Name: Funzionamento di una 25 KWth calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 34 s
Description: Scopri il funzionamento di un impianto pilota da 25 kWth per il ciclo del calcio con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore. Questo metodo riduce il ricircolo dei gas di scarico e migliora l'efficienza energetica nella cattura post-combustione del carbonio.

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La ricerca che porta a questi risultati ha ricevuto finanziamenti dal fondo di ricerca della Comunità europea del carbone e dell'acciaio (RFC) sotto concedere contratto n ° RFCR-CT-2014-00007. Questo lavoro è stato finanziato da la UK Carbon Capture and Storage Research Centre (UKCCSRC) nell'ambito di progetti di Call 2. UKCCSRC è supportato da ingegneria e scienze fisiche Research Consiglio (EPSRC) come parte del programma di ricerca del Consiglio UK Energy, con ulteriori fondi dal dipartimento di impresa, l'energia e la strategia industriale (BEIS - precedentemente DECC). Gli autori vorrei anche ringraziare il signor Martin Roskilly per il suo enorme aiuto durante tutto il corso di questo lavoro.

1. preparazione dei materiali <ol><li>setaccio il calcare (~ 50 kg di materiale grezzo) a granulometria desiderata (300-400 µm o un'altra distribuzione a seconda dell'esperimento) utilizzando un agitatore meccanico. Mettere il materiale setacciato in vasi accanto calcinatore per l'alimentazione durante il test.</li>
	<li>Preparare il materiale in lotti per essere introdotti nel reattore. I lotti sono generalmente L 0,5 o 1 L (1 L di calcare è di circa 1,5 kg), ma questo può variare a seconda dei parametri di funzionamento.</li>
</ol> 2. Procedura di avviamento Attenzione: temperature estremamente elevate si ottengono qui. PPE adatti quali i guanti, occhiali, scarpe di sicurezza e cappotto di laboratorio sono necessari.
<ol><li>Calore-up dei reattori <ol><li>iniziare il flusso basso di N 2 nel gasatore (60 L/min) e calcinazione (20 L/min) come pure il ciclo-guarnizioni (10 L/min) nei rotametri.</li>
		<li>Attivare manualmente i trasformatori carbonatore. Impostare la temperatura di tutti i preriscaldatori elettrici del carbonatore a 600 ° C.</li>
		<li>Iniziare l'acquisizione dei dati (per gas a temperature e pressioni, utilizzare il pulsante di registrazione nel software). I dati includono temperatura, pressione e composizione del gas di entrambi i reattori. Nella Figura 1 e Figura 2, sono mostrati gli screenshot del sistema di acquisizione dati.</li>
		<li>Disabilita il calcinatore preriscaldatori gas. Accendere il riscaldatore intorno calcinatore a 600 ° C, misurata all'interno il BFB tramite una termocoppia. 
		Nota: Dati come composizione di temperatura e pressione gas sono già essere acquisito come indicato nel punto 2.1.3.</li>
		<li>Inserire 3 L del calcare setacciato il BFB nel calcinatore. Prima aprire la valvola superiore, introdurre il materiale nel down-tubo e chiudere la valvola superiore, quindi aprire la valvola di fondo in modo che il materiale fluisce nel reattore.</li>
		<li>Riscaldare il materiale nel BFB a superiore a 650 ° C (con riscaldatore elettrico intorno calcinatore). 
		Nota: Questo di solito richiede ~ 1 h, durante il controllo di tempo l'acquisizione di dati e le pressioni in letti fluidizzati.</li>
	</ol></li></ol> <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56112/56112fig1.jpg" /> Figura 1: schermata di acquisizione di dati di temperatura e pressione per entrambi i reattori. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56112/56112fig1large.jpg" target="_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
 <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56112/56112fig2.jpg" /> Figura 2: schermata di acquisizione di dati di temperatura per il sistema di preriscaldo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56112/56112fig2large.jpg" target="_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
 <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56112/56112fig3.jpg" /> Figura 3: schema del 25 kW th CaL (carbonatore CFB e calcinazione BFB). 1: carbonatore; 2: calcinatore; 3: abbassare l'anello-sigillo; 4: ciclo-guarnizione superiore; 5: ciclone carbonatore; 6: ciclone calcinatore. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56112/56112fig3large.jpg" target="_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="2"> <li>avviare la combustione nel calcinatore <ol><li>aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore da 0 a 40% vol., assicurandosi che la concentrazione sia stabile prima di iniziare la combustione.</li>
		<li>Iniziare il flusso stechiometrico di gas naturale manualmente utilizzando un rotametro assicurandosi che la combustione sia stabile. 
		Nota: Il flusso di gas naturale dovrebbe essere aumentato con attenzione. Verifica che i dati mostrano un adeguato livello di reazione di combustione.</li>
