RU72041U1

RU72041U1 - INSTALLATION FOR COMBUSTION OF GAS FUEL IN A CHEMICAL CYCLE WITH SEPARATION OF CARBON DIOXIDE DURING THE CONTROLLED OXYGEN TRANSFER CIRCULATION

Info

Publication number: RU72041U1
Application number: RU2007146014/22U
Authority: RU
Inventors: Георгий Александрович Рябов (RU); Георгий Александрович Рябов; Олег Михайлович Фоломеев (RU); Олег Михайлович Фоломеев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт"
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

1. Установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный реактор кипящего слоя, восстановительный реактор кипящего слоя и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в окислительном реакторе частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми пневматическими затворами кипящего слоя транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с восстановительным реактором, а другой - реакторы между собой, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит два дифференциальных манометра, а в верхней, средней и нижней частях стояка, соединяющего сепаратор с восстановительным реактором, установлены штуцеры отбора давления, соединенные импульсными линиями с указанными дифференциальными манометрами, причем к одному из манометров присоединены импульсные линии от штуцеров, установленных в верхней и средней частях указанного стояка, а к другому - от штуцеров, установленных в средней и нижней его частях.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый дифференциальный манометр оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал, причем соответствующий выход манометра, присоединенного к штуцерам в верхней и средней частях стояка, подключен к управляющему органу пневматического затвора на стояке, соединяющем реакторы между собой, а выход манометра, присоединенного к штуцерам в средней и нижней частях стояка, - к управляющему органу пневмат�1. Installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide using circulating metal oxide particles as oxygen carriers, containing a fluidized bed oxidation reactor, a fluidized bed reduction reactor and a particle circulation system between these reactors, including a separator for separating an oxidizing reactor of particles of metal oxides from exhaust gases and two equipped with controlled pneumatic shutters of a fluidized bed transport lowering risers, one of which connects the separator to the recovery reactor, and the other reactors among themselves, characterized in that it additionally contains two differential pressure gauges, and selection fittings are installed in the upper, middle and lower parts of the riser connecting the separator to the recovery reactor pressure, connected by impulse lines with the indicated differential pressure gauges, and impulse lines from the fittings installed in the upper and middle parts of bound riser, and to the other - from the nozzles set in the middle and lower it chastyah.2. Installation according to claim 1, characterized in that each differential pressure gauge is equipped with a pressure transducer into an output electrical signal, and the corresponding output of the pressure gauge connected to the fittings in the upper and middle parts of the riser is connected to the governing body of the pneumatic shutter on the riser connecting the reactors to each other, and the output of the pressure gauge connected to the fittings in the middle and lower parts of the riser, to the pneumatic control element�

Description

Полезная модель относится к новой технологии сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода (СО₂). Суть этой технологии сводится к замене воздуха в процессе сжигании топлива кислородом с использованием частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода. При этом в результате отсутствия азота, составляющего большую часть воздуха, продуктами сгорания топлива являются только водяной пар и СО₂, концентрированный поток которого направляется для захоронения или утилизации с исключением необходимости сооружения дорогостоящих установок для улавливания СO₂ из дымовых газов. Кроме того, при такой технологии из-за отсутствия азота исключается образование оксидов азота.The utility model relates to a new technology for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide (CO ₂ ). The essence of this technology is to replace air in the process of burning fuel with oxygen using particles of metal oxides as oxygen carriers. In this case, as a result of the absence of nitrogen, which makes up most of the air, the products of fuel combustion are only water vapor and CO ₂ , the concentrated stream of which is sent for burial or disposal, with the exception of the need to build expensive plants for capturing CO ₂ from flue gases. In addition, with this technology, the formation of nitrogen oxides is eliminated due to the lack of nitrogen.

Известна установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией СО₂ при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный (воздушный) реактор (ОР) кипящего слоя (КС), восстановительный (топливный) реактор (ВР) КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в ОР частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми пневматическими затворами (ПЗ) КС транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с ВР, а другой - реакторы между собой [1] - прототип. Согласно [1] регулирование потока частиц - переносчиков кислорода по тракту их циркуляции осуществляется с помощью ПЗ. К недостаткам [1] при этом можно отнести отсутствие достоверной информации об уровне слоя частиц в стояке, соединяющем сепаратор с ВР, что при слишком низком уровне слоя может привести к прорыву топливного газа через сепаратор в атмосферу, а при слишком высоком - к уменьшению A known installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of CO ₂ when using circulating particles of metal oxides as oxygen carriers, containing an oxidizing (air) fluidized bed reactor (OR), a reducing (fuel) reactor (VR), and a system ensuring the circulation of particles between these reactors, including a separator for separating metal oxide particles obtained in the OR from the exhaust gases and two transport vehicles equipped with controlled pneumatic shutters (PP) lowering risers, one of which connects the separator to BP, and the other - the reactors among themselves [1] - prototype. According to [1], the flow of particles - oxygen carriers along the path of their circulation is regulated using a PZ. The disadvantages [1] include the lack of reliable information about the level of the particle layer in the riser connecting the separator with BP, which, if the layer level is too low, can lead to breakthrough of the fuel gas through the separator into the atmosphere, and if it is too high, it can decrease

