RU56559U1

RU56559U1 - INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS-FUEL IN CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE WHEN USING PARTICLES OF OXIDE CARRIERS OF OXYGEN OXYGEN

Info

Publication number: RU56559U1
Application number: RU2005139888/22U
Authority: RU
Inventors: Георгий Александрович Рябов; Олег Михайлович Фоломеев
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-09-10

Abstract

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.The utility model relates to a power system, namely, to a new technology for burning gaseous fuels - burning in the chemical cycle, which makes it possible to obtain a concentrated stream of carbon dioxide for its subsequent disposal or disposal. The installation contains a reducing (fuel) fluidized bed reactor, an oxidizing (air) circulating fluidized bed reactor with a system for ensuring its circulation between these reactors, including a separator for separating metal oxide particles from the exhaust gases of the oxidizing reactor and two transport lowering risers with pneumatic shutters. According to a utility model, the reactors and the separator are arranged in a plan with the placement of their centers along the corners of the triangle at the minimum mounting distances between the centers, and each pneumatic shutter is made in the form of an L-clan with a lower section, which serves as the lower part of the corresponding riser, and with a length horizontal section equal to 6-10 diameters of this section.

Description

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.The utility model relates to a power system, namely, to a new technology for burning gaseous fuels - burning in the chemical cycle, which makes it possible to obtain a concentrated stream of carbon dioxide (CO ₂ ) for its subsequent disposal or disposal. The essence of this technology boils down to such an organization of the combustion process when the carrier of oxygen to the fuel is not air, but metal oxide (the use of pure oxygen is constrained by the high cost of obtaining it). This eliminates the need for costly installations for capturing CO ₂ from flue gases.

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 A known installation of burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of CO ₂ when using particles of metal oxides - oxygen carriers, containing an oxidizing fluidized bed reactor (KS), which is located inside a reducing reactor KS, a system of circulation of particles of metal oxides between these reactors [1] - analog . The system circulation system [1] includes lifting transport reactors with pneumatic valves, which are J-valves (pot valves), and cyclones located at the gas outlets from these reactors. Such an installation has a large heat sink surface per unit of power, which requires constant heating of the reduction reactor, in which endothermic reactions occur, and the use of bulky pneumatic pot locks leads to a noticeable increase in the size of the installation in plan. In addition, pot locks require the supply of a fluidizing agent on the lower and lifting parts of the shutter, and a lot of fluidizing agent has to be fed into the lifting part, since it operates in the mode of transferring material at high speeds

ожижения. Перечисленные недостатки приводят к большим капитальным и эксплуатационным затратам.liquefaction. These shortcomings lead to large capital and operating costs.

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.A known installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide using particles of metal oxides - oxygen carriers, containing a reducing (fuel) reactor KS, an oxidizing (air) reactor circulating fluidized bed (CCS) with a system for ensuring its circulation between these reactors, including a separator for separating metal oxide particles from the exhaust gases of the oxidation reactor and two transport lowering risers with pneumatic valves [2] - a prototype. In installation [2] compared with installation [1] there are no lifting transport risers, which significantly reduces operating costs. At the same time, in this installation, there are still disadvantages of the installation [1] associated with the use of pot locks and the cumbersome layout of equipment.

Достигаемым результатом полезной модели является уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.The achieved result of the utility model is the reduction of capital and operating costs.

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.This result is ensured by the fact that in the installation for burning gaseous fuel in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide using particles of metal oxides of oxygen carriers, containing a reducing (fuel) reactor KS, an oxidizing (air) reactor CKS with a system for ensuring its circulation between these reactors comprising a separator for separating metal oxide particles from the exhaust gases of the oxidation reactor and two transport lowering risers with pneumatic valves, according to of the useful model, the reactors and the separator are arranged in a plan with the placement of their centers along the angles of the triangle at the minimum mounting distances between the centers, and each pneumatic shutter is made in the form of an L-valve with a lowering section, which serves as the lower part of the corresponding riser, the length of the horizontal section is 6-10 diameters of this section.

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.Figure 1 shows a schematic diagram of an installation according to a utility model (side view) for burning gaseous fuels in a chemical cycle with CO ₂ separation using particles of metal oxides of oxygen carriers; figure 2 is the same installation in plan.

