Dit manuscript wordt een procedure voor de exploitatie van een calcium looping pilot-plant voor na verbranding koolstofvastlegging met hoge zuurstofconcentraties in de calciner te verminderen of te elimineren van de flue gas recycle beschreven.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Werking van een 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant met hoge zuurstofconcentraties in de Calciner
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Calcium (CaL) in een lus is een na verbranding CO2 capture-technologie die geschikt is voor de aanpassing van bestaande energiecentrales. Het CaL-proces gebruikt kalksteen als een goedkoop en gemakkelijk beschikbaar CO2 sorptiemiddel. Hoewel de technologie grote schaal is onderzocht, zijn er een paar opties die kunnen worden toegepast om het te maken meer rendabel. Een daarvan is het vergroten van de zuurstofconcentratie in de calciner te verminderen of te elimineren van de hoeveelheid gerecycleerd gas (CO2, H2O en verontreinigingen); Daarom verlagen of het verwijderen van de energie die nodig is voor het verwarmen van de hergebruikte gasstroom. Bovendien is er een resulterende toename van de energie-input als gevolg van de wijziging in de intensiteit van de verbranding; deze energie wordt gebruikt om de endotherme calcinatie reactie optreden in de afwezigheid van gerecycled rookgassen af. Dit document stelt de werking en de eerste resultaten van een proeffabriek CaL met 100% zuurstof verbranding van aardgas in de calciner. Het gas komt in de carbonator was een gesimuleerde rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale of cementindustrie. Verschillende kalksteen deeltje grootte distributies zijn ook getest om het effect van deze parameter op de algehele prestaties van deze operationele modus verder te verkennen. De configuratie van het systeem van de reactor, de operationele procedures en de resultaten zijn in detail beschreven in dit document. De reactor toonde goede hydrodynamische stabiliteit en stabiele CO2 vangen, met capture rendementen tot 70% met een gasmengsel de rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale simuleren.
Inleiding
CO2 -uitstoot en de daaruit voortvloeiende opwarming zijn kritische milieuvraagstukken die een grote hoeveelheid onderzoek in de afgelopen jaren hebben aangetrokken. Koolstofvastlegging en -opslag (CCS) is erkend als een potentiële technologie ter vermindering van de CO2 -uitstoot naar de atmosfeer1,2. De meest uitdagende deel van de CCS-keten is de opname van CO2, die ook de meest kostbare fase3. Als gevolg hiervan is er een focus op de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor CO2 -vangst van energiecentrales en andere industriële faciliteiten.
CaL als een na verbranding CO2 capture-technologie, voor het eerst werd voorgesteld door Shimizu et al. 4 CO2 is gevangen genomen door een CaO-gebaseerde sorptiemiddel op 600-700 ° C in een reactor genoemd een carbonator, en uitgebracht door latere calcinatie bij 850-950 ° C (in een calciner) volgens Eq. (1), voor de productie van een hoge-zuiverheid-CO2 -stream geschikt voor beslaglegging5,6. De CaL-cyclus maakt gebruik van fluïde bedden, die een optimale configuratie voor dit proces, vertegenwoordigen omdat zij toestaan voor grote hoeveelheid vaste stoffen gemakkelijk van een reactor worden verspreid naar de andere4,5,6 , 7 , 8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
Dit concept is aangetoond op experimentele schaal door verschillende fracties en met verschillende configuraties en schalen, zoals de 0.2 MWth -piloot in Stuttgart, de 1 MWth -piloot in Darmstadt, de 1,7 MWth -piloot in La Pereda en de 1.9 MWth -eenheid in Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Hoewel dit proces heeft bewezen, zijn er nog mogelijkheden voor het verbeteren van de thermische efficiëntie, zoals door het wijzigen van de standaard operationele voorwaarden en wijzigingen in het ontwerp van de configuratie van de reactor.
Het gebruik van warmte leidingen tussen de combustor en de calciner heeft onderzocht in plaats van oxy-verbrandend brandstof in de calciner. De resultaten voor de CO2 -vangst prestaties zijn vergelijkbaar met die van een conventionele CaL pilot-plant, echter dit proces heeft hogere plant rendementen en lagere CO2 vermijden kost17. Martínez et al. 18 onderzocht de integratiemogelijkheden van de warmte om te Verwarm het solide materiaal invoeren van het calciner en vermindering van de warmte die nodig is in de calciner. De resultaten toonden 9% daling in het verbruik van steenkool in vergelijking met die van de standaard zaak. Andere bestudeerde mogelijkheden voor warmte-integratie hebben ook integratie van interne en externe opties19beschouwd.