		<li>Aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore incrementi vol 20% regolando il rotametro del flusso di gas naturale per garantire la combustione stechiometrica. 
		Nota: Questo processo deve essere eseguito con estrema cura. In caso di sospetto che la combustione non è in corso come previsto dai calcoli preliminari quindi fermare il flusso di gas naturale e passare il flusso di ossigeno azoto per un funzionamento sicuro. Identificare l'origine di questa discrepanza. La durata complessiva di questo processo è di circa 1 h.</li>
		<li>Combustione di gas naturale di ottenere 100% ossigeno concentrazione. 
		Nota: I dati di composizione di temperatura e gas devono essere seguiti attentamente durante il test, ma soprattutto quando la combustione avviene in ossigeno 100%.</li>
		<li>Aggiungi calcare in incrementi di 0,5 L fino a 7 L nel letto fluido. Calcine tutto il materiale nel letto fluidizzato del calcinatore (la temperatura di calcinazione stimato è 800-850 ° C per il batch presente nel calcinatore e la temperatura di calcinazione per i seguenti lotti).</li>
		<li>Aumentare il flusso di N. 2 nella carbonatore per avviare la circolazione. Controllare la circolazione vista porta regolarmente per assicurare la corretta circolazione.</li>
		<li>Calcine tutti il calcare disponibile prima di iniziare la cattura di CO 2 in circolazione nel rig.</li>
	</ol></li></ol> 3. Funzionamento stabile <ol><li>passare manualmente il gas di carbonatazione da N 2 a 15% vol CO 2 utilizzando il rotametro, che permette il calcare calcinato catturare la CO 2.</li>
	<li>Regolare i flussi nel calcinatore manualmente utilizzando i rotametri per raggiungere una temperatura stabile di 930-950 ° C nel calcinatore regolando il flusso di gas naturale (GN) e ossigeno (all'interno del regime di fluidificazione ottimale). Il flusso di 2 O di solito è al 100% con abbastanza materiale da letto, ma è regolato in tutto l'esperimento.</li>
	<li>Quando il materiale inizia a declinare in attività (sopra 5% concentrazione di CO 2 all'uscita del gasatore, che viene acquisito continuamente dal software come descritto nel punto 2.1.3), aggiungere ulteriori calcare.</li>
</ol> 4. Procedura di arresto <ol><li>manualmente spegnere il flusso di gas naturale utilizzando il rotametro e diminuire il flusso di ossigeno e passare i gas in entrambi i reattori a N 2. Disattivare tutti i riscaldatori (calcinatore e gasatore).</li>
	<li>Lasciare che la temperatura dell'inventario del rig per diminuire (normalmente durante la notte) e svuotare i reattori quando sono a temperatura ambiente.</li>
	<li>Pesare i solidi estratti ed eseguire un'analisi di setacci standard. Caratterizzare il materiale: porosimetria, composizione (spettrometria di fluorescenza a raggi x, XRF) 21 , 22 e struttura microscopica (microscopia elettronica, SEM).</li>
</ol>

<ol><li>Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/14693062.2006.9685598">Carbon dioxide capture and storage: a status report.</a> Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).</li>
<li>Boot-Handford, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c3ee42350f">Carbon capture and storage update.</a> Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).</li>
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<li>Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610213000945">Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration.</a> Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).</li>
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<li>Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250908005903">Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas.</a> Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).</li>
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<li>Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ente.201600024/abstract">Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis.</a> Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).</li>
<li>Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261916310157">Calcium looping sorbents for CO2 capture.</a> Appl Energy. 180, 722-742 (2016).</li>
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</ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Il funzionamento del calcinatore con un'insenatura di ossigeno 100% vol è realizzabile, basato sullo sfruttamento della natura endotermica della reazione di calcinazione, come pure il fatto che i solidi circolano tra i due reattori a diverse temperature. Questa modalità di funzionamento mira a rendere il processo di CaL più economicamente promettente riducendo il capitale e i costi operativi. Come il riciclo dei fumi gas (principalmente CO2, vapore acqueo e non reagiti O2) è ridotti o addirittura el...

