Кальциевая петля - Calcium looping

Кальциевая петля (CaL), или регенеративный кальциевый цикл (RCC), это второе поколение улавливание углерода технологии. Это наиболее развитая форма карбонатной петли, при которой металл (M) обратимо вступает в реакцию между своей карбонатной формой (MCO3) и его оксидная форма (MO) для отделения диоксида углерода от других газов, поступающих от производства электроэнергии или промышленного предприятия. В процессе образования петель кальция эти два вида карбонат кальция (CaCO3) и оксид кальция (СаО). Уловленный диоксид углерода затем может быть транспортируется к место хранения, используется в повышенная нефтеотдача или использовался как химическое сырье. Оксид кальция часто называют сорбент.

В настоящее время разрабатываются кальциевые петли, поскольку это более эффективная и менее токсичная альтернатива нынешним процессам улавливания после сжигания, таким как очистка амином.[1] Он также имеет интересный потенциал для интеграции с цемент промышленность.[2][3]

Основная концепция

 

 

 

 

(1)

В CaL есть два основных этапа:[4]

  • Кальцинирование: Твердый карбонат кальция подается в декарбонизатор, где он нагревается до 850-950 ° C, чтобы вызвать термическое разложение на газообразный диоксид углерода и твердый оксид кальция (CaO). Почти чистый поток CO2 затем удаляется и очищается, так что он пригоден для хранения или использования. Это «прямая» реакция в приведенном выше уравнении.
  • Карбонизация: Твердый CaO удаляется из декарбонизатора и подается в карбонатор. Он охлаждается примерно до 650 ° C и вступает в контакт с дымовым газом, содержащим от низкой до средней концентрации CO.2. CaO и CO2 реагировать с образованием CaCO3, тем самым уменьшая CO2 концентрация в дымовых газах до уровня, подходящего для выбросов в атмосферу. Это «обратная» реакция в приведенном выше уравнении.

Обратите внимание, что карбонизация - это прокаливание в обратном порядке.

Хотя процесс теоретически можно проводить бесконечное количество раз, сорбент оксида кальция разлагается по мере его цикла.[4] По этой причине необходимо удалить (удалять) часть сорбента из системы и заменить его свежим сорбентом (часто в карбонатной форме). Размер продувочного потока по сравнению с количеством сорбента, проходящего по циклу, значительно влияет на процесс.[5]

Фон

В процессе образования петель из кальция сорбент на основе CaO, обычно получаемый из известняка, вступает в реакцию посредством обратимой реакции, описанной в уравнении (1) и многократно перемещается между двумя сосудами.

Нападающий, эндотермический шаг называется прокаливание в то время как назад, экзотермический шаг карбонизация.

Типичный процесс циркуляции Ca для дожигания CO2 захват показан на рисунке 1, за которым следует более подробное описание.

Дымовой газ, содержащий CO2 подается в первую емкость (карбонатор), где карбонизация происходит. CaCO3 образующийся передается в другую емкость (декарбонизатор). Кальцинирование происходит на этой стадии, и регенерированный CaO быстро возвращается в карбонизатор, оставляя чистый CO2 поток позади. По мере продолжения этого цикла сорбент CaO постоянно заменяется свежим (реактивным) сорбентом.[6] Высококонцентрированный CO2 из декарбонизатора подходит для секвестрация, а отработанный CaO может быть использован в других местах, особенно в цементной промышленности. Тепло, необходимое для прокаливания, может быть обеспечено кислородное горение угля внизу.

Кислородное сжигание угля: для сжигания используется чистый кислород, а не воздух, что устраняет большое количество азота в потоке дымовых газов. После удаления твердых частиц дымовой газ состоит только из водяного пара и CO.2, плюс меньшее количество других загрязнителей. После сжатия дымовых газов для удаления водяного пара и дополнительного удаления загрязнителей воздуха почти чистый CO2 создается поток, пригодный для хранения.

Рабочая температура карбонатора 650-700 ° C выбрана как компромисс между более высоким равновесным (максимальным) улавливанием при более низких температурах из-за экзотермический характер стадии карбонизации и пониженная скорость реакции. Точно так же температура> 850 ° C в кальцинаторе обеспечивает баланс между повышенной скоростью прокаливания при более высоких температурах и сниженной скоростью разложения сорбента CaO при более низких температурах.

Описание процесса

CaL обычно разрабатывается с использованием система двойного псевдоожиженного слоя для обеспечения достаточного контакта газовых потоков с сорбентом.[4][7][8][9][10][11][12] Обжиговая печь и карбонатор представляют собой псевдоожиженные слои с соответствующим технологическим оборудованием для разделения газов и твердых частиц (например, циклоны ). Прокаливание - это эндотермический процесс, который требует нагревания декарбонизатора. Противоположная реакция, карбонизация, является экзотермической, и необходимо отводить тепло. Поскольку экзотермическая реакция происходит при температуре около 650 ° C, а эндотермическая реакция - при 850-950 ° C, тепло от карбонизатора нельзя напрямую использовать для нагрева декарбонизатора.

Псевдоожижение твердого слоя в карбонаторе достигается пропусканием дымового газа через слой. В декарбонизаторе часть рекуперированного CO2 перерабатывается системой.[4] Некоторое количество кислорода может также проходить через реактор, если топливо сжигается в декарбонизаторе для получения энергии.

