Anar al contingut

Combustió química en bucle

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Archiu:Caps block 0 basic concept1.png
Figura 1. Diagrama del sistema de reactor CLC
Archiu:Caps block 2 examples.jpg
Figura 2. (Esquerra) Disseny de llit fluidizado dual, la planta pilot de combustió de bucle químic de Darmstadt[1] i (Dreta) disseny de llit fluidizado de llit mòvil interconectado, la planta pilot de colocació directa de carbó de l'Universitat Estatal d'Ohio[2]

La combustió química en bucle (CLC) és un procés tecnològic que sol amprar un sistema de llit fluidizado doble. El CLC operat en un llit mòvil interconectado en un sistema de llit fluidizado també s'ha amprat com un procés de tecnologia. En CLC, s'ampra un òxit metàlic com a material de llit que proporciona l'oxigen per a la combustió en el reactor de combustible. El metal reduït es transferix després al segon llit (reactor d'aire) i es torna a oxidar abans de tornar a introduir-se novament en el reactor de combustible completant el circuit. La figura 1 mostra un diagrama simplificat del procés CLC. La figura 2 mostra un eixemple d'un sistema de reactor de circulació de doble llit fluidizado i un sistema de reactor de circulació de llit fluidizado de llit mòvil.

L'aïllament del combustible del aire simplifica el número de reaccions químiques en la combustió. L'ocupació d'oxigen sense nitrogen i els gasos traça que es troben en l'aire elimina la font principal per a la formació d'òxit de nitrogen (NOx), produïx un gas de combustió compost principalment de diòxit de carbono i vapor d'aigua; uns atres contaminants traça depenen del combustible seleccionat.

Descripció

[editar | editar còdic]

La combustió química en bucle (CLC) utilisa dos o més reaccions per a realisar l'oxidació de combustibles basats en hidrocarburs. En la seua forma més simple, una espècie portadora d'oxigen (normalment un metal) es oxida primer en l'aire formant un òxit. Este òxit es reduïx després utilisant un hidrocarbur com a reductor en una segona reacció. Com a eixemple, un sistema basat en ferro que crema carbono pur implicaria les dos reaccions redox: Plantilla:NumBlkPlantilla:NumBlk Si s'agreguen () i () junts, el conjunt de reacció es reduïx a l'oxidació directa del carbono, és dir: Plantilla:NumBlk El CLC es va estudiar per primera volta com una forma de produir CO2 a partir de combustibles fòssils, utilisant dos llits fluidizados interconectados.[3] Més vesprada es va propondre com un sistema per a aumentar l'eficiència de la central elèctrica.[4] El guany en eficiència és possible per la major reversibilidad de les dos reaccions redox; en la combustió tradicional d'una sola etapa, la lliberació de l'energia d'un combustible es produïx de manera altament irreversible, i s'allunta considerablement de l'equilibri. En CLC, si s'elegix un portador d'oxigen apropiat, es pot fer que abdós reaccions redox ocórreguen de manera casi reversible i a temperatures relativament baixes. Teòricament, açò permet que una central elèctrica que usa CLC s'aproxime a l'eixida de treball ideal per a un motor de combustió interna sense expondre els components a temperatures de treball excessives.

Termodinàmica

[editar | editar còdic]
Archiu:Caps block 20 caps block 21 .png
Fig. 3. Diagrama de Sankey de fluix d'energia en un sistema reversible de CLC.

La figura 3 ilustra gràficament els intercanvis d'energia en un sistema CLC, i mostra un diagrama de Sankey dels fluix d'energia que ocorren en un motor reversible basat en CLC. Estudiant la Fig. 1, un motor tèrmic està dispost per a rebre calor a alta temperatura de la reacció de oxidació exotèrmica. Despuix de convertir part d'esta energia en treball, el motor tèrmic rebuja l'energia restant com a calor. Casi tot este rebuig de calor pot ser absorbit per la reacció de reducció endotèrmica que ocorre en el reductor. Esta disposició requerix que les reaccions redox siguen exotèrmiques i endotèrmiques respectivament, pero est és normalment el cas de la majoria dels metals.[5] Es requerix algun intercanvi de calor adicional en el mig ambient per a satisfer la segona llei; teòricament, per a un procés reversible, l'intercanvi de calor està relacionat en el canvi d'entropía estat estàndar, ΔSo, de la reacció d'oxidació d'hidrocarbur primari com seguix:

