مقاله طراحی و آنالیز دینامیک سیالاتی سیستم یک راکتور با سه بستر سیال برای حلقه شیمیایی تولید هیدروژن

بخشی از مقاله

چکیده

حلقه شیمیایی تولید هیدروژن - - CLHG از سوخت های فسیلی با اصل جداسازی CO2 ، هیدروژن تولید می کند. در این تحقیق دی اکسید آهن. یک حامل اکسیژن مناسب برای این فرآیند و فرایند شامل: راکتور سوخت - - FR - راکتور بخار - - SR - راکتور هوا - AR - می باشد. راکتور سوخت: واکنش کربن همراه گاز های سوخت با هماتیت . - Fe2O3 - محصول جامد FeO می باشد. جریان محصول شامل مخلوطی از CO2 و بخار آب می باشد که پس از میعان شدن بخار آب CO2 خالص به دست می آید. سپس FeO وارد راکتور بخار می شود و با بخار واکنش می دهد و هیدروژن و محصول جامد را می دهد .

در راکتور هوا ، دوباره به اکسید می شود. در طول این چرخه با جداسازی CO2  ، هیدروژن تولید می شود. در این مقاله ، راکتور بستر سیال فشرده جدید ارائه می شود. بر این اساس یک راکتور با سه بستر سیال و با ظرفیت 50 KWساخته شده تا فرآیند را امکان سنجی کند.مفهوم جدید از راکتور بستر سیال فشرده در این مقاله ارائه شده که می تواند اکسید آهن را شدیدا به Feo و Fe کاهش دهد ، در حالیکه بطور همزمان گاز سوخت را بطور کامل به CO2و H2O تبدیل می کندو بعد از میعان بخار آب CO2 خالص بدست می آید.

راکتور بستر سیال با ظرفیت 50KW ساخته شده در این آزمایش تست هایی را سپری کرد که نتایج آن به شرح زیر می باشد: سرعت چرخش مواد جامد : می تواند در محدوده وسیعی متفاوت باشد و به طور شدید تحت تاثیر سیالیت در سه راکتور قرار گیرد همچنین به میزان کل جامدات و توزیع جرم در بستر بستگی دارد. این تجربیات عملیاتی می تواند به کنترل بالانس جرم و حرارت در راکتور کمک کند.

نشتی گاز بین راکتورها : به کمک گاز ردیاب CO2 انجام شد که فهمیده شد نشتی گاز به میزان جامدات در گردش و اختلاف فشار بالانس شده بوسیله ناودانی بستگی دارد. وقتی سیستم نزدیک شرایط استاندارد عملیاتی کار می کرد نشتی کمتر از 2 بود. در هر حال نشتی از FR می تواند به 5 زیر شرایط برسد، که نشان می دهد حدود5 از CO2  می تواند به اتمسفر برود. برای اجتناب از این نشتی باید طول ناودانی زیر سیلیکون هوا را افزایش داد. سیستم راکتور با سه بستر سیال یک اختلاف فشار و سرعت گردش جامدات پایدار در طول عملیات طولانی را نشان داد.

ا-مقدمه

هیدروژن که یک حامل انرژی پاک برای آینده است ،از خیلی از سوخت های انرژی مانند زغال سنگ ،نفت ، گاز طبیعی و منابع تجدید پذیر می تواند تولید شود. سوخت های فسیلی با در نظر گرفتن قیمت تولید ، برای تولید هیدروژن برای مدت طولانی منابع غالب خواهند بود. در هر حال تکنولوژی های رایج تولید هیدروژن از سوخت های فسیلی با گرفتن CO2 هدر رفت انرژی معنا داری دارد که قیمت تولید آن را افزایش می دهد. بنابراین میل و رغبت اصلی بر این است تا تکنولوژی هایی ابداع شود که علاوه بر حذف CO2 به طور همزمان H2 را از سوخت های فسیلی تولید کند ، در ضمن هزینه حذف CO2 را نیز کاهش دهد.

اخیراً تکنولوژی هایی بر اساس لوپ - Loop - شیمیایی احتراق - CLC - و فرآیند آهن - بخار برای تولید H2 با جداسازی Co2 مورد توجه زیادی قرار گرفته است. CLC یک تکنولوژی احتراق نو که شامل دو راکتور می باشد:

=1 راکتور هوا -2 راکتور سوخت

اکسیژن اساسی برای دی اکسید کردن سوخت به وسیله یک حامل اکسیژن ، که اکسیژن را بین دو راکتور انتقال می دهد ، تهیه می شود. در این روش سوخت و اکسیژن هرگز مخلوط نمی شوند و گازهای حاصل از احتراق دودکش تنها شامل CO2 و H2O می باشد.