Энергоснабжение декарбонизатора

На стадии эндотермического обжига можно подавать тепло прямо или косвенно.

Прямая подача тепла предполагает сжигание топлива в самой декарбонизаторе (сжигание в псевдоожиженном слое ). Обычно предполагается, что это делается в кислородно-топливный условия; то есть кислород, а не воздух используется для сжигания топлива, чтобы предотвратить разбавление CO.2 азотом. Обеспечение кислородом для сгорания требует много электроэнергии; Другой процессы разделения воздуха разрабатываются.[13]

Косвенная подача тепла в декарбонизатор включает:

  • Сжигание топлива вне судна и передача энергии внутрь судна[14]
  • Сжигание топлива в другом судне и использование теплоносителя.[7]

Косвенные методы обычно менее эффективны, но не требуют подачи кислорода для сжигания в декарбонизаторе, чтобы предотвратить разбавление. Дымовой газ от сжигания топлива непрямым методом может быть смешан с дымовым газом из процесса, к которому присоединена установка CaL, и пропущен через карбонизатор для улавливания CO.2.

Восстановление энергии из карбонатора

Хотя тепло от карбонатора не имеет достаточно высокой температуры, чтобы его можно было использовать в декарбонизаторе, высокие температуры (> 600 ° C) означают, что относительно эффективный Цикл Ренкина для выработки электроэнергии можно эксплуатировать.[15]

Обратите внимание, что отходящее тепло от лидера рынка аминовая очистка CO2 процесс захвата излучается при максимальной температуре 150 ° C.[13] Низкая температура этого тепла означает, что он содержит гораздо меньше эксергия и может вырабатывать гораздо меньше электроэнергии с помощью Ренкина или органический цикл Ренкина.

Это производство электроэнергии является одним из основных преимуществ CaL по сравнению с процессами улавливания после сжигания при более низкой температуре, поскольку электроэнергия является дополнительным источником дохода (или снижает затраты).

Деградация сорбента

Показано, что активность сорбента заметно снижается при лабораторных, стендовых и опытно-промышленных испытаниях. Это ухудшение объясняется тремя основными механизмами, как показано ниже.[4]

Потертость

Оксид кальция рыхлый, то есть достаточно хрупкий. В псевдоожиженном слое частицы оксида кальция могут распадаться при столкновении с другими частицами псевдоожиженного слоя или сосуда, содержащего его.[8][9] Проблема кажется более серьезной при испытаниях на пилотной установке.[16] чем в лабораторном масштабе.

Сульфатирование

Сульфатирование - относительно медленная реакция (несколько часов) по сравнению с карбонизацией (<10 минут); таким образом, более вероятно, что SO2 войдет в контакт с CaCO3 чем CaO. Однако обе реакции возможны и показаны ниже.

Косвенное сульфатирование:
Прямое сульфатирование:

Потому что сульфат кальция имеет больший молярный объем, чем CaO или CaCO3 на внешней стороне частицы образуется сульфатированный слой, который может предотвратить поглощение CO.2 CaO внутри частицы.[4] Кроме того, температура, при которой сульфат кальция диссоциирует до CaO и SO2 относительно высока, что исключает обратимость сульфатирования в условиях, присутствующих в CaL.

Технические последствия

Технология кальциевой петли имеет несколько технических преимуществ перед очистка амином для улавливания углерода. Во-первых, и карбонатор, и декарбонизатор могут использовать псевдоожиженный слой технологии, благодаря хорошему контакту газа и твердого вещества и равномерной температуре слоя. Технология псевдоожиженного слоя уже была продемонстрирована в больших масштабах: существуют большие (460 МВт эл. очистка амином.[17]

Кроме того, процесс образования петель кальция является энергоэффективным. Теплота, необходимая для эндотермического обжига CaCO3 и тепло, необходимое для повышения температуры свежего известняка от температуры окружающей среды, может обеспечиваться кислородным сжиганием топлива на месте в декарбонизаторе. Хотя для отделения O2 от N2, большая часть подводимой энергии может быть восстановлена, поскольку реакция карбонатора экзотермична и CO2 из декарбонизатора может использоваться для приведения в действие парового цикла. Твердый продувочный теплообменник также можно использовать для рекуперации энергии из дезактивированного CaO и угольной золы из кальцинатора.[18] В результате на процесс питания налагается относительно небольшое снижение эффективности, где потеря эффективности относится к потерям мощности для CO.2 сжатие, разделение воздуха и производство пара.[19] Он оценивается в 6-8% по сравнению с 9,5-12,5% от улавливания амина после сжигания.[20]

Основным недостатком технологии кальцинирования является пониженная реакционная способность CaO в результате нескольких циклов кальцинирования-карбонизации. Это может быть связано со спеканием и постоянным закрытием мелких пор во время карбонизация.