Criticità ambientale che hanno attirato una grande quantità di ricerca negli ultimi anni le emissioni di CO2 e il riscaldamento globale risultante. Cattura e lo stoccaggio (CCS) è stato riconosciuto come un potenziale di tecnologia di riduzione delle emissioni di CO2 all'atmosfera1,2. La parte più impegnativa della catena CCS è la cattura di CO2, che è anche il più costoso di fase3. Di conseguenza, c'è stato un focus sullo sviluppo di nuove tecnologie per l'acquisizione di CO2 da centrali elettriche e altri impianti industriali.
CaL come una tecnologia di cattura post-combustione CO2 , fu proposta da Shimizu et al. 4 CO2 viene catturato da una base di CaO sorbente a 600-700 ° C in un reattore chiamato un carbonatore e pubblicato dalla successiva calcinazione a 850-950 ° C (in un calcinatore) secondo EQ. (1), a produrre un flusso di2 CO ad alta purezza adatto per sequestro5,6. Il ciclo di CaL utilizza letti fluidizzati, che rappresentano una configurazione ottimale per questo processo, in quanto consentono di grandi quantità di solidi a circolare facilmente da un reattore per gli altri4,5,6 , 7 , 8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
Questo concetto è stato dimostrato a scala pilota da vari gruppi e con diverse configurazioni e scale, come il pilota 0,2 MWth a Stoccarda, il 1 MWth pilota a Darmstadt, il pilota 1,7 MWth in La Pereda e l'unità 1,9 MWth in Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Sebbene questo processo sia stato provato, ci sono ancora possibilità per aumentare la sua efficienza termica, ad esempio modificando le condizioni operative standard e cambiamenti nella progettazione della configurazione del reattore.
L'uso di tubi di calore tra la camera di combustione e calcinazione è stato studiato invece di oxy-combustione carburante nel calcinatore. I risultati per le prestazioni di cattura di CO2 sono comparabili con quelli di un impianto pilota CaL convenzionale, tuttavia, questo processo ha una maggiore efficienza di impianto e inferiore CO2 evasione Costa17. Martínez et al. 18 studiato la possibilità di integrazione di calore per preriscaldare il materiale solido che entra calcinatore e ridurre il calore necessario nel calcinatore. I risultati hanno mostrato riduzione del 9% del consumo di carbone se confrontato con quello del caso standard. Altre possibilità studiate per integrazione di calore hanno anche considerato integrazione interna ed esterna opzioni19.
Uno dei problemi principali del ciclo CaL dal punto di vista economico è quello di fornire l'energia necessaria nel calcinatore mediante combustione di carburante20. L'aumento della concentrazione di ossigeno in ingresso del calcinatore viene proposto al fine di ridurre o addirittura evitare la necessità di CO2 riciclare a calcinatore. Questa alternativa riduce i costi di capitale (dimensioni ridotte delle unità di separazione calcinatore e aria (ASU)), che possono migliorare significativamente la competitività di questo processo. Il drastico cambiamento delle condizioni di combustione può essere raggiunto sfruttando la reazione endotermica calcinazione e il grande flusso di3 CaO/CaCO circolanti da carbonatore operanti a temperature più basse (né vantaggio è disponibile con il tecnologia di combustione in ossigeno).
Questo lavoro mira a sviluppare una procedura operativa standard per l'esecuzione di un impianto pilota di CaL con un carbonatore circolanti Fluidized Bed (CFB) e una calcinazione di Bubbling Fluidized Bed (BFB) con 100% O2 concentrazione in ingresso di calcinatore. Diverse campagne sperimentali sono state eseguite durante la messa in servizio dell'impianto pilota per garantire il corretto funzionamento come l'ossigeno concentrazione aumentata. Inoltre, tre distribuzioni di dimensione delle particelle calcare in (100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm) sono stati studiati per studiare come questo parametro influenza l'elutriazione delle particelle e acquisire efficienza in questa modalità di funzionamento.

