס-סאו sorbent-600-700 מעלות צלזיוס ב כור שנקרא carbonator ולאחר שפורסמו על ידי calcination הבאים ב 850-950 ° C (ב calciner) על פי הציוד (1), כדי לייצר זרם2 CO טוהר גבוהה מתאים במקרים בהם נדרשת פחמיות5,6. מחזור קאל מנצל מיטות fluidized, אשר מייצגים של תצורה מיטבית עבור תהליך זה, כיוון שהם מאפשרים כמויות גדולות של מוצקים כדי להיות שהופץ בקלות מן הכור אחד השני4,5,6 , 7 , 8.
סאו (s) + CO2 (g) ⇔ קאקו3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
המושג הזה הוכח טייס סולם על ידי קבוצות שונות, עם תצורות שונות, סולמות, כגון הטייס MWth 0.2 ב שטוטגרט, הטייס MWth 1 בדרמשטדט, הטייס MWth 1.7 ב La Pereda ויחידת 1.9 מגוואטth טייוואן9,10,11,12,13,14,15,16. למרות תהליך זה מוכח, יש עדיין אפשרויות להגדלת ליעילות תרמית שלו, כגון על-ידי שינוי בתנאי עבודה סטנדרטיים של שינויים בעיצוב של תצורת הכור.
השימוש של חום צינורות בין combustor לבין calciner נחקרה במקום דלק אוקסי-להישרף calciner. התוצאות עבור ההופעה לכידה של2 CO דומות לאלו של קאל טייס-צמח קונבנציונאלי, אולם, תהליך זה יש יעילות צמח גבוה, הימנעות2 CO התחתון עולה17. מרטינס. et al. 18 חקר האפשרויות שילוב חום כדי מחממים החומר המוצק הזנת את calciner וכדי להפחית את החום הצורך ב- calciner. התוצאות הראו ירידה של 9% בצריכת הפחם בהשוואה לזה של המקרה הרגיל. אפשרויות אחרות למד לשילוב חום גם לשקול אפשרויות שילוב פנימיים וחיצוניים19.
אחת הבעיות העיקריות של מחזור קאל מנקודת מבט כלכלית היא לספק את האנרגיה הדרושה ב calciner באמצעות בעירה דלק20. הגדלת ריכוז חמצן כניסת של calciner מוצע על מנת להקטין או אפילו למנוע את הצורך של CO2 המיחזור כדי calciner. חלופה זו מפחיתה את עלויות ההון (גודל מופחתת של יחידות ההפרדה calciner ואוויר (אריזונה)), אשר יכול לשפר באופן משמעותי את התחרותיות של תהליך זה. השינוי הקיצוני בתנאי בעירה בר השגה על ידי ניצול התגובה calcination תגובה אנדותרמית והזרימה גדול סאו/קאקו3 מחזורי מ carbonator הפועלות בטמפרטורות נמוכות (גם יתרון זמין עם אוקסי-בעירה טכנולוגיה).
עבודה זו שואפת לפתח להפעלת מפעל פיילוט קאל עם carbonator במחזור Fluidized מיטה (CFB) ו- calciner מבעבעים Fluidized מיטה (BFB) עם 100% O2 ריכוז כניסת של calciner סטנדרטי. ניסיוני מספר קמפיינים שנוהלו במהלך הוראת רכישה של הצמח פיילוט כדי להבטיח פעולה תקינה כמו החמצן בריכוז מוגבר. בנוסף, שלושה גיר חלקיקים בגודל הפצות (100-200 מיקרומטר; 200-300 מיקרומטר 300-400 מיקרומטר) נחקרו לחקור איך פרמטר זה משפיע על elutriation של חלקיקים וללכוד יעילות במצב הפעלה זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת חומר
- מסננת סלע הגיר (~ 50 ק ג של חומר גלם) להתפלגות גודל החלקיקים הרצוי (מיקרומטר 300-400 או הפצה אחרת בהתאם הניסוי) בעזרת מטרף מכני. להכניס את החומר sieved סירים ליד calciner האכלה במהלך בדיקה
- להכין את החומר בקבוצות להיות מוחדרים הכור. אצוות בדרך כלל 0.5 L או 1 L (1 ליטר של אבן גיר הוא בערך 1.5 ק ג), אבל זה יכול להשתנות בהתאם פרמטרי העבודה.