Закрытие мелких пор

В карбонизация Этап характеризуется быстрой начальной скоростью реакции, за которой резко следует медленная скорость реакции (рис. 2). Пропускная способность сорбента определяется как количество молей CO2 прореагировала в период высокой скорости реакции по сравнению со стехиометрией реакции для полного превращения СаО в СаСО3. Как видно на рисунке 2, в то время как масса после прокаливания остается постоянной, изменение массы при карбонизации - пропускная способность - уменьшается с большим количеством циклов. При прокаливании пористый CaO (молярный объем = 16,9 см3/грамм) образуется вместо CaCO3 (36,9 см3/грамм.). С другой стороны, при карбонизации CaCO3 образующаяся на поверхности частицы CaO занимает больший молярный объем. В результате, как только слой карбоната образовался на поверхности (в том числе на большой внутренней поверхности пористого CaO), он препятствует дальнейшему развитию CO.2 захватывать. Этот слой продукта растет над порами и закрывает их, заставляя карбонизацию происходить медленнее, распространение зависимый механизм.

Спекание

CaO также склонен к спекание, или изменение формы пор, усадка и рост зерен во время нагрева.[21] Ионные соединения, такие как CaO, в основном спекаются из-за объемной диффузии или решеточная диффузия механика. Согласно теории спекания,[22] Вакансии, образованные чувствительными к температуре дефектами, направляют пустоты от более мелких к более крупным, что объясняет наблюдаемый рост крупных пор и сокращение мелких пор в циклическом известняке.[23] Было обнаружено, что спекание CaO увеличивается при более высоких температурах и более продолжительной продолжительности прокаливания, тогда как время карбонизации оказывает минимальное влияние на спекание частиц. Резкое увеличение спекания частиц наблюдается при температурах выше 1173 К,[24] вызывая уменьшение реактивной площади поверхности и соответствующее снижение реакционной способности.

Решения: В настоящее время изучаются несколько вариантов уменьшения дезактивации сорбента. Идеальный сорбент был бы механически прочным, сохранял бы свою реакционную поверхность в течение повторяющихся циклов и был бы относительно недорогим. Два многообещающих варианта - использование предварительно термически активированных частиц или реактивация отработанных сорбентов путем гидратации. Было обнаружено, что предварительно термически активированные частицы сохраняют активность до тысячи циклов. Точно так же частицы, реактивированные за счет гидратации, показывают улучшенное долгосрочное (после ~ 20 циклов) превращение.[25]

Утилизация отработанного сорбента

Свойства сорбента отходов

После нескольких циклов и удаления из кальциевого контура сорбент для отходов оттянется, сульфатируется и смешается с золой любого используемого топлива. Количество золы в отработанном сорбенте будет зависеть от доли удаляемого сорбента, а также золы и теплотворной способности топлива. Размер фракции сорбента зависит от исходной фракции, но также от количества используемых циклов и типа используемого известняка.[26]

Пути утилизации

Предлагаемые способы утилизации сорбента отходов включают:

  • Свалка;
  • Сброс в море;
  • Использование в производстве цемента;
  • Использование в десульфуризации дымовых газов (FGD).

Жизненный цикл CO2 были рассчитаны выбросы для производства электроэнергии с использованием CaL и первых трех методов утилизации.[27] Перед утилизацией угля CaO энергия с CaL имеет такой же уровень выбросов в течение жизненного цикла, что и при очистке амином, но с CO2-абсорбирующие свойства CaO CaL становится значительно менее загрязняющим. Удаление океана было признано лучшим, но действующие законы, касающиеся сброса отходов в море, предотвращают это. Следующим лучшим было использование в производстве цемента, что снизило выбросы по сравнению с угольной электростанцией с неизменной производительностью на 93%.

Использование в производстве цемента

портландцемент составляет примерно две трети оксида кальция по массе, и на его производство приходится примерно 8% мирового CO2 выбросы. 60% этого CO2 происходит от прокаливания карбоната кальция, как показано ранее в этой статье, а остальные 40% - от сжигания ископаемого топлива. Заменяя часть или весь карбонат кальция, поступающий в установку, отработанным оксидом кальция, CO2 можно избежать из-за кальцинирования, а также некоторых CO2 от сжигания ископаемого топлива.

Этот оксид кальция может быть получен из других точечных источников CO.2 таких как электростанции, но больше всего усилий было сосредоточено на интеграции кальциевых петель с производством портландцемента. Заменив декарбонизатор на цементном заводе на кальциевый петлевой завод, можно будет улавливать 90% или более CO.2 относительно недорого. Существуют альтернативные установки, такие как размещение кальциевой петлевой установки в секции подогревателя, чтобы сделать установку максимально эффективной.

Была проведена некоторая работа по выяснению того, влияет ли кальциевая петля на качество производимого портландцемента, но результаты, похоже, предполагают, что получение придающих прочность фаз, таких как алит аналогичны для цемента с кальциевой петлей и цемента без петли кальция.[28]

Экономические последствия

Кальциевый цикл имеет несколько экономических преимуществ.

