Combustione chimica ad anello - Chemical looping combustion

Fig 1. Schema del sistema del reattore CLC
Fig 2. (Sinistra) Design a doppio letto fluidizzato, l'impianto pilota di combustione a circuito chimico di Darmstadt e (a destra) design a letto fluido a letto mobile interconnesso, l'impianto pilota a circuito chimico diretto a carbone della Ohio State University

La combustione a circuito chimico ( CLC ) è un processo tecnologico che utilizza tipicamente un sistema a doppio letto fluido . Anche il CLC operato con un letto mobile interconnesso con un sistema a letto fluido è stato impiegato come processo tecnologico. In CLC, un ossido metallico viene impiegato come materiale del letto che fornisce l'ossigeno per la combustione nel reattore del combustibile . Il metallo ridotto viene quindi trasferito al secondo letto ( reattore ad aria ) e riossidato prima di essere reintrodotto nel reattore del combustibile completando il ciclo. La Fig 1 mostra uno schema semplificato del processo CLC. La figura 2 mostra un esempio di un sistema di reattore circolante a letto fluidizzato doppio e un sistema di reattore circolante a letto fluido mobile.

L'isolamento del combustibile dall'aria semplifica il numero di reazioni chimiche nella combustione . Impiegando ossigeno senza azoto e i gas in traccia presenti nell'aria si elimina la fonte primaria per la formazione di ossido di azoto ( NO
X
), produce un gas di combustione composto principalmente da anidride carbonica e vapore acqueo ; altri inquinanti in tracce dipendono dal carburante selezionato.

Descrizione

La combustione a ciclo chimico (CLC) utilizza due o più reazioni per eseguire l'ossidazione dei combustibili a base di idrocarburi. Nella sua forma più semplice, una specie che trasporta ossigeno (normalmente un metallo) viene prima ossidata nell'aria formando un ossido. Questo ossido viene quindi ridotto utilizzando un idrocarburo come riduttore in una seconda reazione. Ad esempio, un sistema a base di ferro che brucia carbonio puro comporterebbe le due reazioni redox :

C(i) + Fe
2
oh
3
(s) → Fe
3
oh
4
(s) + CO
2
(g)

 

 

 

 

( 1 )

Fe
3
oh
4
(s) + O 2 (g) → Fe
2
oh
3
(S)

 

 

 

 

( 2 )

Se ( 1 ) e ( 2 ) vengono aggiunti insieme, l'insieme di reazione si riduce all'ossidazione diretta del carbonio, ovvero:

C(i) + O
2
(g) → CO
2
(g)

 

 

 

 

( 3 )

CLC è stato studiato per la prima volta come un modo per produrre CO
2
da combustibili fossili, utilizzando due letti fluidi interconnessi. Successivamente è stato proposto come sistema per aumentare l'efficienza della centrale. Il guadagno in efficienza è possibile grazie alla maggiore reversibilità delle due reazioni redox; nella combustione tradizionale monostadio, il rilascio dell'energia di un combustibile avviene in modo altamente irreversibile, discostandosi notevolmente dall'equilibrio. Nella CLC, se si sceglie un trasportatore di ossigeno appropriato, entrambe le reazioni redox possono avvenire in modo quasi reversibile e a temperature relativamente basse. In teoria, ciò consente a una centrale elettrica che utilizza CLC di avvicinarsi alla resa di lavoro ideale per un motore a combustione interna senza esporre i componenti a temperature di esercizio eccessive.

Termodinamica

Fig 3. Diagramma di Sankey dei flussi energetici in un sistema CLC reversibile.

La Fig 3 illustra graficamente gli scambi di energia in un sistema CLC e mostra un diagramma di Sankey dei flussi di energia che si verificano in un motore basato su CLC reversibile. Studiando la Fig 1, un motore termico è predisposto per ricevere calore ad alte temperature dalla reazione di ossidazione esotermica . Dopo aver convertito parte di questa energia in lavoro, il motore termico rifiuta l'energia rimanente sotto forma di calore. Quasi tutto questo rifiuto di calore può essere assorbito dalla reazione di riduzione endotermica che si verifica nel riduttore. Questa disposizione richiede che le reazioni redox siano rispettivamente esotermiche ed endotermiche, ma questo è normalmente il caso per la maggior parte dei metalli. Per soddisfare la seconda legge è necessario un ulteriore scambio di calore con l'ambiente ; teoricamente, per un processo reversibile, lo scambio termico è correlato alla variazione di entropia allo stato standard, ΔS o , della reazione di ossidazione degli idrocarburi primari come segue:

Q o = T o ΔS o

Tuttavia, per la maggior parte degli idrocarburi, ΔS o è un valore piccolo e, di conseguenza, è teoricamente possibile un motore con un'elevata efficienza complessiva.