. فرآیند بخار-آهن یکی از اولین روش های تولید H2 بوده ، که در آن از دی اکسید آهن به عنوان حامل اکسیژن استفاده می شده و برای اولین بار در سال 1910 بوسیله Messerschmitt ارائه شد.

.    مزیت این روش: تولید H2تقریباً خالص با خالص سازی ساده

.    معایب این روش در مقایسه با :steam methane-reforming

.    سرعت تبدیل پایین گاز کاهنده ، قابلیت بازیافت ضعیف حامل بر پایه آهن

.    حلقه شیمیایی تولید هیدروژن - - CLHG یک تکنولوژی جدید می باشد که فرآیند بخار-آهن - CLC - را برای تولید هیدروژن کامل می کند. فرآیند CLHG شامل سه راکتور می باشد:

.    راکتور سوخت - FR -

.    راکتور بخار - SR -

.    راکتور هوا - AR -

شکل:1 حلقه مفهومی برای تولید هیدروژن

همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است حامل اکسیژن برپایه آهن ، بین این سه راکتور می چرخند. در راکتور سوخت بر اساس واکنش های زیر با Fe2O3 واکنش می دهد:

بطور کلی ، اگر گاز سوخت بطور کامل تبدیل شود گازهای خروجی از FR تنها شامل CO2 و H2O خواهد بود. بعد از میعان شدن بخار آب ، تقریبا CO2 خالص می تواند حاصل شود.
FeO کاهش یافته سپس به SR منتقل می شود ، که طبق رابطه زیر واکنش می دهد:

که در راکتور SR ، به وسیله اکسیداسیون FeO ، هیدروژن تولید می شود و گازهای خروجی مخلوطی H2 و H2O می باشد که پس از میعان شدن بخار آب ، H2تقریباً خالص به دست می آید. اکسیداسیون بیشتر برای پایدار کردن اکسیدهای آهن در راکتور AR اتفاق می افتد. واکنش در AR عبارتست از:

دوباره بوسیله هوا کاملاً به Fe2O3 اکسایش می یابد ، که دوباره به راکتور FR برای یک سیکل جدید بر می گردد و بخار خروجی از AR شاملN2 و مقداری O2اضافی است. این واکنش شدیداً گرمازست. برای اینکه تعادل گرمایی کل سیستم را تقویت کند.

فرآیند :CLHG

·    خروجی های راکتور H2 :SRو بخار آب
·    خروجی های راکتور احیاء : CO2 و بخار آب
·    تنها تجهیز مورد نیاز فرایند برای بدست آوردن H2 و CO2 خالص کندانسور می باشد0

·    مزایا در مقایسه با تکنولوژی های مرسوم:
-1کاهش هزینه های اضافی جداسازی CO2

-2کاهش هزینه های اضافی خالص سازی H2 و شیفت آب -گاز

حلقه شیمیایی سه راکتور را برای تولید H2 مورد مطالعه قرار داد. نتایج : بالا بردن راندمان تا حدود 76 الی 78 درصد
:Cleetonetal
انجام شبیه سازی فرآیند CLHG

نتایج : قله ضرایب exergetic به ترتیب به 7/53 و 7/59 در فشارهای عملیاتی 1و 10 اتمسفر رسید.

:Gnanapragasam

چرخه شیمیایی مستقیم زغال سنگ - CDLC - را به عنوان جایگزین فرآیند تبدیل به گاز در چرخه شیمیایی گاز سنتز - - SLC ارایه کرد.

مزایا: حذف نیاز به مصرف اکسیژن زیاد
نتایج :نسبت H2/CO2 در مقایسه با SCL بیشتر است.

:Chenetal
مطالعه فرایند CLHGدریک بستر سیال ناپیوسته و CO به عنوان سوخت

:Yangetal
تصدیق امکان تولید هیدروژن بوسیله حلقه شیمیایی با احیا مستقیم اکسید آهن بوسیله زغال سنگ در یک بستر سیال . بخاطر محدودیت های ترمودینامیکی CO بطور کامل به CO2 تبدیل نمی شود.