Стоимость метрической тонны CO2 захвачен

Во-первых, Ca-петля дает большее преимущество по стоимости по сравнению с традиционными технологиями очистки амином. Стоимость / метрическая тонна CO2 захваченный через Са-петлю составляет ~ 23,70 доллара, тогда как для CO2 захвачен через очистка амином составляет примерно 35–96 долларов.[29] Это можно объяснить высокой доступностью и низкой стоимостью сорбента CaO (полученного из известняка) по сравнению с MEA. Кроме того, как обсуждалось в разделе 2, Ca-петля требует меньших затрат энергии, чем очистка амином, что приводит к более низким затратам энергии. Процесс аминовой очистки является энергоемким, примерно 67% эксплуатационных расходов приходится на пар для регенерации растворителя. Более подробное сравнение Са-петли и аминовой очистки показано ниже.

Сравнение кальциевого цикла и аминовой очистки
Очистка аминомCa-Looping
Расходы/CO
2 избегали		~ 35–96 $ / т~ 23,70 $ / тонна
Стоимость сырья[30]1250 долларов США за тонну MEA25 долларов США за тонну CaCO3
Штраф за эффективность6-12%6-8%

Стоимость СО2 выбросы предотвращены за счет образования цикла Са

Кроме того, стоимость CO2 Выбросы, предотвращаемые за счет кальциевого цикла, ниже, чем стоимость выбросов, которых можно избежать за счет процесса сжигания кислородного топлива (~ 23,8 доллара США / т). Это можно объяснить тем, что, несмотря на капитальные затраты, понесенные при строительстве карбонатора для кальциевого цикла, CO2 будет улавливаться не только при кислородном сжигании, но и из основной камеры сгорания (перед карбонатором). Кислород, требуемый в декарбонизаторах, составляет только 1/3 от кислородного топлива, что снижает капитальные затраты на установку разделения воздуха и эксплуатационные расходы.[17]Анализ чувствительности: на рисунке 3 показано, как изменение 8 отдельных параметров влияет на стоимость / метрическую тонну CO.2 захвачены через Са-петлю. Очевидно, что доминирующие переменные, влияющие на стоимость, связаны с использованием сорбента, соотношением Са / С и коэффициентом дезактивации СаО. Это связано с тем, что требуемые большие количества сорбента доминируют над экономикой процесса улавливания.

Следовательно, эти переменные следует принимать во внимание для достижения дальнейшего снижения затрат в процессе кальциевого цикла. Стоимость известняка в значительной степени определяется рыночными силами и находится вне контроля завода. В настоящее время для карбонаторов требуется соотношение Ca / C, равное 4 для эффективного CO.2 захватывать. Однако, если соотношение Ca / C или дезактивация CaO снижается (т. Е. Можно заставить сорбент работать более эффективно), сокращение расхода материалов и отходов может снизить потребность в сырье и эксплуатационные расходы.

Производство цемента

Наконец, благоприятная экономическая эффективность может быть достигнута за счет использования материала, очищенного от кальциевого цикла в производстве цемента. Сырье для производства цемента включает ~ 85 мас.% Известняка, а оставшийся материал состоит из глины и добавок (например, SiO2, Al2О3 так далее.).[31] Первый этап процесса включает кальцинирование известняка для получения CaO, который затем смешивается с другими материалами в печи для производства клинкера.

Использование продуванного материала из Ca-петлевой системы снизит затраты на сырье для производства цемента. Отходы CaO и золу можно использовать вместо CaCO3 (основная составляющая подачи цемента). Зола также может удовлетворять требованиям по алюмосиликату, которые в противном случае поставлялись бы с добавками. Поскольку более 60% энергии, используемой в производстве цемента, идет на ввод тепла для прекальцинатора, такая интеграция с кальцинированием и, как следствие, снижение потребности в стадии обжига может привести к значительной экономии энергии (EU, 2001). Однако существуют проблемы с использованием отработанного CaO в производстве цемента. Например, добавление кальциевого цикла ко всем угольным электростанциям в Великобритании приведет к образованию отходов, достаточных для производства цемента 33 млн. Тонн в год, тогда как текущее производство цемента в Великобритании составляет всего 12,5 млн. Тонн в год. Следовательно, если технология применяется в больших масштабах, скорость очистки от CaO должна быть оптимизирована для минимизации отходов.[32]

Политические и экологические последствия

Чтобы полностью оценить жизнеспособность кальциевой петли как процесса захвата, необходимо также учитывать политические, экологические и медицинские последствия этого процесса.

Политические последствия

Хотя многие недавние научные отчеты (например: план стабилизации из семи клиньев Пакалы и Соколова) указывают на срочную необходимость развертывания CCS, эта срочность не распространилась на политический истеблишмент.[33] в основном из-за высоких затрат и затрат энергии на CCS [34] Экономика кальциевого цикла является неотъемлемой частью его политической жизнеспособности. Одним из экономических и политических преимуществ является возможность модернизации системы Ca-loop на существующих электростанциях, вместо того, чтобы требовать строительства новых станций. МЭА рассматривает электростанции как важную цель для улавливания углерода и поставило цель к 2040 году развернуть системы CCS на всех электростанциях, работающих на ископаемом топливе.[35] Однако строить электростанции дорого и они долговечны. Модернизация систем улавливания дожигания, таких как Ca-loop, кажется единственным политически и экономически жизнеспособным способом достижения цели МЭА.