Cattura CO2 2

Sebbene proposto come mezzo per aumentare l'efficienza, negli ultimi anni è stato mostrato interesse per la CLC come tecnica di cattura del carbonio . La cattura del carbonio è facilitata dal CLC perché le due reazioni redox generano due flussi di fumi intrinsecamente separati: un flusso dal reattore ad aria, costituito da N atmosferico
2
e
O . residuo
2
, ma sensibilmente privo di CO
2
; e un flusso dal reattore di combustibile contenente prevalentemente CO
2
e H
2
O
con pochissimo azoto diluente. I gas di scarico del reattore ad aria possono essere scaricati nell'atmosfera causando una
CO . minima
2
inquinamento. Il gas di uscita del riduttore contiene quasi tutta la CO
2
generato dal sistema e dal CLC quindi si può dire che mostri una "cattura intrinseca del carbonio", poiché il vapore acqueo può essere facilmente rimosso dal secondo gas di scarico tramite condensazione, portando a un flusso di
CO quasi puro
2
. Ciò offre chiari vantaggi al CLC rispetto alle tecnologie concorrenti di cattura del carbonio, poiché queste ultime comportano generalmente una significativa penalizzazione energetica associata ai sistemi di lavaggio post combustione o all'input di lavoro richiesto per gli impianti di separazione dell'aria. Ciò ha portato alla proposta di CLC come tecnologia di cattura del carbonio efficiente dal punto di vista energetico, in grado di catturare quasi tutta la CO 2 , ad esempio da un impianto Coal Direct Chemical Looping (CDCL). I risultati di una dimostrazione continua di 200 ore di un'unità sub-pilota CDCL da 25 kW th hanno indicato una conversione del carbone di quasi il 100% in CO 2 senza trascinamento di carbonio nel reattore ad aria.

Sviluppo tecnologico

La prima operazione di combustione a circuito chimico con combustibili gassosi è stata dimostrata nel 2003, e successivamente con combustibili solidi nel 2006. L'esperienza operativa totale in 34 piloti da 0,3 a 3 MW è superiore a 9000 h. I materiali di trasporto dell'ossigeno utilizzati nel funzionamento includono ossidi monometallici di nichel, rame, manganese e ferro, nonché vari ossidi combinati inclusi ossidi di manganese.combinati con calcio, ferro e silice. Sono stati utilizzati anche minerali naturali, in particolare per combustibili solidi, tra cui minerali di ferro, minerali di manganese e ilmenite.

Costo e penalità energetica

Una valutazione tecnica dettagliata di combustione chimico-loop di combustibile solido, cioè carbone, per 1000 MW th mostra centrale elettrica che le aggiunte CLC costi reattore rispetto ad una normale letto fluido circolante caldaia sono piccole, a causa delle somiglianze tra le tecnologie. Costi principali sono invece CO 2 compressione, necessario in tutte CO 2 tecnologie di cattura, e la produzione di ossigeno. La produzione molecolare di ossigeno può anche essere necessaria in alcune configurazioni CLC per lucidare il gas prodotto dal reattore di combustibile. In tutto i costi aggiuntivi sono stati stimati a 20 €/ton di CO 2 mentre la penalità energetica è stata del 4%.

Varianti e tecnologie correlate

Una variante di CLC è la combustione a circuito chimico con disaccoppiamento dell'ossigeno (CLOU) in cui viene utilizzato un vettore di ossigeno che rilascia ossigeno in fase gassosa nel reattore del combustibile, ad esempio CuO/ Cu
2
O. Ciò è utile per ottenere un'elevata conversione del gas, e specialmente quando si utilizzano combustibili solidi, dove si può evitare una lenta gassificazione del carbone con vapore. Il funzionamento CLOU con combustibili solidi mostra prestazioni elevate

Il Chemical Looping può essere utilizzato anche per produrre idrogeno nei processi di Chemical-Looping Reforming (CLR). In una configurazione del processo CLR, l'idrogeno viene prodotto da carbone e/o gas naturale utilizzando un reattore di combustibile a letto mobile integrato con un reattore a vapore e un reattore ad aria a letto fluidizzato. Questa configurazione di CLR in grado di produrre più del 99% di purezza H 2 senza la necessità di CO 2 separazione.

In recenti revisioni sulle tecnologie di ciclo chimico vengono fornite panoramiche complete del settore.

In sintesi, CLC può ottenere sia un aumento dell'efficienza della centrale elettrica contemporaneamente con una cattura del carbonio a bassa penalizzazione energetica. Le sfide con CLC includono il funzionamento del doppio letto fluidizzato (mantenendo la fluidificazione del vettore evitando lo schiacciamento e l'attrito) e il mantenimento della stabilità del vettore per molti cicli.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno