Ten manuskrypt opisuje procedurę obsługi pilotażowej instalacji z pętlą wapniową do wychwytywania węgla po spalaniu z wysokimi stężeniami tlenu w kalcynatorze w celu zmniejszenia lub wyeliminowania recyklingu spalin.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Eksploatacja pilotażowej instalacji z pętlą wapniowąo mocy 25 KW z wysokimi stężeniami tlenu w kalcynatorze
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Pętla wapniowa (CaL) to technologia wychwytywania CO2 po spalaniu, która nadaje się do modernizacji istniejących elektrowni. W procesie CaL wykorzystuje się wapień jako tani i łatwo dostępny sorbent CO2 . Chociaż technologia ta została szeroko zbadana, istnieje kilka dostępnych opcji, które można zastosować, aby uczynić ją bardziej opłacalną. Jednym z nich jest zwiększenie stężenia tlenu w kalcynatorze w celu zmniejszenia lub wyeliminowania ilości gazu pochodzącego z recyklingu (CO2, H2O i zanieczyszczenia); W związku z tym zmniejszenie lub usunięcie energii niezbędnej do podgrzania strumienia gazu z recyklingu. Ponadto następuje wzrost poboru energii ze względu na zmianę intensywności spalania; Energia ta jest wykorzystywana do umożliwienia zajścia endotermicznej reakcji kalcynacji przy braku zawracanych gazów spalinowych. W artykule przedstawiono działanie i pierwsze wyniki pilotażowej instalacji CaL ze 100% spalaniem tlenu w gazie ziemnym w kalcynarze. Gaz trafiający do saturatora był symulowanymi spalinami z elektrowni węglowej lub przemysłu cementowego. Testuje się również kilka rozkładów wielkości cząstek wapienia w celu dalszego zbadania wpływu tego parametru na ogólną wydajność tego trybu pracy. W artykule szczegółowo opisano konfigurację systemu reaktora, procedury operacyjne i wyniki. Reaktor wykazał się dobrą stabilnością hydrodynamiczną i stabilnym wychwytywaniemCO2, ze skutecznością wychwytywania do 70% przy mieszance gazów symulującej spaliny z elektrowni węglowej.
Wprowadzenie
Emisje CO2 i wynikające z nich globalne ocieplenie są krytycznymi kwestiami środowiskowymi, które przyciągnęły dużą ilość badań w ostatnich latach. Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS) zostało uznane za potencjalną technologię redukcji emisji CO2 do atmosfery1,2. Najtrudniejszą częścią łańcucha CCS jest wychwytywanie CO2, co jest również najbardziej kosztownym etapem3. W związku z tym skoncentrowano się na rozwoju nowych technologii wychwytywania CO2 z elektrowni i innych obiektów przemysłowych.
CaL jako technologia wychwytywania CO2 po spalaniu, została po raz pierwszy zaproponowana przez Shimizu et al.4 CO2 jest wychwytywane przez sorbent na bazie CaO w temperaturze 600-700 °C w reaktorze zwanym saturatorem, a następnie uwalniane przez kalcynację w temperaturze 850-950 °C (w kalcynatorze) zgodnie z równaniem (1), w celu wytworzenia strumienia CO2 o wysokiej czystości nadającego się do sekwestracji5,6. Cykl CaL wykorzystuje złoża fluidalne, które stanowią optymalną konfigurację dla tego procesu, ponieważ pozwalają na łatwą cyrkulację dużych ilości ciał stałych z jednego reaktora do drugiego4,5,6,7,8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 °C = -178,2 kJ/mol (1)
Ta koncepcja została zademonstrowana na skalę pilotażową przez różne grupy i w różnych konfiguracjach i skalach, takich jak 0,2 MWth pilot w Stuttgarcie, 1 MWth pilot w Darmstadt, 1,7 MWth pilot w La Pereda i 1,9 MWth unit na Tajwanie9,10,11,12,13,14,15,16. Chociaż proces ten został udowodniony, nadal istnieją możliwości zwiększenia jego sprawności cieplnej, na przykład poprzez modyfikację standardowych warunków pracy i zmiany w konstrukcji konfiguracji reaktora.