<table><tbody><tr><td>Calcare Longcal</td><td>Loncliffe</td><td>Longcal SP52</td><td>n/a</td></tr><tr><td>Agitatore meccanico</td><td>SWECO</td><td>LS24S544+C</td><td>Separatore meccanico di particelle</td></tr><tr><td>Ossigeno</td><td>BOC</td><td>n/a</td><td>Bombole BOC</td></tr><tr><td>Azoto</td><td>BOC</td><td>n/a</td><td>serbatoio BOC</td></tr><tr><td>Anidride carbonica</td><td>BOC</td><td>n/a</td><td>serbatoio BOC</td></tr><tr><td>Gas naturale</td><td>n/a</td><td>n/a</td><td>Preso dalla linea</td></tr></tbody></table>

funzionamento di una 25 kwth calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore

Operation of a 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant with High Oxygen Concentrations in the Calciner

Calcium looping (CaL) è una tecnologia di cattura post-combustione CO2 che è adatta per il retrofit di impianti esistenti. Il processo di CaL utilizza calcare come a buon mercato e facilmente reperibili CO2 sorbente. Mentre la tecnologia è stata ampiamente studiata, ci sono poche opzioni disponibili che potrebbero essere applicate per renderlo più economicamente possibile. Uno di questi è quello di aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore per ridurre o eliminare la quantità di gas riciclato (impurità, CO2e H2O); di conseguenza, diminuendo o eliminando l'energia necessaria per riscaldare il flusso di gas riciclato. Inoltre, c'è un conseguente aumento dell'input di energia a causa del cambiamento dell'intensità di combustione; Questa energia viene utilizzata per attivare la reazione endotermica calcinazione si verificano in assenza di fumi riciclati. Questa carta presenta il funzionamento e i primi risultati di un impianto pilota di CaL con combustione ossigeno 100% del gas naturale nel calcinatore. Il gas entra il gasatore era un gas di combustione simulato da una centrale a carbone o industria del cemento. Diverse distribuzioni di dimensione delle particelle di calcare sono testati anche per esplorare ulteriormente l'effetto di questo parametro sulle prestazioni complessive di questa modalità di funzionamento. La configurazione del sistema reattore, le procedure operative e i risultati sono descritti in dettaglio in questa carta. Il reattore ha mostrato buona stabilità idrodinamica e stabile CO2 acquisizione, con efficienze di acquisizione fino al 70% con una miscela di gas che simula il gas di combustione di una centrale elettrica a carbone.

Il set-up sperimentale è illustrato nella Figura 3. L'impianto è composto da due letto fluidificato interconnessi. Vale a dire, il gasatore è un CFB con 4,3 m di altezza e diametro interno di 0.1 m (ID); mentre calcinatore è un BFB con un'altezza di 1,2 m e m 0,165 ID. Il trasporto solido da un reattore a altro è controllato da due loop-guarnizioni fluidificate con azoto. Entrambi i reattori sono alimentati una miscela di gas attraverso una linea di preriscal...

Questo manoscritto descrive una procedura per il funzionamento di un impianto pilota per la cattura post-combustione con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore al fine di ridurre o eliminare il riciclo del gas di scarico di ciclo di calcio.

Funzionamento di una 25 KWth calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore

Calcium looping (CaL) is a post-combustion CO2 capture technology that is suitable for retrofitting existing power plants. The CaL process uses limestone ...