Еще одним политическим преимуществом является потенциальная синергия между кальциевой петлей и производством цемента. В отчете МЭА делается вывод, что для достижения целей по сокращению выбросов к 2050 году в Индии и Китае должно быть реализовано 450 проектов CCS.[35] Однако это может быть сложно с политической точки зрения, особенно с учетом множества других целей развития этих стран. В конце концов, для политика вкладывать деньги в CCS может быть менее выгодно, чем вкладывать их в схемы занятости или сельскохозяйственные субсидии. Здесь интеграция кальциевого цикла с процветающей и (особенно с расширением инфраструктуры в развивающихся странах) жизненно важной цементной промышленностью может оказаться убедительной для политического истеблишмента.

Эта потенциальная синергия с цементной промышленностью также обеспечивает экологические преимущества за счет одновременного снижения количества отходов в процессе замкнутого цикла и обезуглероживания производства цемента. Производство цемента является энерго- и ресурсоемким, так как на тонну производимого цемента требуется 1,5 тонны материала.[36] В развивающемся мире экономический рост будет стимулировать рост инфраструктуры, увеличивая спрос на цемент. Таким образом, использование отходов производства цемента может иметь большое положительное воздействие на окружающую среду.

Последствия для окружающей среды

Исходным материалом для кальциевых петель является известняк, который экологически безвреден и широко доступен, составляя более 10% (по объему) всей осадочной породы. Известняк уже добывается, и его можно дешево достать. Известно, что процесс добычи не имеет серьезных неблагоприятных воздействий на окружающую среду, за исключением неизбежного вмешательства в любые операции по добыче полезных ископаемых. Однако, как показывает следующий расчет, несмотря на интеграцию с цементной промышленностью, отходы кальциевого цикла все еще могут быть проблемой.

С точки зрения окружающей среды и здоровья, кальциево-петлевание выгодно отличается от аминовой очистки. Известно, что при очистке с помощью аминов образуются загрязнители воздуха, включая амины и аммиак, которые могут реагировать с образованием канцерогенных нитрозаминов.[37] С другой стороны, образование петель кальция не производит вредных загрязнителей. Кроме того, он не только улавливает CO.2, но также удаляет загрязнитель SO2 из дымовых газов.[38] Это как преимущество, так и недостаток, поскольку качество воздуха улучшается, но захваченный SO2 пагубно влияет на цемент, образующийся из отходов образования петель кальция.

Достоинства и недостатки

Преимущества процесса

Кольцевание кальция рассматривается как потенциально многообещающее решение для снижения выбросов CO.2 штраф за захват энергии.[39] Есть много преимуществ у методов кальциевой петли. Во-первых, было доказано, что метод дает низкие потери эффективности (5-8% баллов), в то время как другие зрелые CO2 Системы улавливания дают более высокие потери эффективности (8-12,5%).[40] Кроме того, этот метод хорошо подходит для широкого диапазона дымовых газов. Кальциевый контур применим для новых построек и модернизации существующих электростанций или других стационарных промышленных CO.2 источников, потому что способ может быть реализован с использованием крупномасштабных циркулирующих псевдоожиженных слоев, в то время как другие методы, такие как очистка амином, требуются в значительно более высоких башнях для очистки растворителей.[41] Кроме того, измельченный известняк, используемый в кальциевых петлях в качестве сорбента, является натуральным продуктом, который широко распространен во всем мире, безопасен и недорог. Многие производители цемента или электростанции, расположенные близко к источникам известняка, вероятно, могли бы использовать кальциевый контур для CO.2 захватывать. Сорбент отходов может быть использован в производстве цемента.

Недостатки

Помимо этих преимуществ, необходимо учитывать несколько недостатков. Установка, включающая кальциевый цикл, может потребовать больших инвестиций в строительство из-за высокой тепловой мощности кальциевого контура дожигания. Емкость сорбента значительно уменьшается с количеством циклов для каждого карбонизация -прокаливание цикл, поэтому для блока кальциевого цикла потребуется постоянный поток известняка. Чтобы увеличить длительную реакционную способность сорбента или реактивировать сорбент, исследуются некоторые методы, такие как предварительная термическая обработка, химический допинг и производство искусственных сорбентов.[41] Метод, использующий концепцию реактора с псевдоожиженным слоем, но есть некоторые проблемы, вызывающие неопределенность для процесса. Истирание известняка может стать проблемой при повторной езде на велосипеде.[20]

Преимущества кальциевой петли по сравнению с другими процессами улавливания дожигания

Кальциевый цикл выгодно отличается от нескольких дожигающих технологии захвата. Очистка амином является технологией улавливания, наиболее близкой к рыночной, и кальциевые петли имеют несколько заметных преимуществ перед ней. При моделировании угольной электростанции мощностью 580 МВт кальциевый цикл не только имел меньшее снижение эффективности (6,7-7,9% баллов по сравнению с 9,5% для моноэтаноламин и 9% для охлажденного аммиака), но и менее сложный процесс модернизации. Обе технологии потребуют модернизации установки для внедрения, но процесс модернизации кальциевого контура приведет к удвоению полезной выходной мощности по сравнению с технологией очистки.[42] Кроме того, это преимущество может быть усилено за счет внедрения такой технологии, как криогенный кислород.2 системы хранения. Это увеличивает эффективность кальциевой петлевой технологии за счет увеличения плотности энергии на 57,4%, что делает и без того низкие потери энергии еще менее серьезной проблемой.[43]