Een van de hoofdproblemen van de CaL-cyclus van de economisch oogpunt is het leveren de energie die nodig is in de calciner door middel van brandstof verbranding20. Verhoging van de zuurstofconcentratie in de calciner van inlaat is voorgesteld om te verminderen of zelfs voorkomen naar de nood van CO2 recycle aan de calciner. Dit alternatief vermindert de kapitaalkosten (verminderde grootte van calciner en lucht scheiding eenheden (ASU)), zodat het concurrentievermogen van dit proces aanzienlijk kunnen worden verbeterd. De drastische verandering in de omstandigheden van de verbranding kan worden bereikt door te profiteren van de reactie van de endotherme calcinatie en de grote CaO/CaCO3 stroom circuleren van de carbonator bij lagere temperaturen (noch voordeel is beschikbaar met de Oxy-verbrandingstechnologie).
Dit werk is gericht op het ontwikkelen van een standaard gebruiksprocedure voor het uitvoeren van een proeffabriek CaL met een circulerende Fluidized Bed (CFB) carbonator en een calciner Fluidized Bed borrelen (BFB) met 100% O2 concentratie in de calciner van inlaat. Verschillende experimentele campagnes zijn uitgevoerd tijdens de inbedrijfstelling van de proeffabriek voor goede werking als de zuurstof concentratie verhoogd. Ook werden drie kalksteen deeltje grootte distributies (100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm) bestudeerd om te onderzoeken hoe deze parameter beïnvloedt de elutriation van deeltjes en efficiëntie in deze operationele modus vast te leggen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. materiaal voorbereiding
- Sieve de kalksteen (~ 50 kg grondstof) naar de gewenste korrelgrootteverdeling (300-400 µm of een andere distributie afhankelijk van het experiment) met behulp van een mechanisch schudapparaat. Zet het gezeefde materiaal in potten naast de calciner voor voeding tijdens de test
- Bereiden het materiaal in batches om te worden binnengebracht in de reactor. De partijen zijn over het algemeen 0.5 L of 1 L (1 L voor kalksteen is ongeveer 1,5 kg), maar dit kan variëren afhankelijk van de bewerkingsparameters.
2. Start-up Procedure
Waarschuwing: extreem hoge temperaturen hier zijn bereikt. Geschikte PPE zoals handschoenen, bril, laboratorium jas en veiligheid schoenen zijn vereist.
- Opwarmen van reactoren
- Start van de lage stroom voor N 2 in de carbonator (60 L/min) en calciner (20 L/min) en de lus-zegels (10 L/min) in het rotameters.
- Inschakelen de transformatoren carbonator handmatig. De temperatuur van alle elektrische preheaters van de carbonator vastgesteld op 600 ° C.
- Start het verwerven van gegevens (voor gas temperaturen en drukken, gebruik de opnemen-knop in de software). De gegevens omvatten temperaturen, druk en gassamenstelling van beide reactoren. In Figuur 1 en Figuur 2, staan de screenshots van het data-acquisitiesysteem.
- Inschakelen de calciner gas preheaters. Inschakelen van de kachel rond de calciner tot 600 ° C gemeten binnen de BFB via een thermokoppel.
Opmerking: Gegevens zoals temperatuur, druk en gas samenstelling zijn reeds verworven wordt, zoals in stap 2.1.3. - 3 L van de gezeefde kalksteen in de BFB-brouwers in de calciner gebracht. Eerst open de bovenste klep, het introduceren van het materiaal in de down-pipe en sluit de bovenste klep, en open vervolgens het onderventiel zodat het materiaal mondt uit in de reactor.
- Warmte het materiaal in de BFB naar boven 650 ° C (door de elektrische kachel rond de calciner).
Let op: Dit duurt meestal ~ 1 h, tijdens deze tijd check de data-acquisitie en de druk in de fluïde bed.
Figuur 1: Screenshot van temperatuur en druk data-acquisitie voor beide reactoren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: Screenshot van temperatuur data-acquisitie voor het preheating systeem. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: schematische van de 25 kW th CaL (CFB carbonator en BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: lagere lus-zegel; 4: bovenste lus-zegel; 5: carbonator cycloon; 6: calciner cycloon. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- start van verbranding in calciner
- verhogen de zuurstofconcentratie in de calciner van 0 tot 40% vol, om ervoor te zorgen dat de concentratie stabiel is voordat de verbrandingsgassen.