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.The installation according to the utility model comprises a reducing (fuel) fluidized bed reactor 1, an oxidizing (air) circulating fluidized bed reactor 2 with a system for circulating it between said reactors, including a separator 3 for separating metal oxide particles from the exhaust gases of the oxidizing reactor 2 and two transport shuttles riser 4, 5, respectively, in the area between the separator 3 and reactor 1 and in the area between reactors 1 and 2. Both risers 4, 5 in the lower part are equipped with pneumatic valves, made 6, 7, respectively, with the lower section, which is the lower part of the corresponding riser, and with the length s (Fig. 1) of its horizontal section equal to 6-10 diameters of this section. Reactors 1, 2 and separator 3 are located in the plan (Fig. 2) with the placement of their centers A, B, C, respectively, at the corners of the triangle (not indicated in the drawing) with minimum mounting distances m, n, k between these centers. As studies have shown, the choice of the length of the horizontal section of the L-valve within 6-10 of its diameters is optimal according to the conditions of hydraulic resistance of the shutter.

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 - CO₂, 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, Installation according to the utility model works as follows. Reactors 1, 2 and lower risers 4, 5 are charged with a certain amount of metal oxides of oxygen carriers. In the recovery (fuel) reactor 1 and these lowering risers through the L-valves 6, 7 is supplied a gaseous agent (in the reactor 1 and in the L-valve 6 - CO ₂ , N ₂ or inert gas, in the L-valve 7 - N ₂ or inert gas) to liquefy the corresponding layers of particles of metal oxides, and into the oxidizing (air) reactor 2 - pre-heated air. From an external source, for example, an electric heater (not shown in the drawing), the reactors 1 are heated,

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.2 and circulation systems. The mode of circulation of metal oxides is established. Upon reaching a predetermined temperature (at least 700 ° C), gaseous fuel, for example, methane, begins to be supplied to the reduction reactor 1, with the corresponding possible partial or complete cessation of the supply of inert gas to this reactor. When this occurs, the reduction of metal oxides with the release of CO ₂ and water vapor. Reactions proceed with the absorption of heat. Partially reduced metal oxides through the riser riser 5 with the L-valve 7 enter the reactor 2, in which they are oxidized. Oxidation reactions occur with the release of heat, and the total heat in the chemical cycle is equal to the heat from the combustion of methane. Particles of metal oxides in the stream of gases containing mainly nitrogen come from the oxidizing reactor 2 to the separator 3, where they are separated from the gases and transported down the lower riser 4 and the L-valve 6 to the reduction reactor 1. Thus, a closed cycle occurs the movement of metal oxides and the separation of gas flows into CO ₂ with water vapor, which are easily separated by condensation, and nitrogen. In power plants, both gas flows can be used in separate gas turbines. The CO ₂ stream exhausted in the gas turbine after condensation of water vapor enters the disposal site.

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.The use of pneumatic locks with L-valves in the particle circulation system provides the possibility of reducing the consumption of a fluidizing agent and compact placement of devices involved in the chemical cycle of fuel combustion (reduction and oxidation reactors and separator). The maximum compactness is achieved when the reactors and the separator are located in the plan with the placement of their centers along the corners of the triangle with the minimum mounting distances between these centers. As a result, in comparison with the prototype, both capital and operating costs are significantly reduced.

Источники информации:Information sources:

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, 623-629.1. Chemical-looping combustion with inherent CO ₂ separation in a circulating fluidized bed reactor / SRSon, SDKim // 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, 2005.2. Construction and 100 h of operational experience of a 10-kW chemical looping combustor / A. Lyngfelt, H. Tunman // Chapter 36, The CO ₂ 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.

Claims

Installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide using particles of metal oxides of 0 oxygen carriers, containing a reducing (fuel) fluidized bed reactor (KS), an oxidizing (air) circulating fluidized bed reactor (CCS) with a system for ensuring its circulation between these reactors, including a separator for separating metal oxide particles from the exhaust gases of the oxidation reactor and two transport lowering risers with pneumatic valves boiling with oya, characterized in that the reactors and the separator are arranged in terms of the placement of their centers in the corners of a triangle with minimum installation distances between said centers, and each pneumatic valve formed as a L-valve standpipe portion as which is the lower part of the corresponding riser.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the length of the horizontal section of the L-valve is 6-10 diameters of this section.