Кальциевый цикл уже имеет энергетическое преимущество перед очистка амином, но основная проблема заключается в том, что очистка амином более готовая к рынку технология. Однако сопутствующая инфраструктура для аминовой очистки включает в себя большие колонны для очистки растворителем, подобные которым никогда не использовались в промышленных масштабах.[20] Сопутствующей инфраструктурой для технологий петлевого улавливания кальция являются циркулирующие псевдоожиженные слои, которые уже реализованы в промышленных масштабах. Хотя отдельные технологии различаются с точки зрения текущей технологической жизнеспособности, тот факт, что инфраструктура, необходимая для правильного внедрения системы очистки амином, еще не разработана, сохраняет кальциевые петли конкурентоспособными с точки зрения жизнеспособности.

Оценка образца

Предположения

  1. Для цикла замкнутого цикла Са, установленного на электростанции мощностью 500 МВт, скорость продувки составляет 12,6 кг СаО / с.[6]
  2. Для процесса производства цемента требуется 0,65 кг CaO / кг произведенного цемента.[6]
  3. Мощность производства электроэнергии в США (только ископаемое топливо): природный газ = 415 ГВт, уголь = 318 ГВт и нефть = 51 ГВт. [44]
  4. Расход цемента в США = 110 470 × 103 метрические тонны = 1,10470 × 108 метрические тонны = 1,10470 × 1011 кг.[45]

Расчеты

Для одного цикла замкнутого цикла Са, установленного на электростанции мощностью 500 МВт:

  1. Количество CaO от продувки ежегодно = 12,6 кг CaO / с × 365 дней / год × 24 часа / день × 3600 с / час = 3,97 × 108 кг CaO / год
  2. Цемент, который можно получить от продувки ежегодно = 3,97 × 108 кг CaO / год × 1 кг цемента / 0,65 кг CaO = 6,11 × 108 кг цемента / год
  3. Чистое производство электроэнергии в США: (415 + 318 + 51) ГВт = 784 ГВт = 7,84 × 1011 W
  4. Количество электростанций 500 МВт: 7,84 × 1011 Вт / 5,00 × 108 W = 1568 электростанций
  5. Количество цемента, которое можно получить из отходов кальциевого цикла: 1568 × 6,11 × 108 кг цемента / год = 9,58 × 1011 кг цемента / год
  6. Производство из отходов цикла Ca в процентах от общего годового потребления цемента = [(9,58 × 1011 кг) / (1,10470 × 1011 кг)] × 100 = 870%

Следовательно, объем производства цемента из отходов кальциевого цикла на всех электростанциях, работающих на ископаемом топливе, в США будет намного больше, чем чистое потребление. Чтобы сделать кальциевый цикл более жизнеспособным, необходимо свести к минимуму количество отходов (т. Е. Уменьшить деградацию сорбента) в идеале примерно до 1/10 текущего уровня.

