Analysis of the process heat utilization opportunities from the HTR reactors in the carbon dioxide gasification of fossil fuels
 
More details
Hide details
1
Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2013;16(4):309–320
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Paper presents results of theoretical deliberations on the possibility to utilize energy deriving from high temperature nuclear reactors (HTR) to drive highly endothermic fossil fuels gasification by the assistance of carbon dioxide. Synthesis gas resulting in this process could be utilized for chemical syntheses e.g. to produce methanol or liquid synthetic fuels. At the same time practical implementation of such a process would make it possible to reduce carbon dioxide emissions to the atmosphere. This reduction would be realized in a twofold way: through a reduction of the amount of fuel burnt ( bituminous coal ) that is necessary to process execution as well as through utilization of carbon dioxide as a reaction substrate. Unfortunately the limit of such a solution has been relatively low temperature of the heating media coming out of the HTR reactors (< 800°C), which negatively influences on the gasification process equilibrium. In order to evaluate the economic feasibility of the process in question, the methodology to calculate the equilibrium composition of the synthesis gas was developed. It was assumed that coal gasification process takes place in two consecutive stages. They are referred to as: quick pyrolysis of the fuel associated with production of the after pyrolysis gas and carbonizate and consecutive gasification of the resulted carbonizate by means of the gasifying mixture of gases (CO2, H2O, O2) and after pyrolytic gases. For such a system the chemical model was created that enables to calculate equilibrium composition of the after reaction gas mixture based on stoichiometric balance and on thermodynamic data. The methodology that was developed makes it possible to produce calculations for any species of coal with the application of mixture of carbon dioxide , steam, and oxygen at any proportions and excess in relation to the amount of the gasified coal. What is necessary is only knowledge of the basic physical and chemical characteristics of fuel and dependence of the after pyrolytic gases composition and pyrolysis intensity on temperature. In this paper the exemplary calculation results of the equilibrium composition in temperature range of 600-900°C are presented. This corresponds to temperature of the heating medium from the nuclear reactor HTR. Analysis of the influence of various factors (e.g. coal species, temperature, initial composition of the gasifying media) will enable the optimization of gasification process at an angle of oxygen consumption minimization and obtaining gases with high hydrogen concentration, or selection of coal with the best characteristics to low temperature gasification.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Analiza możliwości wykorzystania ciepła z reaktorów HTR w procesie zgazowania paliw kopalnych za pomocą ditlenku węgla
ditlenek węgla, HTR, zgazowanie węgla, gaz syntezowy
W pracy przedstawiono wyniki rozważań teoretycznych nad możliwością wykorzystania energii pochodzącej z wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych (HTR) do prowadzenia silnie endotermicznego procesu zgazowania paliw kopalnych za pomocą ditlenku węgla. Otrzymany w tym procesie gaz syntezowy mógłby być wykorzystany do syntez chemicznych np. produkcji metanolu, bądź płynnych paliw syntetycznych. Równocześnie praktyczna realizacja takiego procesu pozwoliłoby na ograniczenie emisji ditlenku węgla do atmosfery. Następowałoby to w dwójnasób: poprzez ograniczenie ilości spalanego paliwa (węgla) niezbędnego do realizacji procesu, jak również poprzez wykorzystanie ditlenku węgla jako substratu. Niestety ograniczeniem takiego rozwiązania jest względnie niska temperatura czynników grzewczych pochodzących z reaktora HTR (< 800°C), co niekorzystnie wpływa na równowagę procesu zgazowania. W celu oceny opłacalności realizacji analizowanego procesu opracowano metodykę obliczenia składu równowagowego powstającego gazu syntezowego. Założono, że proces zgazowania węgla (paliwa) zachodzi w dwóch następujących po sobie etapach. Są to: szybka piroliza paliwa, połączona z wytworzeniem gazu popirolitycznego i karbonizatu, a następnie zgazowanie powstałego karbonizatu mieszaniną czynników zgazowujących (CO2, H2O, O2) i gazów popirolitycznych. Dla takiego układu stworzono model chemiczny, umożliwiający na podstawie bilansu stechiometrycznego i danych termodynamicznych obliczenie składu równowagowego mieszaniny poreakcyjnej. Opracowana metodyka umożliwia wykonanie obliczeń dla dowolnego gatunku węgla przy zastosowaniu mieszaniny ditleneku węgla, pary wodnej i tlenu o dowolnych proporcjach i nadmiarze w stosunku do ilości zgazowywanego węgla. Niezbędna jest do tego jedynie znajomość podstawowych właściwości fizykochemicznych paliwa oraz zależności składu gazów popirolitycznych i wydajności pirolizy od temperatury. W pracy przedstawiono wyniki przykładowych obliczeń składu równowagowego w zakresie 600-900°C. Odpowiada to temperaturze czynnika grzewczego pochodzącego z reaktora HTR. Analiza wpływu różnych czynników (np. rodzaju węgla, temperatury, składu początkowego czynników zgazowujących) pozwoli dokonać optymalizacji procesu zgazowania pod kątem minimalizacji zużycia tlenu oraz uzyskania gazów o dużej zawartości wodoru czy też doboru węgla o najlepszych właściwościach do niskotemperaturowego zgazowania.
 