конверсии топлива по причине снижения массы слоя в ВР и выбросу топливного газа в атмосферу через выхлопную трубу ВР.fuel conversion due to a decrease in the mass of the layer in the BP and the release of fuel gas into the atmosphere through the exhaust pipe of the BP.

Достигаемым результатом полезной модели является повышение надежности работы установки путем улучшения контроля и регулирования технологического процесса сжигания топлива в химическом цикле с сепарацией СO₂.The achieved result of the utility model is to increase the reliability of the installation by improving the control and regulation of the technological process of burning fuel in a chemical cycle with the separation of CO ₂ .

Указанный результат обеспечивается тем, что установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией СО₂ при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая ОР КС, ВР КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в ОР частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми ПЗ КС транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с ВР, а другой - реакторы между собой, согласно полезной модели дополнительно содержит два дифференциальных манометра, а в верхней, средней и нижней частях стояка, соединяющего сепаратор с ВР, установлены штуцеры отбора давления, соединенные импульсными линиями с указанными дифференциальными манометрами, причем к одному из манометров присоединены импульсные линии от штуцеров, установленных в верхней и средней частях указанного стояка, а к другому -от штуцеров, установленных в средней и нижней его частях. Каждый дифференциальный манометр может быть оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал, причем соответствующий выход манометра, присоединенного к штуцерам в верхней и средней частях стояка, подключен к управляющему органу ПЗ на стояке, соединяющем реакторы между собой, а выход манометра, присоединенного к штуцерам в средней и нижней частях стояка - к управляющему органу ПЗ на стояке, соединяющем сепаратор с ВР.This result is ensured by the fact that the installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with CO ₂ separation using circulating metal oxide particles as oxygen carriers, containing OR KS, VR KS and a system for ensuring the circulation of particles between these reactors, including a separator for separating OR particles of metal oxides from exhaust gases and two transport lowering risers equipped with controllable PZ KS, one of which connects the separator with BP, and the other - reactors between by itself, according to the utility model, additionally contains two differential pressure gauges, and pressure take-off fittings are installed in the upper, middle and lower parts of the riser connecting the separator to BP, connected by impulse lines to these differential pressure gauges, and impulse lines from the fittings are connected to one of the manometers, installed in the upper and middle parts of the riser, and to the other, from fittings installed in the middle and lower parts. Each differential pressure gauge can be equipped with a pressure transducer into an output electrical signal, and the corresponding output of the pressure gauge connected to the fittings in the upper and middle parts of the riser is connected to the control body of the PZ on the riser connecting the reactors to each other, and the output of the pressure gauge connected to the fittings in the middle and the lower parts of the riser - to the governing body PZ on the riser connecting the separator with BP.

На чертеже приведена принципиальная схема установки согласно полезной модели. Установка, согласно полезной модели, содержит ОР 1 КС, The drawing shows a schematic diagram of the installation according to the utility model. The installation, according to the utility model, contains OP 1 KS,