Рекомендации

  1. ^ Ан, Хёнгун; Люберти, Мауро; Лю, Чжэнъи; Брандани, Стефано (август 2013 г.). «Исследование технологической конфигурации процесса улавливания амина для угольных электростанций» (PDF). Международный журнал по контролю за парниковыми газами. 16: 29–40. Дои:10.1016 / j.ijggc.2013.03.002.
  2. ^ Dean, C.C .; Blamey, J .; Florin, N.H .; Al-Jeboori, M.J .; Феннелл, П.С. (Июнь 2011 г.). "Кальциевый цикл для CO
    2     улавливание от производства электроэнергии, цемента и водорода »     (PDF). Химико-технические исследования и разработки. 89 (6): 836–855. Дои:10.1016 / j.cherd.2010.10.013. HDL:10044/1/12266.
  3. ^ Дин, Чарльз С .; Дагвелл, Денис; Феннелл, Пол С. (2011). "Исследование потенциального синергизма между производством электроэнергии, цемента и CO
    2     снижение выбросов с помощью цикла кальциевой петли ». Энергетика и экология. 4 (6): 2050. Дои:10.1039 / C1EE01282G.
  4. ^ а б c d е ж Blamey, J .; Энтони, E.J .; Wang, J .; Феннелл, П.С. (Апрель 2010 г.). "Цикл кальциевого цикла для крупномасштабных CO
    2     захватывать". Прогресс в области энергетики и горения. 36 (2): 260–279. Дои:10.1016 / j.pecs.2009.10.001.
  5. ^ Rodriguez, N .; Алонсо, М .; Grasa, G .; Абанадес, Дж. Карлос (май 2008 г.). "Потребление тепла в декарбонизаторе CaCO3, интегрированном в СО2 система захвата с использованием CaO ». Журнал химической инженерии. 138 (1–3): 148–154. Дои:10.1016 / j.cej.2007.06.005. HDL:10261/11449.
  6. ^ а б c Blamey, J .; Энтони, E.J .; Wang, J .; Феннелл, П.С. 2010, Кальциевый цикл для крупномасштабных CO
    2     захватывать. Прогресс в области энергетики и горения, т. 36 (2) с. 260-279
  7. ^ а б Rodríguez, N .; Алонсо, М .; Grasa, G .; Абанадес, Дж. Карлос (15 сентября 2008 г.). "Процесс съемки CO
    2     Возникает в результате кальцинирования CaCO3, используемого при производстве цемента ». Экологические науки и технологии. 42 (18): 6980–6984. Дои:10.1021 / es800507c. PMID  18853819.
  8. ^ а б Ким, Чон Ён; Эллис, Наоко; Лим, К. Джим; Грейс, Джон Р. (2020). «Влияние кальцинирования / карбонизации и окисления / восстановления на истирание бинарных твердых частиц в химическом реформинге с циклической сорбцией». Топливо. 271: 117665. Дои:10.1016 / j.fuel.2020.117665. ISSN  0016-2361.
  9. ^ а б Ким, Чон Ён; Эллис, Наоко; Лим, К. Джим; Грейс, Джон Р. (2020). «Истирание бинарных смесей твердых тел в установке струйного истирания». Порошковая технология. 352: 445–452. Дои:10.1016 / j.powtec.2019.05.010. ISSN  0032-5910.
  10. ^ Shimizu, T .; Hirama, T .; Hosoda, H .; Китано, К .; Inagaki, M .; Тедзима, К. (январь 1999 г.). "Двойной реактор с псевдоожиженным слоем для удаления CO
    2     от процессов горения ». Химико-технические исследования и разработки. 77 (1): 62–68. Дои:10.1205/026387699525882.
  11. ^ Fennell, Paul S .; Паччиани, Роберта; Деннис, Джон С .; Дэвидсон, Джон Ф .; Хейхерст, Аллан Н. (июль 2007 г.). «Влияние повторяющихся циклов кальцинирования и карбонизации на множество различных известняков, измеренных в горячем псевдоожиженном слое песка». Энергия и топливо. 21 (4): 2072–2081. Дои:10.1021 / ef060506o.
  12. ^ Флорин, Николай Х .; Блейми, Джон; Феннелл, Пол С. (19 августа 2010 г.). «Синтетический сорбент на основе СаО для CO
    2     Захват из крупных источников ". Энергия и топливо. 24 (8): 4598–4604. Дои:10.1021 / ef100447c.
  13. ^ а б Бут-Хэндфорд, Мэтью Э .; Abanades, Juan C .; Энтони, Эдвард Дж .; Блант, Мартин Дж .; Брандани, Стефано; Мак Доуэлл, Найл; Fernández, José R .; Феррари, Мария-Кьяра; Гросс, Роберт; Hallett, Jason P .; Хаселдин, Р. Стюарт; Хептонстолл, Филип; Люнгфельт, Андерс; Макуч, Дзэн; Мангано, Энцо; Портер, Ричард Т. Дж .; Пуркашанян, Мохамед; Рошель, Гэри Т .; Шах, Нилай; Yao, Joseph G .; Феннелл, Пол С. (2014). «Обновление улавливания и хранения углерода». Энергетика и экология. 7 (1): 130–189. Дои:10.1039 / C3EE42350F.
  14. ^ «Технология каталитического мгновенного прокаливания (CFC)». Каликс Лимитед. Получено 21 марта 2014.
  15. ^ Ромео, Луис М .; Абанадес, Дж. Карлос; Escosa, Jesús M .; Паньо, Хара; Хименес, Антонио; Санчес-Биезма, Андрес; Баллестерос, Хуан К. (октябрь 2008 г.). "Цикл кислородной карбонизации / кальцинации по низкой цене CO
    2     захват на существующих электростанциях ». Преобразование энергии и управление. 49 (10): 2809–2814. Дои:10.1016 / j.enconman.2008.03.022.
  16. ^ Лу, Деннис Й .; Хьюз, Робин У .; Энтони, Эдвард Дж. (Декабрь 2008 г.). «Петлевое сжигание сорбента на основе кальция для CO
    2     улавливание в опытных двойных псевдоожиженных слоях ». Технология переработки топлива. 89 (12): 1386–1395. Дои:10.1016 / j.fuproc.2008.06.011.
  17. ^ а б Blamey, J .; Энтони, E.J .; Wang, J .; Феннелл, П.С. (2010). "Кальциевый цикл для крупномасштабного CO2 захватывать". Прогресс в области энергетики и горения. 36 (2): 260–279. Дои:10.1016 / j.pecs.2009.10.001.