Badano użycie rurek cieplnych między komorą spalania a kalcynatorem zamiast paliwa spalanego tlenowo. Wyniki dotyczące wydajności wychwytywania CO2 są porównywalne z wynikami konwencjonalnej instalacji pilotażowej CaL, jednak proces ten charakteryzuje się wyższą wydajnością instalacji i niższymi kosztami unikania emisji CO2 17. Martínez i wsp.18 zbadał możliwości integracji ciepła w celu wstępnego podgrzania materiału stałego wchodzącego do kalcynatora i zmniejszenia ilości ciepła potrzebnego w kalcynatorze. Wyniki wykazały zmniejszenie zużycia węgla o 9% w porównaniu z rozmiarem standardowym. Inne badane możliwości integracji ciepła również uwzględniały opcje integracji wewnętrznej i zewnętrznej19.
Jednym z głównych problemów cyklu CaL z ekonomicznego punktu widzenia jest dostarczanie energii potrzebnej w kalcynatorze za pomocą spalania paliwa20. Proponuje się zwiększenie stężenia tlenu na wlocie kalcynatora w celu zmniejszenia lub nawet uniknięcia konieczności recyklingu CO2 do kalcynatora. Ta alternatywa zmniejsza koszty kapitałowe (zmniejszone rozmiary jednostek kalcynacji i separacji powietrza (ASU)), co może znacznie poprawić konkurencyjność tego procesu. Drastyczną zmianę warunków spalania można osiągnąć, wykorzystując endotermiczną reakcję kalcynacji i duży przepływ CaO/CaCO3 krążący z saturatora pracującego w niższych temperaturach (żadna z tych zalet nie jest dostępna w przypadku technologii spalania tlenowego).
Ta praca ma na celu opracowanie standardowej procedury operacyjnej dla prowadzenia pilotażowej instalacji CaL z saturatorem z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym (CFB) i kalcynatorem z bulgoczącym złożem fluidalnym (BFB) o stężeniu 100% O2 na wlocie kalcynatora. Podczas oddawania do użytku instalacji pilotażowej przeprowadzono kilka kampanii eksperymentalnych, aby zapewnić prawidłowe działanie wraz ze wzrostem stężenia tlenu. Zbadano również trzy rozkłady wielkości cząstek wapienia (100-200 μm; 200-300 μm; 300-400 μm) w celu zbadania, w jaki sposób ten parametr wpływa na elutriację cząstek i skuteczność wychwytywania w tym trybie pracy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie materiałów
- Przesiać wapień (~50 kg surowca) do pożądanej dystrybucji wielkości cząstek (300-400 µm lub inna dystrybucja w zależności od eksperymentu), używając wstrząsarki mechanicznej. Przesiany materiał umieścić w naczyniach obok kalcynatora w celu podawania go podczas testu.
- Przygotować materiał w partiach do wprowadzenia do reaktora. Partie mają zazwyczaj objętość 0,5 L lub 1 L (1 L wapienia to w przybliżeniu 1,5 kg), jednak może się to różnić w zależności od parametrów operacyjnych.
2. Procedura uruchomienia
UWAGA: W tym miejscu osiągane są ekstremalnie wysokie temperatury. Wymagane jest stosowanie odpowiednich środków ochrony indywidualnej, takich jak rękawice, okulary ochronne, fartuch laboratoryjny i obuwie ochronne.
- Nagrzewanie reaktorów
- Uruchom niski przepływ N2 w karbonizatorze (60 L/min) i kalcynatorze (20 L/min) oraz w uszczelnieniach pętli (10 L/min) za pomocą rotametrów.
- Włącz ręcznie transformatory karbonizatora. Ustaw temperaturę wszystkich elektrycznych grzałek wstępnych karbonizatora na 600 °C.
