本论文描述了一种在煅烧器中采用高氧浓度条件下运行钙循环中试装置以实现燃烧后碳捕集的方法，旨在减少或消除烟气再循环。
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本文内容
摘要
摘要
钙循环（CaL）是一种适用于现有电厂改造的燃烧后 CO2 捕集技术。该 CaL 工艺使用石灰石作为廉价且易得的 CO2 吸附剂。尽管该技术已被广泛研究，但目前仍存在少数可应用的改进方案以提高其经济可行性。其中之一是在煅烧炉中提高氧气浓度，以减少或消除循环气体（CO2、H2O 和杂质）的使用量，从而降低加热循环气流所需的能量。此外，由于燃烧强度变化，系统能量输入相应增加；这部分能量用于在无循环烟气条件下实现吸热的煅烧反应。本文介绍了在煅烧炉中采用100%氧气燃烧天然气的 CaL 中试装置的运行情况及其初步结果。进入碳化反应器的气体为模拟燃煤电厂或水泥工业产生的烟气。同时测试了多种石灰石颗粒粒径分布，以进一步探究该参数对这种运行模式整体性能的影响。本文详细描述了反应器系统的配置、操作程序及实验结果。反应器表现出良好的流体动力学稳定性和稳定的 CO2 捕集能力，在使用模拟燃煤电厂烟气的混合气体条件下，捕集效率最高可达70%。
引言
CO2 排放及其引发的全球变暖是近年来备受关注的重要环境问题。碳捕集与封存（CCS）已被公认为一种有望减少向大气中排放 CO2 的技术1,2。CCS 技术链中最困难的部分是 CO2 的捕集，同时也是成本最高的环节3。因此，研究重点已转向开发用于从发电厂及其他工业设施中捕集 CO2 的新技术。
CaL 作为一种燃烧后 CO2 捕获技术，最初由Shimizu提出 等4 CO2 在称为碳化反应器的反应器中，由基于CaO的吸附剂在600–700 °C下捕获，并在850–950 °C下通过后续煅烧（在煅烧炉中）释放，依据 方程 (1)，以生成高纯度的 CO2 适合封存的流体5,6CaL 循环利用流化床，这是该过程的理想构型，因为流化床能够使大量固体在反应器之间轻松循环。4,
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方案
1. 材料准备
- 使用机械振筛机将石灰石（约50 kg原料）筛分成所需的粒径分布（300–400 µm，或根据实验要求选择其他粒径分布）。将筛分后的物料放入靠近煅烧炉的容器中，以便在实验过程中进料。
- 将物料分批准备，用于加入反应器中。每批通常为0.5 L或1 L（1 L石灰石约重1.5 kg），但具体体积可根据操作参数进行调整。
2. 启动程序
警告：此处会产生极高温度。必须佩戴适当的个人防护装备（PPE），例如手套、护目镜、实验服和安全鞋。
- 反应器升温
- 在转子流量计中启动碳化反应器（60 L/min）、煅烧反应器（20 L/min）以及环形密封装置（10 L/min）的低流量氮气（N2）。
- 手动开启碳化反应器的变压器。将碳化反应器所有电加热预热器的温度设定为 600 °C。
- 开始采集数据（对于气体温度和压力，请使用软件中的记录按钮）。数据包括两个反应器的温度、压力和气体组成。图1 和 图2 展示了数据采集系统的截图。
- 开启煅烧反应器的气体预热器。启动煅烧反应器周围的加热器，使其内....
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结果
实验装置如图3所示。该装置由两个相互连接的流化床组成：碳化反应器为高4.3 m、内径（ID）0.1 m的循环流化床（CFB）；煅烧反应器为高1.2 m、内径0.165 m的鼓泡流化床（BFB）。反应器之间的固体输送由两个以氮气流化密封的环形密封装置控制。两个反应器均通过预热管线通入混合气体，并采用电加热；此外，煅烧反应器还通入天然气，通过燃烧提供吸热煅烧过程所需的热量，并加热循环中的吸附剂。碳化反应器分布板设有8个喷嘴，每个喷嘴有20个直径2 mm的孔；而煅烧反应器有20个喷嘴，每个喷嘴有6个直径1 mm的孔。
本节讨论了三项不同实验的结果。这些测试概述了煅烧炉入口进气从空气（约20%体积O2）切换至100%体积O2条件下运行中试装置的情况。本研究还探讨了在此运行模式下使用不同粒径分布颗粒的结果，以评估该参数是否对系统整体性能产生影响。本研究所用石灰.......
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讨论
基于利用煅烧反应的吸热特性以及固体在两个反应器之间以不同温度循环的事实，可在进气为100%体积氧气的条件下运行煅烧炉。该操作模式旨在通过降低资本和运行成本，使钙循环（CaL）过程在经济上更具前景。由于烟气（主要成分为CO2、水蒸气和未反应的O2）的再循环被减少甚至消除，用于预热该气流所消耗的热量也随之降低。因此，所需的氧气量减少，空气分离装置（ASU）的规模也可相应减小。由于在此配置下气体流量较低，对于相同的流化速度，煅烧炉的尺寸将更小。
已开发出一种标准方法，以确保煅烧炉中高氧浓度条件下的安全运行。结果表明，在部分实验中，捕集效率最高可达70%。此外，在该反应器构型（碳化器为循环流化床，煅烧器为鼓泡流化床）中使用了不同的颗粒粒径分布，分别为：100–200 µm；200–300 µm；300–400 µm。然而，对于最小的粒径分布（100–200 µm），存在明显的夹带问题，床层物料的大部分被发现积聚在煅烧炉的旋风分离器集尘罐中。最佳结果是在最大粒径分布（300–400 µm）下获得的：在整个实验过程中，碳化效率（Ecarb<.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
这些研究成果获得了欧洲共同体煤炭与钢铁研究基金（RFCS）在资助协议编号° RFCR-CT-2014-00007。本工作由英国碳捕集与封存研究中心（UKCCSRC）资助，属于第二轮项目的一部分。UKCCSRC由工程与物理科学研究理事会（EPSRC）支持，作为研究理事会英国能源计划的一部分，并得到商业、能源与产业战略部（BEIS，前身为DECC）的额外资助。作者还要感谢Martin Roskilly先生在本研究过程中提供的巨大帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 朗卡尔石灰岩 | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| 机械振荡器 | SWECO | LS24S544+C | 用于分离颗粒的机械筛分仪 |
| 氧气 | BOC | n/a | BOC气瓶 |
| 氮气 | BOC | n/a | BOC储罐 |
| 二氧化碳 | BOC | n/a | BOC储罐 |
| 天然气 | n/a | n/a | 取自管道 |
参考文献
- Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
- Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
- Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to giga....
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重印与许可