- Start de stoichiometrische stroom van aardgas handmatig met behulp van een rotameter ervoor te zorgen dat de verbranding stabiel is.
Opmerking: De natuurlijke gasstroom moet zorgvuldig worden verhoogd. Controleren dat de gegevens wijzen op een passend niveau van verbranding reactie. - Verhogen de zuurstofconcentratie in de calciner in stappen van 20% vol door aanpassing van de natuurlijke gas flow rotameter zodat stoichiometrische verbranding.
Opmerking: Dit proces moet worden uitgevoerd met uiterste zorg. Als enige verdenking rijst dat de verbranding niet plaatsvindt zoals verwacht uit de voorlopige berekeningen dan stoppen van de stroom van aardgas en de stroom van zuurstof naar de stikstof voor veilige exploitatie. Het identificeren van de bron van deze discrepantie. De totale duur van dit proces is ongeveer 1 h. - Bereiken 100% zuurstof concentratie aardgas verbranding.
Opmerking: De samenstellingsgegevens temperatuur en gas moet worden zorgvuldig gevolgd tijdens het testen, maar vooral wanneer de verbranding plaatsvindt in 100% zuurstof. - Toevoegen kalksteen in stappen van 0,5 L totdat er 7 L in de fluïde bed. Calcine al het materiaal in de fluïde bed van de calciner (de geschatte calcinatie temperatuur is 800-850 ° C voor de partij die aanwezig is in de calciner en de temperatuur van de calciner voor de volgende batches).
- Verhogen de stroom van N 2 in de carbonator om te beginnen met het verkeer. Controleren de omloop weergave poort regelmatig om ervoor te zorgen voor goede verspreiding.
- Calcine alle beschikbare kalksteen circuleert in het tuig voordat de CO 2-vangst.
3. Stabiele werking
- handmatig schakelen het gas van de carbonatatie uit N 2 tot 15% vol CO 2 met behulp van de rotameter, waarmee de gloeifosfaat kalksteen om te beginnen met het vastleggen van CO 2.
- Pas de stromen in de calciner handmatig met behulp van de rotameters te bereiken van een stabiele temperatuur van de 930-950 ° C in de calciner door het reguleren van de toevoer van aardgas (NG) en zuurstof (binnen het regime van de optimale fluïdisatie). De O 2 stroom is meestal 100% met voldoende bed-materiaal, maar het is aangepast gedurende het gehele experiment.
- Wanneer het materiaal begint te daling van de activiteit (boven 5% CO 2 concentratie bij de uitgang van de carbonator, die voortdurend wordt overgenomen door de software zoals beschreven in stap 2.1.3), voeg meer kalksteen.
4. Shut-down Procedure
- handmatig uitschakelen van de gasstroom van de natuurlijke met behulp van de rotameter en verlaagt de zuurstof stroom en schakelen de gassen in beide reactoren te N 2. Uitschakelen van alle kachels (calciner en carbonator).
- Laat de temperatuur van de inventaris van het tuig te verkleinen (gewoonlijk 's nachts), en de reactoren leeg wanneer ze op kamertemperatuur.