L'obiettivo generale di questa procedura è determinare una modalità operativa che riduca o elimini del tutto la ricircolazione del gas di scarico nel calcinatore in un impianto pilota a ciclo del calcio. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo del ciclo del calcio, ad esempio come aumentare l'energia necessaria nel calcinatore. Il vantaggio principale di questa modalità operativa è che riduce le dimensioni del calcinatore, nonché la quantità di combustibile e di ossigeno utilizzata.Per iniziare questa procedura, utilizzare un agitatore meccanico per setacciare circa 50 chilogrammi di calcare fino a ottenere la distribuzione desiderata delle dimensioni delle particelle. Posizionare i materiali setacciati in contenitori vicino al calcinatore per l'alimentazione durante la procedura. Successivamente, avviare un flusso ridotto di gas azoto nel carbonatore, nel calcinatore e nei sigilli ad anello sui rotametri.Accendere manualmente i trasformatori del carbonizzatore. Impostare le temperature di tutti i preriscaldatori elettrici del carbonizzatore a 600 gradi Celsius. Iniziare l'acquisizione dei dati relativi a temperatura, pressione e composizione del gas in entrambi i reattori.Quindi, accendere il calcinatore e i preriscaldatori del gas. Impostare il riscaldatore intorno al calcinatore a 600 gradi Celsius, misurando all'interno del letto fluido a bolle mediante un termocoppia. Aprire la valvola superiore del calcinatore.Aggiungere tre litri di calcare setacciato nel tubo verticale e quindi chiudere la valvola superiore. Successivamente, aprire la valvola inferiore in modo che il materiale fluisca nel reattore. Riscaldare il materiale come indicato nel protocollo testuale.Per iniziare, aumentare il flusso di ossigeno per portare la concentrazione nel calcinatore da zero al 40% in volume. Assicurarsi che la concentrazione sia stabile prima di avviare la combustione. Successivamente, utilizzare un rotametro per avviare manualmente il flusso stechiometrico di gas naturale.Regolare il rotametro per il flusso di gas naturale in modo da aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore a incrementi del 20%, fino a raggiungere una combustione con concentrazione di ossigeno al 100%. Successivamente, aggiungere sette litri di calcare al letto fluidizzato a incrementi di 0,5 litri. Poi, aumentare il flusso di gas azoto nel carbonatore per avviare la circolazione.Cinizzare tutto il materiale, come indicato nel protocollo testuale, prima di iniziare la cattura della anidride carbonica. Per iniziare, utilizzare il rotametro per passare manualmente il gas di carbonatazione dall'azoto al 15%volume di anidride carbonica. Utilizzando i rotametri, regolare manualmente il flusso di gas naturale e ossigeno al calcinatore, fino a raggiungere una temperatura stabile compresa tra 930 e 950 gradi Celsius.Quando l'attività del materiale inizia a diminuire, aggiungere ulteriore calcare. Per iniziare la procedura di arresto, utilizzare il rotametro per spegnere manualmente il flusso di gas naturale. Ridurre lentamente il flusso di ossigeno fino a interromperlo completamente, quindi commutare i gas in entrambe le reazioni all'azoto.Spegnere tutti i riscaldatori e lasciare raffreddare l'apparato durante la notte. I reattori devono raffreddarsi durante la notte per raggiungere la temperatura ambiente. In questo studio, un impianto costituito da due letti fluidizzati interconnessi viene utilizzato per testare il processo di passaggio dal 20% di ossigeno al 100% di ossigeno all'ingresso del calcinatore.L'impianto viene inizialmente testato con il 30% di ossigeno e la frazione di calcare compresa tra 200 e 300 micrometri che circola tra i due reattori. L'efficienza di cattura inferiore del 45% è principalmente dovuta all'insufficienza di calore necessario per calcinare tutto il calcare nel letto fluidizzato a bolle. Ciò provoca una diminuzione del rapporto tra ossido di calcio e carbonato di calcio nell'alimentazione del carbonizzatore.L'impianto viene quindi testato con ossigeno al 100% e una frazione di calcare compresa tra 100 e 200 micrometri. La maggior parte del materiale calcareo finisce nel ciclone del calcinator. Questo è probabilmente la causa dell'efficienza di cattura ridotta e suggerisce che particelle di calcare più piccole non apportano un effetto benefico sulle prestazioni del sistema.Infine, l'apparato viene testato con ossigeno al 100%, una frazione di calcare compresa tra 300 e 400 micrometri e un accurato controllo della temperatura e del contenuto di calcare. Come si può osservare, viene raggiunta un'efficienza di cattura stabile di circa il 70% per oltre tre ore. Pertanto, si può determinare che un funzionamento stabile può essere ottenuto in condizioni ottimizzate.Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo del catturaggio del carbonio per testare il ciclo di looping del calcio con alte concentrazioni di ossigeno nel calcinator. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire un esperimento con alte concentrazioni di ossigeno nel calcinator. Non dimenticare che lavorare con alte concentrazioni di ossigeno può essere estremamente pericoloso e che precauzioni, come spegnere il gas se la combustione non avviene correttamente, devono essere sempre adottate durante l'esecuzione di questa procedura.

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