2. הליך סטארט-אפ
זהירות: טמפרטורות גבוהות ביותר מושגות כאן. עיקרון השוויון הפוליטי מתאימים כגון כפפות, משקפיים, נעליים המעיל ובטיחות מעבדה נדרשים.
- חום-up של כורים
- להתחיל את הזרימה נמוכה של N 2 carbonator (60 L/דקה), calciner (20 L/דקה) כמו גם לולאת-כלבי ים (10 L/דקה) ב- rotameters.
- הפעל את הרובוטריקים carbonator באופן ידני. השוכן הטמפרטורה של כל preheaters חשמלי של carbonator 600 מעלות צלזיוס
- להתחיל רכישת נתונים (עבור גז טמפרטורה ולחץ, להשתמש לחצן ההקלטה בתוכנה). הנתונים כוללים טמפרטורות, לחצים, גז בהרכב של שני כורים. איור 1, איור 2, מוצגים צילומי מסך של מערכת רכישת נתונים.
- הפעל calciner גז preheaters. את החימום סביב calciner עד 600 מעלות צלזיוס נמדד פנימה BFB דרך צמד תרמי.
הערה: נתונים כגון טמפרטורה, לחץ, וגז הרכב כבר להיות נרכשים כאמור בשלב 2.1.3. - מכניסים 3 L של הגיר sieved BFB, calciner. קודם לפתוח את השסתום העליון, להציג את החומר בצינור למטה, סגור את השסתום העליון ולאחר מכן לפתוח את השסתום התחתון כך החומר זורם לתוך הכור.
- לחמם את החומר BFB אל מעל 650 ° C (על-ידי החימום החשמלי מסביב calciner).
הערה: זה בדרך כלל לוקח ~ 1 h, במהלך בדיקת זמן זה רכישת נתונים והלחץ על המיטות fluidized.
איור 1: צילום מסך של טמפרטורה ולחץ קירור והקפאה עבור שני כורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: צילום מסך של טמפרטורת קירור והקפאה עבור מערכת אחרים-מכשור לכוורות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: סכימטי של 25 kW th קאל (CFB carbonator ו- BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: להוריד את הלולאה-חותם; 4: לולאה-חותם העליון; 5: ציקלון carbonator; 6: calciner ציקלון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
- להתחיל בעירה ב- calciner
- להעלות את ריכוז החמצן ב calciner מ- 0 עד 40% vol, מוודא כי הריכוז הוא יציב לפני שמתחילים הבעירה.
- להתחיל את זרימת הגז הטבעי באופן ידני באמצעות של רוטמטר מוודא כי הבעירה הוא יציב stoichiometric.
הערה: זרימת הגז צריך להיות מוגברת בקפידה. בדוק כי הנתונים מראים רמה מתאימה של תגובת הבעירה. - להעלות את ריכוז החמצן ב calciner בדרגות vol 20% על-ידי התאמת את רוטמטר זרימת גז טבעי על מנת להבטיח בעירה stoichiometric.
הערה: תהליך זה צריך להתבצע בזהירות מרבית. אם כל חשד מתעוררת כי הבעירה אינה מתרחשת כצפוי מן החישובים ראשוני ואז להפסיק את זרימת הגז הטבעי, לעבור את זרימת החמצן חנקן לפעולה בטוחה. לזהות את מקור הפער הזה. משך הזמן הכולל של תהליך זה הוא בערך 1 ח' - להשיג 100% חמצן ריכוז גז טבעי בעירה.
הערה: הנתונים קומפוזיציה טמפרטורה וגז בקפידה במשך ולאחר כל בדיקה, אך במיוחד כאשר הבעירה מתקיים ב- 100% חמצן. - הוסף גיר במרווחים של חצי ליטר עד 7 L במיטה fluidized. Calcine את כל החומר במיטה fluidized של calciner (הטמפרטורה המשוערת calcination הוא 800-850 מעלות צלזיוס עבור אצוות נוכח את calciner ואת הטמפרטורה calciner אצוות הבאים).
