Research Status and Prospect of Chemical Looping Combustion Pilot Systems

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22081

Abstract

Abstract:

Chemical looping combustion has the advantages of inherent CO₂ separation and significantly reducing the NO _x production. The circulation reactors are the core site for oxygen carrier redox and fuel conversion. The current research status of chemical looping combustion pilot systems was analyzed from three aspects of reactor type, solid material circulation mode and design theory. At present, chemical looping combustion pilot plants with heat input of 10~3 000 kW have been established in the world, and the technical readiness level is sixth. The mainstream technical route of chemical looping combustion is that the air reactor and fuel reactor both adopt the fluidized bed. The system circulation flow rate of the chemical looping pilot plants is generally lower than 25.5 kg/(m²·s), which makes it difficult to achieve self-heating operation. Finally, we introduced the latest progresses including the theoretical research, the development of a high-efficiency carbon stripper, the design of a high-flux circulating flow rate chemical looping combustion unit, and the reactor system design, etc.

Key words: carbon capture, utilization and storage (CCUS), chemical looping combustion, reactor, fluidized bed, design theory

CLC Number:

TK 16

Zhenshan LI, Hu CHEN, Weicheng LI, Lei LIU, Ningsheng CAI. Research Status and Prospect of Chemical Looping Combustion Pilot Systems[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(4): 544-561.

Figures/Tables 14

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	LI Z S， CHENG M， CHEN H，et al ．Design method of 3 MW_th chemical looping combustion system[J]． Advanced in New and Renewable Energy，2018，6(3)：169-174．
84	马建东，宋涛．10 MW_th串行流化床煤化学链燃烧系统反应器设计[J]．石油学报(石油加工)，2020，36(6)：1331-1337．
	MA J D， SONG T ．Reactor design of a 10 MW_th chemical looping combustion system based on interconnected fluidized beds[J]．Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section)，2020，36(6)：1331-1337．
85	陈虎．化学链燃烧双流化床流态化特性试验与模型研究[D]．北京：清华大学，2021．
	CHEN H ．Experimental and modeling study on fluidization characteristics of dual fluidized bed for chemical looping combustion[D]．Beijing：Tsinghua University，2021．

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	俄亥俄州立大学^［43］	25	—
喷动床	东南大学^［44］	10	L=0.23；W=0.04；H_t=1.5
鼓泡床	查尔姆斯科技大学^［66］	10	L=0.08；W=0.225；H_t=3.32
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.13；H_t=1.0
鼓泡床	斯图加特大学^［40］	10	D_t=0.15；H_t=3.5
鼓泡床	清华大学^［27］	30	D_t=0.07；H_t=3.8
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.102， 0.081；H_t=4.73
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.3， 0.06；H_t=6.1
复合床	维也纳科技大学^［68］	100	L=0.56；W=0.49；D_t=0.128；H_t=4.36
快速床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.154；H_t=4.0
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=5.6
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.4；H_t=11.35
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
复合床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
复合床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=25.5

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	俄亥俄州立大学^［43］	25	—
喷动床	东南大学^［44］	10	L=0.23；W=0.04；H_t=1.5
鼓泡床	查尔姆斯科技大学^［66］	10	L=0.08；W=0.225；H_t=3.32
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.13；H_t=1.0
鼓泡床	斯图加特大学^［40］	10	D_t=0.15；H_t=3.5
鼓泡床	清华大学^［27］	30	D_t=0.07；H_t=3.8
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.102， 0.081；H_t=4.73
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.3， 0.06；H_t=6.1
复合床	维也纳科技大学^［68］	100	L=0.56；W=0.49；D_t=0.128；H_t=4.36
快速床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.154；H_t=4.0
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=5.6
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.4；H_t=11.35
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
复合床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
复合床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=25.5

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	东南大学^［64］	20	D_t=0.53；H_t=0.6
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.1；H_t=1.0
复合床	清华大学^［27］	30	D_t=0.12， 0.06；H_t=3.32
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.3， 0.102；H_t=4.8
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.4， 0.1；H_t=3.92
复合床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.4， 0.154；H_t=4.0
快速床	维也纳科技大学^［68］	100	D_t=0.125；H_t=4.73
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=6.1
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.59；H_t=8.66
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
快速床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
快速床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=32

床型	研究机构	热输入功率/kW	反应器尺寸/m
移动床	东南大学^［64］	20	D_t=0.53；H_t=0.6
鼓泡床	法国石油研究院^［67］	10	D_t=0.1；H_t=1.0
复合床	清华大学^［27］	30	D_t=0.12， 0.06；H_t=3.32
复合床	西班牙煤炭研究所^［15］	50	D_t=0.3， 0.102；H_t=4.8
复合床	华中科技大学^［45］	50	D_t=0.4， 0.1；H_t=3.92
复合床	查尔姆斯科技大学^［13］	100	D_t=0.4， 0.154；H_t=4.0
快速床	维也纳科技大学^［68］	100	D_t=0.125；H_t=4.73
快速床	犹他州立大学^［42］	200	D_t=0.26；H_t=6.1
快速床	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	D_t=0.59；H_t=8.66
快速床	阿尔斯通公司^［23］	3 000	H_t=18.3
快速床	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	H_t=10.45
快速床	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	H_t=32

物料循环方式	研究机构	热输入功率/kW	连接形式
物料循环方式	研究机构	热输入功率/kW	AR→FR	FR→AR
AR顶部返料+FR顶部返料	西班牙煤炭研究所^［15］	50	回料阀	回料阀
	华中科技大学^［45］	50	回料阀	回料阀
	达姆斯塔特工业大学^［17］	1 000	螺旋输送	回料阀
	达姆斯塔特工业大学^［71］	1 000	L阀	回料阀
AR顶部返料+FR底部返料	维也纳科技大学^［68］	100	回料阀	回料阀
	挪威科技大学^［72］	150	回料阀	提升管
	俄亥俄州立大学^［43］	25	立管料封	L阀
	斯图加特大学^［40］	10	锥形阀	回料阀
	阿尔斯通公司^［23］	3 000	J阀	回料阀
AR顶部返料+FR溢流返料	查尔姆斯科技大学^［66］	10	回料阀	回料阀
	东南大学^［44］	10	立管料封	L阀
	查尔姆斯科技大学^［13］	100	回料阀	回料阀
	汉堡大学^［41］	25	回料阀	回料阀
	斯图加特大学^［40］	10	锥形阀	回料阀
	犹他州立大学^［42］	200	回料阀	回料阀
	清华大学^［27］	30	回料阀	回料阀
	清华大学、东方锅炉^［69］	1 500	回料阀	回料阀
	清华大学、东方锅炉^［46］	5 000	回料阀	回料阀