Установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании частиц оксидов металла-носителей кислорода

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно, к новой технологии сжигания газообразного топлива - сжигания в химическом цикле, что дает возможность получения концентрированного потока углекислого газа для его последующего захоронения или утилизации. Установка содержит восстановительный (топливный) реактор кипящего слоя, окислительный (воздушный) реактор циркулирующего кипящего слоя с системой обеспечения его циркуляции между указанными реакторами, включающей сепаратор для отделения частиц оксида металла от отходящих газов окислительного реактора и два транспортных опускных стояка с пневматическими затворами. Согласно полезной модели реакторы и сепаратор расположены в плане с размещением их центров по углам треугольника при минимальных монтажных расстояниях между указанными центрами, а каждый пневматический затвор выполнен в виде L-клалана с опускным участком, в качестве которого служит нижняя часть соответствующего стояка, и с длиной горизонтального участка, равной 6-10 диаметров этого участка.

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно, к новой технологии сжигания газообразного топлива - сжигания в химическом цикле, что дает возможность получения концентрированного потока углекислого газа (CO₂) для его последующего захоронения или утилизации. Суть этой технологии сводится к такой организации процесса горения, когда переносчиком кислорода к топливу является не воздух, а оксид металла (использование чистого кислорода сдерживается высокими затратами на его получение). При этом исключается необходимость сооружения дорогостоящих установок для улавливания CO₂ из дымовых газов.

Известна установка сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией CO₂ при использовании частиц оксидов металла - носителей кислорода, содержащая окислительный реактор кипящего слоя (КС), который размещен внутри восстановительного реактора КС, систему циркуляции частиц оксидов металла между указанными реакторами [1] - аналог. Система циркуляции установки [1] включает подъемные транспортные реакторы с пневматическими затворами, в качестве которых служат J-клапаны (горшковые затворы), и циклоны, расположенные на выходах газов из указанных реакторов. Такая установка имеет большую поверхность теплоотвода на единицу мощности, что требует постоянного нагрева восстановительного реактора, в котором происходят эндотермические реакции, а использование громоздких пневматических горшковых затворов приводит к заметному увеличению размеров установки в плане. Кроме того, горшковые затворы требуют подачи сжижающего агента на опускной и подъемной частях затвора, причем в подъемную часть приходится подавать много сжижающего агента, так как она работает в режиме переброса материала с большими скоростями

ожижения. Перечисленные недостатки приводят к большим капитальным и эксплуатационным затратам.

Известна установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании частиц оксидов металла - носителей кислорода, содержащая восстановительный (топливный) реактор КС, окислительный (воздушный) реактор циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) с системой обеспечения его циркуляции между указанными реакторами, включающей сепаратор для отделения частиц оксида металла от отходящих газов окислительного реактора и два транспортных опускных стояка с пневматическими затворами [2] - прототип. В установке [2] по сравнению с установкой [1] отсутствуют подъемные транспортные стояки, что существенно уменьшает эксплуатационные затраты. Вместе с тем в этой установке остаются недостатки установки [1], связанные с использованием горшковых затворов и громоздкой компоновкой оборудования.

Достигаемым результатом полезной модели является уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.

Указанный результат обеспечивается тем, что в установке для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании частиц оксидов металла-носителей кислорода, содержащая восстановительный (топливный) реактор КС, окислительный (воздушный) реактор ЦКС с системой обеспечения его циркуляции между указанными реакторами, включающей сепаратор для отделения частиц оксида металла от отходящих газов окислительного реактора и два транспортных опускных стояка с пневматическими затворами, согласно полезной модели реакторы и сепаратор расположены в плане с размещением их центров по углам треугольника при минимальных монтажных расстояниях между указанными центрами, а каждый пневматический затвор выполнен в виде L-клапана с опускным участком, в качестве которого служит нижняя часть соответствующего стояка, причем длина горизонтального участка составляет 6-10 диаметров этого участка.

На фиг.1 приведена принципиальная схема установки согласно полезной модели (вид сбоку) для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией CO₂ при использовании частиц оксидов металла-носителей кислорода; на фиг.2 - та же установка в плане.