- להגביר את הזרימה של N 2 carbonator כדי להפעיל את זרימת הדם. לבדוק את היציאה תצוגה מחזור באופן סדיר כדי להבטיח זרימת הדם תקין.
- Calcine כל הגיר זמינים במחזור המתקן לפני שמתחילים את הלכידה 2 CO.
3. יציבה מבצע
- להחליף באופן ידני את הגז carbonation N 2 vol 15% CO 2 באמצעות רוטמטר, אשר מאפשר את calcined גיר להתחיל בלכידת CO 2.
- להתאים את הזורם ב calciner באופן ידני באמצעות rotameters את להשגת טמפרטורה יציבה של 930-950 מעלות צלזיוס ב calciner על ידי ויסות זרימת גז טבעי (NG) וחמצן (בתוך המשטר fluidization אופטימלי). הזרם 2 O בדרך כלל 100% עם מספיק חומר למיטה, אבל התאמתו לאורך כל הניסוי.
- כאשר החומר מתחילה ירידה בפעילות (מעל 5% CO 2 ריכוז ביציאה carbonator, אשר נרכש באופן רציף על ידי תוכנת כפי שמתואר בשלב 2.1.3), להוסיף עוד אבן גיר.
4. הליך הכיבוי
- באופן ידני לבטל את זרימת הגז הטבעי באמצעות רוטמטר את להקטין את זרימת החמצן ואת מעבר הגזים בתוך שני כורים N 2. לבטל את כל גופי חימום (calciner ו- carbonator).
- לאפשר לטמפרטורה של המלאי של המתקן כדי להקטין (בדרך כלל בלילה), ולרוקן את הכורים כאשר הם בטמפרטורת החדר.
- שוקל מוצקים שחולצו ולבצע ניתוח סטנדרטי מסננת. לאפיין את החומר: porosimetry, קומפוזיציה (רנטגן פלורסצנטיות מסות, XRF) 21 , 22 ומבנה מיקרוסקופיים (סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים, SEM).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הסידור ניסיוני מוצג באיור3. הצמח כוללת שתי מחוברים fluidized-מיטות. כלומר, carbonator זה CFB עם 4.3 מ' גובה, קוטר פנימי 0.1 m (ID); אמנם calciner של BFB עם 1.2 מ' גובה ומזהה 0.165 m התעבורה מוצק של כור אחד למשנהו נשלטת על ידי שני לולאה-חותמות fluidized עם חנקן. שני כורים ניזונים תערובת של גזים דרך קו אחרים-מכשור לכוורות, שניהם חשמלית מחוממות; יתר על כן, calciner מוזן עם גז טבעי על מנת לייצר על ידי הבעירה את החום הדרוש עבור calcination תגובה אנדותרמית, כדי לחמם את מחזורי sorbent. הצלחת מפיץ carbonator יש חרירי 8, כל אחד מהם עם חורים 2 מ מ 20, בעוד calciner יש 20 חרירי עם שישה חורים 1 מ מ, כל אחד.
התוצאות של 3 ניסויים שונים נדונים בסעיף זה. בדיקות אלה מספקים סקירה לגבי הפעלת המפעל טייס מהאוויר (~ 20% vol O2) ל- 100% vol O2 -לים calciner. עבודה זו בוחנת גם את התוצאות של השימוש הפצות גודל חלקיקים שונים במצב תפעולי זה כדי לראות אם פרמטר זה יש השפעה על הביצועים של המערכת. הגיר השתמשו במחקר זה יש תוכן המינימלי של קאקו 98.25%3.
ניסוי 1: הארובה גז (15% vol CO2) עם גיר (200-300 מיקרומטר) 30% vol O2
בדיקה זו הראשונה עם השבר גיר 200-300 מיקרומטר בוצע כדי לבדוק את המתקן עם גיר ונע בין שני כורים בתוך המתקן כנקודת התחלה כדי למטב את הביצועים. בזמן הבדיקה, הושג יעילות לכידה של 45% (איור 4). יעילות זו לכידה, Eפחמימות, מחושב באמצעות הנוסחה הבאה23: כאשר FCO2 הוא קצב הזרימה טוחנת של CO2 הזנת את carbonator ו- Fפחמימות הוא קצב זרימה טוחנת של CO2 עוזב carbonator.