ВР 2 КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами 1, 2, которая включает сепаратор 3 для отделения полученных в ОР 1 частиц оксидов металлов от отходящих газов и два транспортных опускных стояка 4, 5. При этом стояк 4 соединяет сепаратор 3 с ВР 2, а стояк 5 - реакторы 1, 2 между собой. Стоки 4, 5 оборудованы управляемыми ПЗ соответственно 6, 7. Для управления ими ПЗ 6 снабжен линией 8 ожижающего газа (СО₂) с установленным на ней управляющим органом (регулирующим клапаном) 9, а ПЗ 7 - линией 10 с регулирующим клапаном 11. Стояк 4 снабжен штуцерами 12, 13, 14 отбора давления, расположенными соответственно в верхней, средней и нижней его частях. Установка содержит также два дифференциальных манометра 15, 16, соединенные импульсными линиями 17-20 с указанными штуцерами. Каждый дифференциальный манометр 15, 16 оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал (на чертеже не показано), причем соответствующий выход манометра 15 присоединен линией 21 к регулирующему клапану 11 ПЗ 7, а выход манометра 16 - линией 22 к регулирующему клапану 9 ПЗ 6.BP 2 KS and a system for ensuring the circulation of particles between these reactors 1, 2, which includes a separator 3 for separating metal oxide particles obtained in OP 1 from the exhaust gases and two transport lower risers 4, 5. In this case, the riser 4 connects the separator 3 with BP 2 and riser 5 - reactors 1, 2 among themselves. The drains 4, 5 are equipped respectively controlled PP 6, 7. To manage the PP 6 is provided with a line 8 of the fluidizing gas (CO ₂₎ mounted thereon with a control organ (control valve) 9, and PP 7 - line 10 with control valve 11. The riser 4 is equipped with fittings 12, 13, 14 for pressure selection, located respectively in the upper, middle and lower parts. The installation also contains two differential pressure gauges 15, 16 connected by impulse lines 17-20 with the indicated fittings. Each differential pressure gauge 15, 16 is equipped with a pressure transducer into an output electrical signal (not shown in the drawing), and the corresponding output of pressure gauge 15 is connected by line 21 to control valve 11 of PZ 7, and the output of pressure gauge 16 by line 22 to control valve 9 of PZ 6.

Установка согласно полезной модели работает следующим образом. В реакторы 1, 2 и опускные стояки 4, 5 загружается определенное количество оксидов металлов - носителей кислорода. В ВР 2 и указанные опускные стояки через ПЗ 6, 7 для ожижения соответствующих слоев частиц оксидов металлов подводится газообразный агент (в ВР 2 - инертный газ, в стояк 4 через ПЗ 6 - СО₂ или водяной пар, или инертный газ, в стояк 5 через ПЗ 7 - N₂ или водяной пар, или инертный газ), а в ОР 1 - 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 ВР 2 начинают подавать природный газ, например, метан, с соответствующим возможным частичным или полным прекращением подачи в этот реактор инертного газа. При этом происходит восстановление оксидов металлов с выделением СO₂ и паров воды.Installation according to the utility model works as follows. Reactors 1, 2 and lower risers 4, 5 are loaded with a certain amount of metal oxides - oxygen carriers. The VR 2 and said downcomer risers through the PP 6 and 7 to fluidize the respective layers of metal oxide particles fed gaseous agent (BP 2 - inert gas into the riser 4 via the PP 6 - CO ₂ or water vapor or inert gas into the riser 5 through PP 7 - N ₂ or water vapor, or inert gas), and in OP 1 - pre-heated air. From an external source, for example, an electric heater (not shown in the drawing), reactors 1, 2 and the circulation system are heated. The mode of circulation of metal oxides is established. Upon reaching a predetermined temperature (at least 700 ° C), natural gas, for example methane, begins to be supplied to BP 2, with the corresponding possible partial or complete cessation of the supply of inert gas to this reactor. In this case, the reduction of metal oxides with the release of CO ₂ and water vapor occurs.

Реакции протекают с поглощением тепла. Восстановленные частицы оксидов металлов через опускной стояк 5 с ПЗ 7 поступают в реактор 1, 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 ОР 1 в сепаратор 3, где отделяются от газов и транспортируются вниз по опускному стояку 4 через ПЗ 6 в ВР 2. Таким образом, происходит замкнутый цикл движения переносчиков кислорода и разделение потоков газов на СО₂ с парами воды, которые легко отделяются при их конденсации, и азот. В энергетических установках оба потока газов могут быть использованы в отдельных газовых турбинах. Отработанный в газовой турбине поток СO₂ после конденсации паров воды поступает на захоронение.Reactions proceed with the absorption of heat. The recovered particles of metal oxides through the lowering riser 5 with PZ 7 enter the reactor 1, 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 a stream of gases containing mainly nitrogen come from OP 1 to a separator 3, where they are separated from the gases and transported down the lower riser 4 through PZ 6 to BP 2. Thus, a closed cycle of movement of oxygen carriers and 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 spent in the gas turbine after condensation of water vapor is fed to the disposal site.