- Rozpocznij gromadzenie danych (w celu rejestracji temperatur i ciśnień gazów użyj przycisku nagrywania w oprogramowaniu). Dane obejmują temperatury, ciśnienia oraz skład gazów w obu reaktorach. Na Rysunku 1 i Rysunku 2 przedstawiono zrzuty ekranu z systemu akwizycji danych.
- Włącz grzałki wstępne gazu w kalcynatorze. Włącz grzałkę wokół kalcynatora, ustawiając temperaturę na 600 °C mierzoną wewnątrz BFB za pomocą termopary.
UWAGA: Dane takie jak temperatura, ciśnienie i skład gazów są już gromadzone, zgodnie z opisem w kroku 2.1.3. - Wsyp 3 L przesianionego wapienia do BFB w kalcynatorze. Najpierw otwórz górny zawór, wprowadź materiał do rury spustowej i zamknij górny zawór, a następnie otwórz dolny zawór, aby materiał spłynął do reaktora.
- Ogrzej materiał w BFB do temperatury powyżej 650 °C (za pomocą elektrycznej grzałki wokół kalcynatora).
UWAGA: Zazwyczaj trwa to ok. 1 h; w tym czasie kontroluj akwizycję danych oraz ciśnienia w złożach fluidalnych.
Rycina 1: Zrzut ekranu z akwizycji danych temperatury i ciśnienia dla obu reaktorów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 2: Zrzut ekranu akwizycji danych temperaturowych dla systemu wstępnego podgrzewania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 3: Schemat instalacji CaL o mocy 25 kWth (karbonizator CFB i kalcynator BFB). 1: karbonizator; 2: kalcynator; 3: dolna uszczelka pętli; 4: górna uszczelka pętli; 5: cyklon karbonizatora; 6: cyklon kalcynatora. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Rozpoczęcie spalania w kalcynatorze
- Zwiększyć stężenie tlenu w kalcynatorze od 0 do 40% vol, upewniając się, że stężenie jest stabilne przed rozpoczęciem spalania.
- Ręcznie uruchomić stechiometryczny przepływ gazu ziemnego za pomocą rotametru, upewniając się, że spalanie jest stabilne.
UWAGA: Przepływ gazu ziemnego należy zwiększać ostrożnie. Należy sprawdzić, czy dane wskazują na odpowiedni poziom reakcji spalania. - Zwiększać stężenie tlenu w kalcynatorze w przyrostach 20% vol, regulując rotametr przepływu gazu ziemnego w celu zapewnienia spalania stechiometrycznego.
UWAGA: Proces ten należy przeprowadzać z najwyższą ostrożnością. W przypadku jakichkolwiek podejrzeń, że spalanie nie przebiega zgodnie z obliczeniami wstępnymi, należy zatrzymać przepływ gazu ziemnego i przełączyć przepływ tlenu na azot w celu zapewnienia bezpiecznej pracy. Należy zidentyfikować przyczynę tej rozbieżności. Całkowity czas trwania tego procesu wynosi około 1 h. - Osiągnąć spalanie gazu ziemnego przy 100% stężeniu tlenu.
UWAGA: Dane dotyczące temperatury i składu gazów należy uważnie monitorować przez cały czas trwania testów, a w szczególności podczas spalania w 100% tlenie. - Dodawać wapień w przyrostach 0,5 L, aż w złożu fluidalnym znajdzie się 7 L. Przekalcynować cały materiał w złożu fluidalnym kalcynatora (szacowana temperatura kalcynacji dla partii znajdującej się w kalcynatorze oraz dla kolejnych partii wynosi 800-850 °C).
- Zwiększyć przepływ N2 w karbonatorze, aby rozpocząć cyrkulację. Regularnie sprawdzać wizjer cyrkulacji, aby upewnić się, że cyrkulacja przebiega prawidłowo.
- Przekalcynować cały dostępny wapień krążący w układzie przed rozpoczęciem wychwytu CO2.
3. Stabilna praca
- Ręcznie przełącz gaz do karbonizacji z N2 na 15% obj. CO2 za pomocą rotametru, co umożliwi rozpoczęcie pochłaniania CO2 przez kalcynowany wapień.