  18. ^ Ромео Л. М., Абанадес Дж. К., Эскоса Дж. М., Пано Дж., Химинес А., Санчес-Биезма А. и др. Цикл кислородной карбонизации / кальцинации для недорогого CO2 захват на существующих электростанциях. Преобразование энергии и управление 2008;49(10):2809–14
  19. ^ Abanades, JC; Энтони, EJ; Ван, Дж; Оки, Дж. Э. (2005). «Системы сжигания в псевдоожиженном слое, включающие CO2 захват с CaO ". Экологические науки и технологии. 39 (8): 2861–6. Дои:10.1021 / es0496221. PMID  15884387.
  20. ^ а б c Блейми Дж., Энтони Э. Дж., Ван Дж., Феннелл П.С., Цикл кальциевого цикла для крупномасштабных CO
    2     захватывать, Прогресс в области энергетики и горения 2010
  21. ^ Блейми Дж., Энтони Э.Дж., Ван Дж., Феннелл П.С., "Цикл кальциевого цикла для крупномасштабного CO2 захватывать, Прогресс в области энергетики и горения 2010
  22. ^ Немецкий RM. Теория и практика спекания. Нью-Йорк: Wiley, 1996.
  23. ^ Солнце, П; Грейс, младший; Lim, CJ; Энтони, EJ (2007). «Влияние спекания CaO на циклический CO
    2     захват в энергосистемах ». Журнал Айше. 53 (9): 2432–42. Дои:10.1002 / aic.11251.
  24. ^ Боргвардт, Р. Х. (1989). «Спекание зарождающегося оксида кальция». Химическая инженерия. 44 (1): 53–60. Дои:10.1016/0009-2509(89)85232-7.
  25. ^ Манович, В; Энтони, EJ (2008). «Термическая активация сорбента на основе СаО и самореактивация во время CO
    2     циклы захвата цикла ". Экологические науки и технологии. 42 (11): 4170–4. Дои:10.1021 / es800152s. PMID  18589983.
  26. ^ Гонсалес, Белен (май 2010 г.). Comportiamento de CaO Como Sorbente Regenerable для Captura de CO
    2     (на испанском). Испания: Universidad de Oviedo.
  27. ^ Hurst, Thomas F.; Cockerill, Timothy T.; Florin, Nicholas H. (2012). "Life cycle greenhouse gas assessment of a coal-fired power station with calcium looping CO
    2     capture and offshore geological storage". Энергетика и экология. 5 (5): 7132. Дои:10.1039/C2EE21204H.
  28. ^ Dean, Charles.; Hills, Thomas.; Florin, Nick.; Dugwell, Denis.; Fennell, Paul S. (2013). "Integrating Calcium Looping CO
    2     Capture with the Manufacture of Cement"    . Энергетические процедуры. 37: 7078–7090. Дои:10.1016/j.egypro.2013.06.644.
  29. ^ MacKenzie, A; Granatstein, DL; Anthony, EJ; Abanades, JC (2007). "Economics of CO
    2     capture using the calcium cycle with a pressurized fluidized bed combustion". Энергия и топливо. 21 (2): 920–6. Дои:10.1021/ef0603378.
  30. ^ Rao and Rubin, 2002
  31. ^ Alsop, P. A., Chen, H., Tseng, H., 2007. The Cement Plant Operations Handbook, Fifth Edition, Tradeship Publications, Surrey, UK. Глава 17.
  32. ^ MacKenzie, A; Granatstein, DL; Anthony, EJ; Abanades, JC (2007). "Economics of CO2 capture using the calcium cycle with a pressurized fluidized bed combustor". Энергия и топливо. 21 (2): 920–6. Дои:10.1021/ef0603378.
  33. ^ Pacala S., Socolow R. Stabilizations Wedges: Solving the Climate Problem for the Next 50 Years with Current Technologies. Science, 2004. 305(5686), 968-972
  34. ^ Haszeldine R. Carbon Capture and Storage: How Green Can Black Be? Science, 2009. 325(5948), 1647-1652
  35. ^ а б МЭА. Technology Roadmap: Carbon Capture and Storage. 2009 г.
  36. ^ Jankovic, Alex. Walter Valery, Eugene Davis, "Cement grinding optimisation, Минерал Инжиниринг, Volume 17, Issues 11–12, November–December 2004, Pages 1075-1081
  37. ^ Lag M., Lindeman B., Instanes C., Brunborg B., & Schwarze P. Health effects of amines and derivatives associated with CO2 захватывать. Norwegian Institute of Public Health: 2011
  38. ^ Coppola A., Montagnaro F., Salatino P., Scala F. Fluidized bed calcium looping: The effect of CO
    2     on sorbent attrition and CO
    2     capture capacity, Chemical Engineering Journal, Volumes 207–208, 1 October 2012, 445-449
  39. ^ http://www.aidic.it/cet/13/35/070.pdf
  40. ^ Hanak, Dawid P.; Biliyok, Chechet; Manovic, Vasilije (2016). "Calcium looping with inherent energy storage for decarbonisation of coal-fired power plant". Энергетика и экология. 9 (3): 971–983. Дои:10.1039/C5EE02950C.
  41. ^ а б Blamey, J.; Anthony, E.J.; Wang, J .; Fennell, P.S. (2010). "The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture". Прогресс в области энергетики и горения. 36 (2): 260–279. Дои:10.1016/j.pecs.2009.10.001.
  42. ^ Hanak, D.; Biliyok, C; Anthony, E; Manovic, V. "Modelling and comparison of calcium looping and chemical solvent scrubbing retrofits for CO
    2     capture from coal-fired power plant". Международный журнал по контролю за парниковыми газами. 2015: 226–236.
  43. ^ Hanak D., Biliyok C, Manovic V. Calcium looping with inherent energy storage for декарбонизация of coal-fired power plant. Energy and Environmental Science 2016
  44. ^ EIA. Electricity: Electricity Generating Capacity (2013). http://www.eia.gov/electricity/capacity/
  45. ^ USGS Mineral Resources Program. Cement. <http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cement/170400.pdf >