REFERENCES (11)
1.
STRUGAŁA i in. 2011 - STRUGAŁA A., CZAPLICKA-KOLARZ K., ŚCIĄŻKO M. 2011 - Projekty nowych technologii zgazowania węgla powstające w ramach Programu Strategicznego NCBiR. Polityka Energetyczna t. 14, z. 2, s. 375-389.
 
2.
CHMIELNIAK i in. 2012 - CHMIELNIAK T., ŚCIĄŻKO M., SOBOLEWSKI A., TOMASZEWICZ G., POPOWICZ J., 2012 - Zgazowanie węgla przy zastosowaniu CO2 sposobem na poprawę wskaźników emisyjnych i efektywności procesu. Polityka Energetyczna t. 15, z. 4, s. 125-137.
 
3.
HAYAKAWA H. 2004 - Expectation of Japan's industry for commercial HTR development. Wyd. Nuclear Engineering and Design, t. 233, z. 1-3, s. 391-400.
 
4.
HERRING i in. 2007 - HERRING J.S., O'BRIEN J.E., STOOTS C.M., HAWKES G.L., HARTVIGSENB J.J., SHAHNAMC M., 2007 - Progress in high-temperature electrolysis for hydrogen production using planar SOFC technology. International Journal of Hydrogen Energy t. 32, z. 4, s. 440-450.
 
5.
KOLIANDR L. 1957 - Chwytanie i przeróbka chemicznych produktów koksowania. Wyd. NOT, Warszawa 1957.
 
6.
KUHR R., 2008 - HTR's role in process heat applications. Wyd. Nuclear Engineering and Design, t. 238, z. 11, s. 3013-3017.
 
7.
ROBAK Z., 1998 - rozprawa doktorska: Otrzymywanie mezofazy węglowej w instalacji modelowej. Pol. Śląska.
 
8.
SAMUL i in. 2013 - SAMUL K., STRUPCZEWSKI A., WROCHNA G., 2013 - Małe Reaktory Modułowe SMR. Wydawnictwo Narodowe Centrum Badań Jądrowych.
 
9.
SZARAWARA J., 2005 - Termodynamika chemiczna stosowana. WNT, Warszawa.
 
10.
ŚCIĄŻKO M., 2010 - Modele klasyfikacji węgla w ujęciu termodynamicznym i kinetycznym. Wyd. AGH, Kraków.
 
11.
VUJIĆA i in. 2012 - VUJIĆA J., BERGMANNA R.M., ŚKODAB R., MILETIĆC M., 2012 - Modular reactors: Simpler, safer, cheaper? Energy t. 45, z.1, s. 288-295.
 
ISSN:1429-6675