(2)
איור 4: ריכוז CO2 -לים carbonator, שקע ואת היעילות הלכידה (Ecarb) עבור 200-300 מיקרומטר גיר עם 30% O2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
היעילות לכידת נחות במהלך ניסיוני זה נגרם בעיקר על ידי אספקת לא מספיק חום כדי calcine את סלע הגיר המתגוררים BFB. זה גרם ירידה של היחס3 סאו/קאקו ההזנה carbonator. עוד סיבה סביר היה ביטול הפעלה של carry-over של החלקיקים ליים של calciner, אשר הקטינה את המלאי הכולל מיטה ואת כמות ההווה sorbent במערכת. לאחר הניסוי בוצע איזון חומרים של המלאי של הכור (טבלה 1). בפנותו אל שברים קטנים יותר יכול להיות שנצפו, בגלל התשה של החומר בשתי המיטות fluidized.
| שבר | גיר ב | Calciner + Carbonator | ציקלון Calciner | ציקלון Carbonator |
| סה כ המסה (g) | 9100 | 5000 | 500 | 20 |
| 250-300 מיקרומטר | 22% | 24% | 2% | 0% |
| 212-250 מיקרומטר | 47% | 41% | 6% | 18% |
| 150-212 מיקרומטר | 28% | 34% | 24% | 18% |
| 0-150 מיקרומטר | 3% | 1% | 69% | 65% |
טבלה 1: משקל איזון של חומרים התשומות והתפוקות 200-300 גיר מיקרומטר עם 30% O2.
ניסוי 2: הארובה גז (15% CO2) עם גיר (100-200 מיקרומטר) 100% O2
במבחן הזה, המטרה העיקרית הייתה להשתמש של חלקיקים גיר קטנים יותר על מנת לחקור את השפעתם אפשרי המיטיבה ביצועי המערכת. המטרה המשנית היה כדי לספק חום יותר תהליך calcination calciner BFB על ידי להישרף הגז הטבעי ב מאוד מרוכז חמצן, אידיאלי עד 100%-הים.
בניסוי זה, בדקנו בהצלחה את האפשרות של שימוש O טהור2 -הים של calciner, אשר מציע את האפשרות של חיסול מוחלט המיחזור של חופש-גז לצורך תהליך אוקסי-דלק רגיל. זה התאפשר על ידי צריכת חום בצורה של חומר מיטה fluidized מחזורי, התגובה calcination מתמשך.
השימוש של חלקיקים קטנים יותר לא היה השפעה מיטיבה על תהליך carbonation, ככל הנראה בגלל האזור קשר גבוה בין חלקיקי הגז. עם זאת, אין מחלוקת בעניין זה חלקיקים קטנים יותר הראו ירידה תגובתיות בשל תוכן גבוהה יותר של זיהומים24. כמעט כל הגיר נוסף שהיה < מיקרומטר 150 היה elutriated מהר מאוד מן calciner כדי להסתובב במורד הזרם. לכן, זה היה קשה מאוד לשמור על המלאי הדרוש של סיד במשאית צריך להשיג יעילות גבוהה יותר של לכידת. התוצאות של יעילות לכידת הן באיור5.
איור 5: ריכוז CO2 -לים carbonator, שקע ואת היעילות לכידת (Eפחמימות) המתאימים עבור 100-200 גיר מיקרומטר עם 100% O2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
מאזן תשומות תפוקות של המוצקים בוצעה לאחר הבדיקה (טבלה 2), ו התגלה כי רוב tהחומר הוא הציג לתוך המתקן במהלך הניסוי הגיעו calciner סופת הציקלון. זה היה כנראה הגורם העיקרי ליעילות נמוכה לכידת נמדד בזמן הבדיקה.