- Ręcznie dostosuj przepływy w kalcynatorze za pomocą rotametrów, aby osiągnąć stabilną temperaturę 930-950 °C w kalcynatorze poprzez regulację przepływu gazu ziemnego (NG) i tlenu (w optymalnym reżimie fluidyzacji). Przepływ O2 zazwyczaj wynosi 100% przy odpowiedniej ilości materiału złoża, lecz jest on korygowany w trakcie trwania eksperymentu.
- Gdy aktywność materiału zacznie spadać (powyżej 5% stężenia CO2 na wylocie z karbonizatora, co jest rejestrowane w sposób ciągły przez oprogramowanie zgodnie z opisem w kroku 2.1.3), dodaj więcej wapienia.
4. Procedura wyłączania
- Ręcznie odetnij dopływ gazu ziemnego za pomocą rotametru, zmniejsz przepływ tlenu i przełącz gazy w obu reaktorach na N2. Wyłącz wszystkie grzałki (kalcynator i karbonator).
- Pozostaw zawartość instalacji do ostygnięcia (zazwyczaj przez noc), a następnie opróżnij reaktory, gdy osiągną temperaturę pokojową.
- Zważ wydobyte ciała stałe i przeprowadź standardową analizę sitową. Scharakteryzuj materiał: porozymetria, skład (spektrometria fluorescencji rentgenowskiej, XRF)21,22 oraz struktura mikroskopowa (skaningowa mikroskopia elektronowa, SEM).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Układ doświadczalny przedstawiono na Rysunku 3. Instalacja składa się z dwóch połączonych ze sobą złóż fluidalnych. Mianowicie, karbonizator jest złem CFB o wysokości 4,3 m i średnicy wewnętrznej (ID) 0,1 m, natomiast kalcynator jest złem BFB o wysokości 1,2 m i średnicy wewnętrznej 0,165 m. Transport ciał stałych z jednego reaktora do drugiego jest kontrolowany przez dwa uszczelnienia pętlowe (loop-seals) fluidyzowane azotem. Do obu reaktorów doprowadzana je...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Działanie kalcynatora z wlotem tlenu o stężeniu 100% obj. jest osiągalne dzięki wykorzystaniu endotermicznego charakteru reakcji kalcynacji, a także faktu, że ciała stałe krążą między dwoma reaktorami w różnych temperaturach. Ten tryb pracy ma na celu uczynienie procesu CaL bardziej obiecującym ekonomicznie poprzez zmniejszenie kosztów kapitałowych i operacyjnych. Ponieważ recykling spalin (głównieCO2, pary wodnej i nieprzereagowanegoO2) jest redukowany lub nawet eliminowany, ciepło zużywane do wstę...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Badania prowadzące do tych wyników otrzymały dofinansowanie z Europejskiego Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS) na podstawie umowy o grant nr RFCR-CT-2014-00007. Prace te zostały sfinansowane przez brytyjskie Centrum Badań nad Wychwytywaniem i Składowaniem Dwutlenku Węgla (UKCCSRC) w ramach projektów w ramach zaproszenia nr 2. UKCCSRC jest wspierany przez Radę ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych (EPSRC) w ramach brytyjskiego programu energetycznego Rady ds. Badań Naukowych, z dodatkowym finansowaniem z Departamentu Biznesu, Energii i Strategii Przemysłowej (BEIS - dawniej DECC). Autorzy pragną również podziękować Panu Martinowi Roskilly'emu za jego ogromną pomoc w trakcie tej pracy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Wapień długotrwały | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Wytrząsarka mechaniczna | SWECO | LS24S544+C | Mechaniczny syfer do oddzielania cząstek |
| Tlen | BOC | nie dotyczy | Butli BOC |
| Azot | BOC | nie dotyczy | Zbiornik BOC |
| Dwutlenek węgla | BOC | nie dotyczy | Zbiornik BOC |
| Gaz ziemny | nie dotyczy | n/a | Zaczerpnięte z linii |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