Для поддержания оптимальных условий конверсии природного газа в ВР 2 и воздуха в ОР 1 необходимо иметь достаточную массу материала (высоту слоя) в реакторах и определенную кратность циркуляции материала в цикле. При заданных размерах установки масса слоя в реакторах и кратность циркуляции зависят от режима работа стояков и ПЗ. Кроме того, нельзя допустить опустошения стояка 4, соединяющего сепаратор 3 и ВР 2, так как в этом случае возможен прорыв природного газа из этого реактора в атмосферу. При переполнении стояка 4 и накоплении материала в сепараторе 3 работа последнего ухудшается, и частицы оксида металла могут быть унесены с потоком отходящих газов. Для поддержания оптимального режима работы установки требуется воздействие на переток материала в ВР 2 и из него в ОР 1. Указанное воздействие осуществляется по сигналам от дифференциальных манометров 15, 16. Система управления регулирующими клапанами 9, 11 подачи ожижающего агента в ПЗ 6, 7 работает следующим образом. Расчетами показано, что если перепад давления на участке стояка 4 между штуцерами 13, 14 становится ниже примерно 300 Па, то необходимо прикрыть клапан 9 подачи ожижающего агента в ПЗ 6. При увеличении этого In order to maintain optimal conditions for the conversion of natural gas in BP 2 and air in OR 1, it is necessary to have a sufficient mass of material (layer height) in the reactors and a certain rate of material circulation in the cycle. For a given installation size, the mass of the layer in the reactors and the multiplicity of circulation depend on the mode of operation of risers and PZ. In addition, it is impossible to allow the emptying of the riser 4 connecting the separator 3 and BP 2, since in this case a breakthrough of natural gas from this reactor into the atmosphere is possible. When the riser 4 overflows and the material accumulates in the separator 3, the work of the latter deteriorates, and the metal oxide particles can be carried away with the exhaust gas stream. To maintain the optimal operating mode of the installation, an impact on the material flow into BP 2 and from it to OP 1 is required. The specified effect is carried out according to signals from differential pressure gauges 15, 16. The control system for control valves 9, 11 of the fluidizing agent supply in PP 6, 7 works as follows way. Calculations show that if the pressure drop in the riser section 4 between the fittings 13, 14 becomes lower than about 300 Pa, then it is necessary to close the valve 9 for supplying the fluidizing agent in PZ 6. With an increase in this

перепада до 1500 Па, указанный клапан должен открываться. Нормальный режим работы установки обеспечивается при поддержании перепада на рассматриваемом участке в указанных пределах. При этом перепад давлений на участке стояка 4 между штуцерами 12, 13 находится вблизи нуля. Если перепад давлений на этом участке превышает заданную величину (например, 100 Па), то открывается регулирующий клапан 11 подачи ожижающего агента в ПЗ 7 на стояке 5 между ВР 2 и ОР 1. Таким образом, осуществляется поддержание режимов гидродинамики системы и достигаются оптимальные условия работы установки по степени конверсии частиц - переносчиков кислорода и сепарации CO₂.differential up to 1500 Pa, the specified valve should open. The normal operating mode of the installation is ensured while maintaining the differential in the considered area within the specified limits. In this case, the pressure difference in the section of the riser 4 between the fittings 12, 13 is near zero. If the pressure drop in this section exceeds a predetermined value (for example, 100 Pa), then the control valve 11 for supplying a fluidizing agent in PZ 7 on the riser 5 between BP 2 and OP 1 is opened. Thus, the system maintains hydrodynamic conditions and optimal operating conditions are achieved installations for the degree of conversion of oxygen carrier particles and CO ₂ separation.

Источники информации:Information sources:

1. Патент RU 56559 на полезную модель, F23С 10/00, 2005.1. Patent RU 56559 for utility model, F23C 10/00, 2005.

Claims

1. Installation for burning gaseous fuels in a chemical cycle with the separation of carbon dioxide using circulating metal oxide particles as oxygen carriers, containing a fluidized bed oxidation reactor, a fluidized bed reduction reactor and a particle circulation system between these reactors, including a separator for separating an oxidizing reactor of particles of metal oxides from exhaust gases and two equipped with controlled pneumatic shutters of a fluidized bed transport lowering risers, one of which connects the separator to the recovery reactor, and the other reactors among themselves, characterized in that it additionally contains two differential pressure gauges, and selection fittings are installed in the upper, middle and lower parts of the riser connecting the separator to the recovery reactor pressure, connected by impulse lines with the indicated differential pressure gauges, and impulse lines from the fittings installed in the upper and middle parts of bound riser, and to the other - from the nozzles set in the middle and lower part of it.

2. Installation according to claim 1, characterized in that each differential pressure gauge is equipped with a pressure transducer into an output electrical signal, and the corresponding output of the pressure gauge connected to the fittings in the upper and middle parts of the riser is connected to the governing body of the pneumatic shutter on the riser connecting the reactors between by itself, and the output of the pressure gauge connected to the fittings in the middle and lower parts of the riser, to the governing body of the pneumatic shutter on the riser, connecting the separator to the recovery reactor.