| שבר | אבן גיר | Carbonator | Calciner | ציקלון calciner | ציקלון carbonator |
| סה כ המסה (g) | 19000 | 1200 | 2700 | 8700 | 360 |
| > 212-212 מיקרומטר | 0% | 21% | 2% | 0% | 39% |
| 212-150 מיקרומטר | 18% | 39% | 73% | 5% | 42% |
| 150-125 µm | 40% | 22% | 13% | 32% | 10% |
| 125-63 מיקרומטר | 41% | 18% | 12% | 60% | 9% |
| 0-63 מיקרומטר | 2% | 0% | 0% | 3% | 1% |
בטבלה 2: יתרת החומר המשוחזר וניתוח מסננת שלה עבור 100-200 גיר מיקרומטר עם 100% O2.
לסיכום, בהצלחה בדקנו את השימוש טהור O2 -הים של calciner כדי לסלק את המיחזור של חופש-הגז לצורך תהליך אוקסי-דלק רגיל. זה אפשרי עקב הקירור מסופקים בצורה של מחזורי מיטה fluidized חומר, התגובה calcination מתמשך. עם זאת, התפלגות גודל החלקיקים קטן (100-200 מיקרומטר) לא היה מועיל עבור תהליך הלכידה, בשל elutriation של החלקיקים. זה היה מאוד קשה לשמור על המלאי מיטה צריכה להשיג יעילות גבוהה יותר של לכידת. לכן, החלטנו לחקור את השימוש חלקיקים גדולים יותר בקמפיין ניסיוני הבא.
ניסוי 3: הארובה גז (15% CO2) עם גיר (300-400 מיקרומטר) 100% O2
בזמן המשפט, הביצועים של מיקרומטר השבר 300-400 נבחנה על מנת להפחית את אובדן החומרים גבוהה מן המיטה fluidized של calciner כפי שניתן לראות פועל הקודם. זה היה צפוי לאפשר שמירה של המלאי הדרוש ליים/גיר לצורך לכידתה זרימת הדם ופחמן יעיל. השימוש הכמות המתאימה של מחזורי sorbent מעטה, מספיק חום שסופקו על-ידי הבעירה של גז טבעי חמצן טהור (שחרור 18 kW), יעילות לכידת יציב ~ 70% הושג יותר מ-3 שעות; זו תוצאה טובה מאוד כאשר בהתחשב הצינור כור carbonator קצר יחסית, את הזמן קשר קצר הסוגר בין של sorbent ו- CO2. ריכוז CO2 משקע החשמל של carbonator נשמר מתחת כרך 5%, גיר טריים (בקבוצות לחצי ליטר) נוספה כדי calciner ריכוז CO2 משקע החשמל של carbonator חריגה ערך זה. אורווה ניסיוני לרוץ הושגה עם תנאים אופטימליים.
התהליך התחיל עם הליך רגיל; כלומר, הראשון הכור היה מחומם עד 700 ° C, ואז L 2.9 של אבן גיר היה הוסיף לתוך calciner ומחממים. טמפרטורות בין ריכוזי גזים ב calciner מוצגים באיור 6. שימו לב כי המספרים שלהלן מתייחסים במדרגות איור6. 1 זרימת אוויר) הוחלף על ידי תערובת זרימה של 40% O2 ו- 60% N2 ונמצא הבעירה של גז טבעי במיטה fluidized (9.1 קילוואט). הגיר במיטה fluidized היה מחומם מעל 800 מעלות צלזיוס, 3 קבוצות נוספות של גיר (1 ליטר) נוספו את calciner. 2) בעוד הגיר היה calcining על המיטה fluidized, מחזור הדם של ליים/הגיר הופעל על-ידי זורם טרופה N-2 carbonator (במהירות של 2.5 מטר לשנייה ב 650 מעלות צלזיוס). של 0.9 נוסף התווסף אבן־גיר L ו- 3) צילינדר2 O טרי היה מחובר לים של calciner. 4) לאחר התחברות מחדש החמצן, הבעירה יזמו שוב, הפעם כניסת O2 ריכוז של 70% (ו 30% N2), אשר הובילה הצריכה של 14 kW של גז טבעי כדי להגיע של ריכוז2 O משקע החשמל של ~ 5% (ב גז רטוב). O טהור 5)2 הוצג על הים calciner, אשר הובילה לשחרור חום 18 kW לתוך calciner ו- 6) carbonation יזמה בשנת carbonator על ידי שהזרקת 15% של CO2. היעילות של carbonation (איור 7) היה הגבוה ביותר עדיין על עיצוב זה הכור (~ 70%). 7) מהירות הגז זורם דרך BFB של calciner היה להיות הנמיך עד 0.30 m/s (נדרש על ידי הטמפרטורה הרצויה) כדי לשמור על הטמפרטורה של כ 930 ° C שנוצר על ידי הבעירה של גז טבעי ב- O טהור2 (תוך שמירה על ריכוז2 O בהנחה-הגז לרמה תעשייתי מקובל מתחת כרך 5%).