- Wegen de uitgepakte lichamen en een standaard zeef analyses uit te voeren. Karakteriseren van het materiaal: porosimetrie, samenstelling (Röntgen fluorescentie spectrometrie, XRF) 21 , 22 en microscopische structuur (scanning elektronen microscopie, SEM).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De experimentele opstelling wordt getoond in Figuur 3. De plant bestaat uit twee onderling verbonden fluidized-bed. De carbonator is namelijk een CFB met 4,3 m hoogte en 0,1 m inwendige diameter (ID); terwijl de calciner een BFB met 1,2 m hoogte en 0.165 m-ID is. De solide vervoer van één reactor naar de andere wordt gecontroleerd door twee lus-zeehonden fluidized met stikstof. Beide reactoren worden gevoed met een mengsel van gas via een preheating lijn, en ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De werking van de calciner met een inlaat van 100% vol zuurstof is haalbaar, gebaseerd op de exploitatie van de endotherme aard van de reactie van calcinatie, evenals het feit dat de lichamen circuleren tussen de twee reactoren bij verschillende temperaturen. In deze operationele modus beoogt de CaL-proces zuiniger veelbelovende door vermindering van de kapitaal- en exploitatiekosten. Als het recycleren van flue gas (voornamelijk CO2, waterdamp en spoorverontreiniging O2) is verminderd of zelfs opge...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Het onderzoek leidt tot deze resultaten heeft financiering ontvangen van de Europese Gemeenschap Fonds voor onderzoek inzake kolen en staal (RFC's) onder overeenkomst n ° RFCR-CT-2014-00007 verlenen. Dit werk werd gefinancierd door de UK Carbon Capture en opslag Research Centre (UKCCSRC) als onderdeel van Call 2 projecten. UKCCSRC wordt ondersteund door de Engineering and Physical Sciences Research Raad (EPSRC) als onderdeel van de Onderzoeksraad UK programma energie, met extra financiële steun van het departement van Business-, energie- en industriële strategie (BEIS - voorheen DECC). De auteurs wil ook de heer Martin Roskilly bedanken voor zijn enorme hulp in de loop van dit werk.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Longcal kalksteen | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Mechanische schudder | SWECO | LS24S544+C | Mechanische zeef om deeltjes te scheiden |
| Zuurstof | BOC | n/a | BOC-cilinders |
| Stikstof | BOC | n/a | BOC-tank |
| Koolstofdioxide | BOC | n/a | BOC-tank |
| Aardgas | n/a | n/a | Genomen uit de leiding |
Referenties
- 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 gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
- Shimizu, T., Hirama, T., Hosoda, H., Kitano, K., Inagaki, M., Tejima, K. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustion processes. Chemical Engineering Research and Design. 77 (1), 62-68 (1999).
- Blamey, J., Anthony, E. J., Wang, J., Fennell, P. S. The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture. Progress in Energy and Combustion Science. 36 (2), 260-279 (2010).
- Masnadi, M. S., Grace, J. R., Bi, X. T., Ellis, N., Lim, C. J., Butler, J. W. Biomass/coal steam co-gasification integrated with in-situ CO2 capture. Energy. 83, 326-336 (2015).
- Abanades, J. C., Anthony, E. J., Lu, D. Y., Salvador, C., Alvarez, D. Capture of CO2 from combustion gases in a fluidized bed of CaO. AIChE Journal. 50 (7), 1614-1622 (2004).
- Hughes, R. W., Lu, D. Y., Anthony, E. J., Macchi, A. Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustion system for in situ CO2 capture using high-temperature sorbents. Fuel Processing Technology. 86 (14), 1523-1531 (2005).
- Lu, D. Y., Hughes, R. W., Anthony, E. J. Ca-based sorbent looping combustion for CO2 capture in pilot-scale dual fluidized beds. Fuel Processing Technology. 89 (12), 1386-1395 (2008).
- Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
- Sánchez-Biezma, A., et al. Postcombustion CO2 capture with CaO. Status of the technology and next steps towards large scale demonstration. Energy Procedia. 4, 852-859 (2011).
- Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration. Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).
- Arias, B., et al. Demonstration of steady state CO2 capture in a 1.7 MWth calcium looping pilot. International Journal of Greenhouse Gas Control. 18, 237-245 (2013).
- Ströhle, J., Junk, M., Kremer, J., Galloy, A., Epple, B. Carbonate looping experiments in a 1MWth pilot plant and model validation. Fuel. 127, 13-22 (2014).
- Bidwe, A. R., Hawthorne, C., Dieter, H., Dominguez, M. A., Zieba, M., Scheffknecht, G. Cold model hydrodynamic studies of a 200kWth dual fluidized bed pilot plant of calcium looping process for CO2 Capture. Powder Technology. 253, 116-128 (2014).
- Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
- Reitz, M., Junk, M., Ströhle, J., Epple, B. Design and operation of a 300kWth indirectly heated carbonate looping pilot plant. International Journal of Greenhouse Gas Control. 54, 272-281 (2016).
- Martínez, A., Lara, Y., Lisbona, P., Romeo, L. M. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control. 7, 74-81 (2012).
- Perejón, A., Romeo, L. M., Lara, Y., Lisbona, P., Martínez, A., Valverde, J. M. The calcium-looping technology for CO2 capture: on the important roles of energy integration and sorbent behavior. Appl Energy. 162, 787-807 (2016).
- Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
- ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), ASTM International. West Conshohocken, PA. C1271-C1299 (2012).
- ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , ASTM International. West Conshohocken, PA. C25-C11 (2011).
- Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas. Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).
- Manovic, V., Anthony, E. J. Parametric study on the CO2 capture capacity of CaO-based sorbents in looping cycles. Energy Fuels. 22 (3), 1851-1857 (2008).
- Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis. Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).
- Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
- Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