Qo = ToΔSo


No obstant, per a la majoria dels hidrocarburs, ΔSo és un valor chicotet i, com a resultat, un motor d'alta eficiència global és teòricament possible.[6]

Captura de CO2

[editar | editar còdic]

Encara que es va propondre com un mig per a aumentar l'eficiència, en els últims anys, s'ha mostrat interés en la CVX com una tècnica de captura de carbono.[7][8] La captura de carbono és facilitada per el CLC perque les dos reaccions redox generen dos corrents de gasos de combustió intrínsecament separades: una corrent del reactor d'aire, que consistix en N
2 atmosfèric i O
2 residual, pero sensiblement lliure de CO2; i una corrent del reactor de combustible que conté predominantment CO2 i H
2O en molt poc nitrogen diluent. El gas de combustió del reactor d'aire es pot descarregar a l'atmòsfera causant una contaminació mínima de CO2. El gas d'eixida del reductor conté casi tot el CO2 generat pel sistema i, per lo tant, es pot dir que el CLC exhibix "captura de carbono inherent", ya que el vapor d'aigua es pot eliminar fàcilment del segon gas de combustió a través de la condensació, lo que du a una corrent de casi CO2 pur. Açò li dona a CLC beneficis clars quan es compara en les tecnologies de captura de carbono de la competència, ya que estes últimes generalment impliquen una penalisació d'energia significativa associada en els sistemes de llavat de post combustió o l'entrada de treball requerida per a les plantes de separació d'aire. Açò ha dut a la proposta de CLC com una tecnologia de captura de carbono d'eficiència energètica,[9][10] capaç de capturar casi tot el CO2, per eixemple, d'una planta de Carbó Químic Directe (CDCL).[11][12] Als resultats de demostració 200 hores contínues d'una unitat CDCL sub-pilot de 25 kW indiquen casi el 100% de conversió de carbó a CO2 sense arrastre de carbono al reactor d'aire.[13][14]

Desenroll tecnològic

[editar | editar còdic]

La primera operació de combustió química en combustibles gaseosos es va demostrar en 2003,[15] i després en combustibles sòlits en 2006.[16] L'experiència operativa total en 34 pilots de 0,3 a 3 MW és més de 9000 h.[17][18][19] Els materials portadors d'oxigen utilisats en l'operació inclouen òxits monometálicos de níquel, coure, manganeso i ferro, aixina com varis òxits combinats que inclouen òxits de manganeso combinats en calcio, ferro i sílice. També s'han usat minerals naturals, especialment per a combustibles sòlits, incloent minerals de ferro, minerals de manganeso i ilmenita.

Cost i penalisació energètica

[editar | editar còdic]

Una evaluació tecnològica detallada de la combustió química de combustible sòlit, és dir, el carbó, per a una planta d'energia de 1000 MW mostra que els costs adicionals del reactor de CLC en comparació a una caldera de llit fluidizado circulant normal són menuts, per les similituts de les tecnologies. Els principals costs són en canvi la compressió de CO2, necessària en totes les tecnologies de captura de CO2 i la producció d'oxigen. La producció d'oxigen molecular també pot ser necessària en certa configuració de CLC per a polir el gas producte del reactor de combustible. En tots els costs adicionals es varen estimar en 20 €/tonellada de CO2, mentres que la penalisació energètica va ser del 4%.[20]

Variants i tecnologies relacionades

[editar | editar còdic]

Una variant de CLC és la combustió química en desacoplament d'oxigen (CLOU), a on s'utilisa un transportador d'oxigen que llibera oxigen en fase gaseosa en el reactor de combustible, per eixemple CuO/Cu
2O.[21] Açò és útil per a conseguir una alta conversió de gas, i especialment quan s'usen combustibles sòlits, a on es pot evitar la llenta gasificació del carbó. L'operació CLOU en combustibles sòlits mostra un alt rendiment[22][23]

L'us de llaços químics també es pot utilisar per a produir hidrogen en els processos de reformat de processos químics (CLR).[24][25] En una configuració del procés CLR, l'hidrogen es produïx a partir de carbó i / o gas natural utilisant un reactor de combustible de llit mòvil integrat en un reactor de vapor i un reactor d'aire de llit fluidizado. Esta configuració de CLR pot produir més d'un 99% de purea H 2 sense la necessitat de separació de CO2.[19][26]


En revisions recents sobre tecnologies de bucles químics es donen descripcions generals del camp.[7][27][28]

En resum, el CLC pot conseguir un aument en l'eficiència de l'estació d'energia simultàneament en la captura de carbó en baix consum d'energia. Els desafius en CLC inclouen l'operació de doble llit fluidizado (mantindre la fluidización del portador mentres s'evita el aplastamiento i el desgast) i mantindre l'estabilitat del portador durant molts cicles.