איור 6: הטמפרטורה של BFB את calciner ואת הטמפרטורה והרכב של חופש-הגז ביציאה שלו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
הטמפרטורה של המיטה fluidized נשמר קבוע במהלך הבדיקה על ידי ויסות קצב הזרימה של גז טבעי ברציפות התאמת קצב הזרימה של O2 כדי להשיג מהירות של calciner של ~0.30 m/s. במהלך פעולת מתמדת, נצפתה באיזון האנרגטי הבאים: ב- calciner, החמצן היה טרופה עד רק 300 ° C מטעמי בטיחות; לפיכך, מתן 0.5 kW בחום כמוס. 15.5 בערך kW שוחרר על ידי הבעירה של גז טבעי המיטה fluidized, אבל רק 5.3 kW היה צורך calcination רציף (כאשר נוספה שום חומר טרי), 3.6 kW כדי לכסות את חום כמוס של הגז הנחה ו ~ 7 kW חימום adsorbent במחזור ו- t o לכסות על ההפסדים חום. ב- carbonator, 3.2 kW סופק על ידי חימום הגז (אל350 ° C), ו- 5.4 kW שוחרר על ידי carbonation תהליך. כמעט 5 kW בוצעה מחוץ carbonator חום כמוס של חופש-גז ו- 3.6 kW כנדרש להיות להתפשט עד אובדן חום כדי לכסות את החום שפורסמו על ידי התגובה אקסותרמית תוך שמירה על הטמפרטורה ב 650 מעלות צלזיוס. כאשר התהליך carbonation מתחיל (יעיל), הטמפרטורה של carbonator הגישות 700 מעלות צלזיוס, אשר נוטה שיווי משקל תרמודינמי השגה ריכוז הגז עודפים ערכים גבוהים יותר. זה תיאורטי ריכוז מינימלי, תלויים הטמפרטורה carbonator, הוא מתואר לצד הריכוז נמדד במהלך הבדיקה איור7.
תהליך carbonation היה יזם עם ~6.7 L של אבן גיר נוכח המתקן. L 0.54 נוספים בתחילת carbonation (13:45 איור7) הביא לירידה של CO שיורית2 הגז מתחת כרך 5%, רמה זו היה מתוחזק לאורך המבחן על ידי תוספות של חצי ליטר גיר אצוות (כאשר ריכוז CO2 ביציאה של carbonator חריגה 5%). מרווחי הזמן בין ותוספות של גיר טריים כדי calciner היו 15, 20, 50, 45 ל-50 דקות. לכן, הגענו למסקנה כי פעולת יציבה דורש התוספת של טרי sorbent המקביל לחצי ליטר (750 גרם) של אבן גיר בערך כל 50 min, אשר שווה ל יחס איפור (F0/FCO2) של 6%, כפי שמתואר במקום אחר25 . היחס איפור בניסויים אלה הושפע בעיקר הגיר (דעיכה תגובתיות ו- elutriation). הערך של פרמטר זה היה נבחר בהתבסס על ריכוז2 CO-שקע carbonator, כלומר, הוספת גיר יותר כשהוא הגיע כרך 5% CO2.