Установка согласно полезной модели содержит восстановительный (топливный) реактор 1 кипящего слоя, окислительный (воздушный) реактор 2 циркулирующего кипящего слоя с системой обеспечения его циркуляции между указанными реакторами, включающей сепаратор 3 для отделения частиц оксида металла от отходящих газов окислительного реактора 2 и два транспортных опускных стояка 4, 5 соответственно на участке между сепаратором 3 и реактором 1 и на участке между реакторами 1 и 2. Оба стояка 4, 5 в нижней части снабжены пневматическими затворами, выполненными в виде L-клаланов соответственно 6, 7 с опускным участком, в качестве которого служит нижняя часть соответствующего стояка, и с длиной s (фиг.1) его горизонтального участка, равной 6-10 диаметров этого участка. Реакторы 1, 2 и сепаратор 3 расположены в плане (фиг.2) с размещением их центров соответственно А, В, С по углам треугольника (на чертеже не обозначен) при минимальных монтажных расстояниях m, n, k между указанными центрами. Как показали исследования, выбор длины горизонтального участка L-клапана в пределах 6-10 его диаметров является оптимальным по условиям гидравлического сопротивления затвора.

Установка согласно полезной модели работает следующим образом. В реакторы 1, 2 и опускные стояки 4, 5 загружается определенное количество оксидов металлов-носителей кислорода. В восстановительный (топливный) реактор 1 и указанные опускные стояки через L-клапаны 6, 7 подводится газообразный агент (в реактор 1 и в L-клапан 6 - CO ₂, N₂ или инертный газ, в L-клапан 7 - N₂ или инертный газ) для сжижения соответствующих слоев частиц оксидов металлов, а в окислительный (воздушный) реактор 2 - предварительно подогретый воздух. От постороннего источника, например, электронагревателя (на чертеже не показан) производится разогрев реакторов 1,

2 и системы циркуляции. Устанавливается режим циркуляции оксидов металлов. При достижении заданной температуры (не менее 700°С) в восстановительный реактор 1 начинают подавать газообразное топливо, например, метан с соответствующим возможным частичным или полным прекращением подачи в этот реактор инертного газа. При этом происходит восстановление оксидов металлов с выделением CO₂ и паров воды. Реакции протекают с поглощением тепла. Частично восстановленные оксиды металлов через опускной стояк 5 с L-клапаном 7 поступают в реактор 2, в котором происходит их окисление. Реакции окисления происходят с выделением тепла, причем общее тепловыделение в химическом цикле равно тепловыделению от сжигания метана. Частицы оксидов металлов в потоке газов, содержащих, в основном, азот, поступают из окислительного реактора 2 в сепаратор 3, где отделяются от газов и транспортируются вниз по опускному стояку 4 и L-клапану 6 в восстановительный реактор 1. Таким образом, происходит замкнутый цикл движения оксидов металлов и разделение потоков газов на CO₂ с парами воды, которые легко отделяются при конденсации, и азот. В энергетических установках оба потока газов могут быть использованы в отдельных газовых турбинах. Отработанный в газовой турбине поток CO₂ после конденсации паров воды поступает на захоронение.

Применение в системе циркуляции частиц пневматических затворов с L-клапанами обеспечивает возможность снижения расхода сжижающего агента и компактного размещения аппаратов, участвующих в химическом цикле сжигания топлив (восстановительный и окислительный реакторы и сепаратор). Максимальная компактность при этом достигается, когда реакторы и сепаратор расположены в плане с размещением их центров по углам треугольника при минимальных монтажных расстояниях между указанными центрами. В результате, по сравнению с прототипом, существенно уменьшаются как капитальные, так и эксплуатационные затраты.

Источники информации:

1. Chemical-looping combustion with inherent CO₂ separation in a circulating fluidized bed reactor / S.R.Son, S.D.Kim // Proc. of the 8-th Int. Conf. on CFB, Hangzhou, China, May 10-13 2005, 623-629.

2. Construction and 100 h of operational experience of a 10-kW chemical looping combustor / A.Lyngfelt, H.Thunman // Chapter 36, The CO₂ Capture and Storage Project (CCP) for Carbon Dioxide Storage in Deep Geological Formations for Climate Change Muigation. Vol.1 - Capture and Separation of Carbon Dioxide from Combustion Sources., Ed., D.Thomas, Elsevier Science, London, 2005.

Установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании частиц оксидов металла 0-носителей кислорода, содержащая восстановительный (топливный) реактор кипящего слоя (КС), окислительный (воздушный) реактор циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) с системой обеспечения его циркуляции между указанными реакторами, включающей сепаратор для отделения частиц оксида металла от отходящих газов окислительного реактора и два транспортных опускных стояка с пневматическими затворами кипящего слоя, отличающаяся тем, что реакторы и сепаратор расположены в плане с размещением их центров по углам треугольника при минимальных монтажных расстояниях между указанными центрами, а каждый пневматический затвор выполнен в виде L-клапана с опускным участком, в качестве которого служит нижняя часть соответствующего стояка.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длина горизонтального участка L-клапана составляет 6-10 диаметров этого участка.