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ Applied Energy.113
    1490–1495.ISSN 0306-2619.doi:10.1016/j.apenergy.2013.09.008.
  2. ↑ Liang-Shih, Fan. Chemical looping partial oxidation : gasification, reforming, and chemical syntheses, Cambridge. OCLC 1011516037. ISBN 9781108157841.
  3. ↑ (1951).Chemical Engineering Progress.47
    251–256.
  4. ↑ (1983).(235)
    71–85.
  5. ↑ (2006).Trans IChemE, Part a Chem. Eng. Res. And Dones..84(9)
    795–806.doi:10.1205/cherd05020.
  6. ↑ (2008).Proc. Inst. Mech. Eng. C.222(6)
    1005–1019.doi:10.1243/09544062JMES790.
  7. ↑ 7,0 7,1 Liang-Shih., Fan (2010). Chemical looping systems for fossil energy conversions, Hoboken, NJ: Wiley-AICHE. OCLC 663464865. ISBN 9780470872888.
  8. ↑ Energy & Environmental Science.5(6)
    7254.ISSN 1754-5692.doi:10.1039/c2ee03198a.
  9. ↑ (1997).Energy Conv. Mgmt..38
    S187–S192.doi:10.1016/S0196-8904(96)00267-1.
  10. ↑ (2004).Trans. ASME.126(2)
    316–321.doi:10.1115/1.1615251.
  11. ↑ Gorder. «New Coal Technology Harnesses Energy Without Burning, Nears Pilot-Scale Development». researchnews.osu.edu. Archivat des d'el original, el 21 de decembre de 2016. Consultat el 4 de novembre de 2016.
  12. ↑ Applied Energy.145
    354–363.ISSN 0306-2619.doi:10.1016/j.apenergy.2015.02.026.
  13. ↑ Energy & Fuels.27(3)
    1347–1356.ISSN 0887-0624.doi:10.1021/ef400010s.
  14. ↑ Applied Energy.208
    678–690.ISSN 0306-2619.doi:10.1016/j.apenergy.2017.09.079.
  15. ↑ (2004).Greenhouse Gas Issues.No.73
    2–3.
  16. ↑ (2007).Greenhouse Gas Issues.No. 85
    9–10.
  17. ↑ (2011).Oil & Gas Science and Technology.66:2(2)
    161–172.doi:10.2516/ogst/2010038.
  18. ↑ 13th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14–18 November 2016, Lausanne, Switzerland.
  19. ↑ 19,0 19,1 Applied Energy.113
    1836–1845.ISSN 0306-2619.doi:10.1016/j.apenergy.2013.05.024.
  20. ↑ Applied Energy.157
    475–487.doi:10.1016/j.apenergy.2015.04.057.
  21. ↑ (2009).International Journal of Greenhouse Gas Control.3
    11–19.doi:10.1016/j.ijggc.2008.06.002.
  22. ↑ (2012).International Journal of Greenhouse Gas Control.6
    189–200.doi:10.1016/j.ijggc.2011.10.016.
  23. ↑ Applied Catalysis B: Environmental.166–167
    132–144.doi:10.1016/j.apcatb.2014.10.067.
  24. ↑ (2006).Journal of Hydrogen Energy.31(10)
    1631–1641.doi:10.1016/j.ijhydene.2005.12.003.
  25. ↑ (2006).Fuel.85(12–13)
    1631–1641.doi:10.1016/j.fuel.2006.02.004.
  26. ↑ Fuel.103
    495–505.ISSN 0016-2361.doi:10.1016/j.fuel.2012.06.088.
  27. ↑ Lyngfelt, A. i Mattisson, T. (2011) "Materials per a la combustió química en bucle", en D. Stolten i V. Scherer, Captura eficient de carbono per a centrals elèctriques de carbó, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co .. KGaA , 475-504.
  28. ↑ (2012).Progress in Energy and Combustion Science.38(2)
    215–282.doi:10.1016/j.pecs.2011.09.001.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Combustió_química_en_bucle&oldid=768718»