בהתבסס על ניתוח sieving, אנו מסיקים כי השבר גיר המקורי. נשמר בעיקר במחזור מעטה, תוך חלקיקי בעיקר < מיקרומטר 250 היו כמשימות calciner סופת הציקלון. חלקיקים אלה נבעה בעיקר התשה/שבירה של חלקיקים גדולים יותר.
| שבר | גיר ב | Carbonator | Calciner | ציקלון calciner | ציקלון Carbonator |
| סה כ המסה (g) | 14,000 | 1,900 | 4,200 | 2,000 | 120 |
| > 355 מיקרומטר | 21% | 16% | 4% | 0% | 0% |
| 300-350 מיקרומטר | 43% | 45% | 38% | 1% | 1% |
| 250-300 מיקרומטר | 33% | 26% | 48% | 3% | 0% |
| 212-250 מיקרומטר | 2% | 4% | 9% | 7% | 1% |
| 150-212 מיקרומטר | 0% | 3% | 1% | 35% | 14% |
| 63-150 מיקרומטר | 0% | 5% | 0% | 41% | 46% |
| 0-63 מיקרומטר | 0% | 0% | 0% | 12% | 38% |
טבלה 3: המונית, איזון של מוצקים, ניפוי ניתוח של תשומות (גיר), תפוקות (אחר) עבור 300-400 גיר מיקרומטר עם 100% O2.
| שבר | גיר ב | Carbonator | Calciner | ציקלון calciner | ציקלון Carbonator | ההבדל (החוצה – ב) |
| מול סה | 130 | 31 | 66 | 32 | 2 | 0 |
| > 355 מיקרומטר | 27 | 5 | 2 | 0 | 0 | -20 |
| 300-350 מיקרומטר | 56 | 14 | 25 | 0 | 0 | -17 |
| 250-300 מיקרומטר | 4 | 8 | 32 | 1 | 0 | -2.6 |
| 212-250 מיקרומטר | 2 | 1 | 6 | 2 | 0 | 6.9 |
| 150-212 מיקרומטר | 0 | 1 | 1 | 11 | 0 | 13 |
| 63-150 מיקרומטר | 0 | 2 | 0 | 13 | 1 | 16 |
| 0-63 מיקרומטר | 1 | 0 | 0 | 4 | 1 | 4.1 |
בטבלה 4: להעריך איזון טוחנת (10% לחות של הגיר raw, 75% wt של הפלט במצב calcined) 300-400 גיר מיקרומטר עם 100% O2.
איור 7: ריכוז CO2 -הים carbonator ולא לשקע המתאים ללכוד יעילות (Eפחמימות) עבור 300-400 גיר מיקרומטר עם 100% O2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפעולה של calciner עם מעין שקע בחופו של 100% חמצן vol הוא בר השגה, מבוסס על ניצול הטבע תגובה אנדותרמית של התגובה calcination, כמו גם העובדה כי המוצקים הפיצו בין שני כורים בטמפרטורות שונות. מצב הפעולה הזה שואף להפוך את תהליך קאל מבטיח יותר מבחינה כלכלית על ידי הפחתת הון ואת עלויות התפעול. כמו מיחזור הארובה גז (בעיקר CO2, אדי מים ו- unreacted O2) מצומצמת או אפילו לסלק, החום נצרך כדי מחממים זרם זה הוא נמוך. לכן, יש צורך פחות חמצן, ASU קטן יותר יהיה צורך. כמו זרימת הגז יהיה נמוך יותר בתצורה זו, לגודל calciner יהיה קטן יותר עבור המהירות fluidization אותו.
מתודולוגיה סטנדרטית פותחה כדי להבטיח את הפעולה בטוחה של ריכוז חמצן גבוהה ב calciner. התוצאות הראו יעילות של לכידת עד ל-70% בחלק מן הניסויים שבוצעו. כמו כן, הפצות גודל חלקיקים שונים שימשו בתצורה זו הכור (carbonator כמו CFB; calciner כמו BFB). היו חלוקות: 100-200 מיקרומטר; 200-300 מיקרומטר; 300-400 מיקרומטר. עבור התפלגות הקטן ביותר (100-200 מיקרומטר), עם זאת, היו בעיות elutriation, רוב המלאי המיטה נמצא בסיר-של calciner ציקלון לתפוס. התוצאות הטובות ביותר הושגו עם התפלגות גודל החלקיקים הגדול (300-400 מיקרומטר): Eפחמימות ~ 70% נשמר לאורך כל הניסוי עם יחס איפור של-6%.
פרוטוקול זה היה משופר על ידי מזעור החימום החשמלי סיפק גז ו calciner כאשר הגז הטבעי התלקחות, כדי להגן על הצינורות מפני הפרשות חשמלית הנגרמת על ידי החימום. גם, זה היה ציין כי העלייה בריכוז של2 O ניתן להשיג במהירות רבה יותר מאשר בראשי תיבות מסעות ניסיוני, מ- vol 20% ל 60% כרך כרך ל- 100% חשוב להדגיש כי השלבים הקריטיים ביותר בתהליך זה הם ההתחלה של הבעירה, עליית ריכוז חמצן, אשר יכול לגרום טמפרטורות מוגבר זה אכבה את מקור גז טבעי אם הטמפרטורה גבוהה יותר 980 ° C. כמו כן, האיפור גשמי היא דאגה כפי זה ניתן להוריד את הטמפרטורה של הכור ולעצור את תהליך הבעירה, לכן, יש להוסיף בקבוצות קטנות.
עם מתודולוגיה זו חלה על המתקן הזה ניסיוני, זה אפשרי לבחון חומרים סינטטיים חדשים, כמו גם כמו חומרים משופרת באמצעות סמים בספורט, טיפול קדם חום, טיפול כימי קדם, וכו26 פרוטוקול זה מאפשר אלה סופגים חדש כדי להיבדק בתנאים מציאותיים מתן מתודולוגיה סטנדרט להשוואה sorbent. עם זאת, ישנם כמה אתגרים בעת החלת המושג הזה בקנה מידה גדול יותר, כגון השימוש של פחם ב calciner בתנאים הפעלה אלה. השימוש סולידי יגדיל הקושי calciner הפעולה עקב בטמפרטורות גבוהות, אשר יכול להוביל הצטברות של אפר, בסופו של דבר defluidizing תופעות27. זה צריך המשך מחקר על מנת לקבוע את הכדאיות של פרוטוקול זה; עם זאת, הרעיון היה הכיחה הצלחה-טייס סולם בעבודה זו באמצעות גז טבעי.
מגבלה נוספת הנובעת ממחקר זה היא משך הזמן של הבדיקות, עם ~ 3 h של מצב יציב מבצע לכל מבחן; זאת בשל תהליך חימום של הצמח, אשר הוא תהליך איטי. המספר הממוצע של מחזורי carbonation/calcination מנוסים על ידי חלקיק בעת שנפוצו בין הכורים לא ידוע. זה אפשרי שיש ריכוז חמצן גבוהה השפעה שלילית גורמת סינטור יותר בהחלקיקים גיר. חקירה נוספת של האתגרים הללו יעזרו להעריך את התאמת של הפרוטוקול הרומן, מצב ההפעלה ריאלי לצמחים קאל בקנה מידה גבוה יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
המחקר שהוביל את התוצאות הללו קיבלה מימון מקרן המחקר של הקהילה האירופית פחם ולהעניק פלדה (RFC) תחת הסכם n ° RFCR-CT-2014-00007. עבודה זו מומן על ידי בריטניה פחמן לכידת ו מרכז מחקר אחסון (UKCCSRC) כחלק לקרוא 2 פרויקטים. UKCCSRC נתמכת ההנדסה של המועצה למחקר מדעי (EPSRC) במסגרת תוכנית האנרגיה של המועצה למחקר בבריטניה, עם מימון נוסף מן החוג למנהל עסקים, אנרגיה אסטרטגיה תעשייתי (לשעבר בית - DECC). המחברים גם רוצה להודות מר מרטין Roskilly לעזרתו עצום לאורך כל הקורס של עבודה זו.
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 |
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), ASTM International. West Conshohocken, PA. C1271-C1299 (2012).
- ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , ASTM International. West Conshohocken, PA. 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).
