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Betrieb einer 25 KWth Calcium Looping Pilot-Anlage mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Calcinator

Published: October 25, 2017 doi: 10.3791/56112
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Combustion and CCS Centre, Cranfield University

Summary

Dieses Manuskript beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eine Pilotanlage für post-Combustion-CO2-Abscheidung mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Calcinator zur Verringerung oder Beseitigung der Rauchfang Gas Recycling Schleife Kalzium.

Abstract

Calcium looping (CaL) ist eine Nachverbrennung CO2 -Capture-Technologie, die für die Nachrüstung bestehenden Anlagen geeignet ist. Der CaL-Prozess nutzt Kalkstein als billig und überall verfügbar CO2 Sorbens. Während die Technologie umfassend untersucht worden, gibt es ein paar Möglichkeiten, die angewendet werden könnte, um wirtschaftlich rentabel zu machen. Dazu gehört, erhöhen die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator zur Verminderung oder Beseitigung der recycelten Gasmenge (CO-2, H2O und Verunreinigungen); Daher verringern oder entfernen die notwendige Energie, um die recycelten Gasstrom zu erhitzen. Darüber hinaus gibt es eine daraus resultierende Zunahme der Energieeintrag durch die Änderung in der Intensität der Verbrennung; Diese Energie wird verwendet, um die endothermen Kalzinierung Reaktion in der Abwesenheit von recycelten Rauchgase auftreten zu ermöglichen. Dieser Beitrag stellt den Betrieb und die ersten Ergebnisse einer CaL-Pilotanlage mit 100 % Sauerstoff Verbrennung von Erdgas in den Calcinator. Das Gas kommt in der Karbonator war ein simulierter Rauchgas aus einem Kohle-Kraftwerk oder Zementindustrie. Mehreren Kalkstein Partikelgrößenverteilungen sind auch getestet, um die Wirkung dieses Parameters auf die Gesamtleistung dieser Betriebsart weiter zu erforschen. Die Konfiguration das Reaktorsystem, die Betriebsabläufe und die Ergebnisse sind in diesem Dokument ausführlich beschrieben. Der Reaktor zeigte gute hydrodynamische Stabilität und stabile CO2 -Abscheidung mit Capture Wirkungsgrade von bis zu 70 % mit einem Gasgemisch, das Rauchgas von einem Kohlekraftwerk zu simulieren.

Introduction

CO2 -Emissionen und die daraus resultierende globale Erwärmung sind kritische Umweltprobleme, die eine große Menge an Forschung in den letzten Jahren angezogen haben. Kohlenstoffabscheidung und-Speicherung (CCS) als eine mögliche Technologie zur Verringerung der CO2 -Emissionen in die Atmosphäre1,2anerkannt. Der schwierigste Teil der CCS-Kette ist die Erfassung von CO2, das ist auch der teuerste Stufe3. In der Folge gab es ein Schwerpunkt auf die Entwicklung neuer Technologien für CO2 -Abscheidung aus Kraftwerken und anderen Industrieanlagen.

CaL als eine Nachverbrennung CO2 Capture-Technologie wurde zuerst von Shimizu Et Al. vorgeschlagen 4 CO2 wird durch eine CaO-basierte erfasst Sorbens auf 600-700 ° C in einem Reaktor eine Karbonator genannt, und veröffentlicht durch nachfolgende Kalzinierung bei 850-950 ° C (in einem Calcinator) gemäß GL. (1), einen hochreinen CO2 Strom produzieren geeignet für Sequestrierung5,6. Die CaL-Zyklus nutzt fluidisierte Betten, die eine optimale Konfiguration für diesen Prozess darstellen, da sie große Mengen an Feststoffen ermöglichen leicht aus einem Reaktor verbreitet werden, die anderen4,5,6 , 7 , 8.

CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/Mol (1)

Dieses Konzept wurde im Pilotmaßstab von verschiedenen Gruppen und mit unterschiedlichen Konfigurationen und Skalen, wie z. B. 0,2 MWth -Pilot in Stuttgart, der 1 MW-th -Pilot in Darmstadt, der 1,7 MW-th -Pilot in La Pereda nachgewiesen und dem 1,9 MWth Gerät in Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Obwohl dieser Prozess erwiesen hat, gibt es noch Möglichkeiten zur Steigerung ihrer thermischen Wirkungsgrad, wie z. B. durch Ändern der standard Betriebsbedingungen und Änderungen in der Gestaltung der Reaktor-Konfiguration.

Die Verwendung von Heatpipes zwischen Brennkammer und Calcinator wurde anstelle von Sauerstoff verbrennen Kraftstoff in den Calcinator untersucht. Die Ergebnisse für die CO2 Capture Performance sind vergleichbar mit denen einer herkömmlichen CaL Pilot-Anlage, jedoch dabei hat höhere Pflanze Wirkungsgrade und niedrigere CO2 Vermeidung kostet17. Martínez Et al. 18 untersucht die Integrationsmöglichkeiten von Wärme, um das feste Material in den Calcinator vorheizen und reduzieren Sie die Hitze in den Calcinator benötigt. Die Ergebnisse zeigten 9 % Reduktion der Kohleverbrauch verglichen mit derjenigen der Standardfall. Weitere untersuchten Möglichkeiten Wärmeintegration haben auch interne und externe Integration Optionen19berücksichtigt.

Eines der Hauptprobleme des Kreislaufs CaL aus wirtschaftlicher Sicht ist die Energieversorgung in den Calcinator mittels Kraftstoff Verbrennung20benötigt. Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in den Calcinator Bucht wird vorgeschlagen, um zu verringern oder sogar zu vermeiden die Notwendigkeit der CO2 -Recycling zu den Calcinator. Diese Alternative reduziert die Investitionskosten (reduzierte Größe der Calcinator und Trennung Lufteinheiten (ASU)), die die Wettbewerbsfähigkeit dieses Prozesses deutlich verbessern können. Die drastische Veränderungen in die Verbrennungsbedingungen durch Nutzung der endothermen Kalzinierung Reaktion und den großen CaO/CaCO3 Fluss im Umlauf aus dem Karbonator Betrieb bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden kann (weder Vorteil gibt es mit der Oxy-Verbrennungstechnik).

Diese Arbeit soll eine Betriebsanweisung für den Betrieb einer Pilotanlage CaL mit einer zirkulierenden fluidisiert Bett (CFB) Karbonator und einem sprudelnden fluidisiert Bett (BFB) Calcinator mit 100 % O2 -Konzentration in den Calcinator Einlass zu entwickeln. Verschiedene experimentelle Aktionen ausgeführt wurden während der Inbetriebnahme der Pilotanlage zur ordnungsgemäßen Betrieb als der Sauerstoff Konzentration erhöht. Auch wurden drei Kalkstein Partikelgrößenverteilungen (100-200 µm, 200-300 µm, 300-400 µm) untersucht, um zu untersuchen, wie dieser Parameter wirkt sich auf die Sammelnetzwerk von Partikeln und Effizienz in dieser Betriebsart zu erfassen.

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Protocol

1. Material Vorbereitung

  1. Sieb der Kalkstein (~ 50 kg Rohstoff) die gewünschte Korngrößenverteilung (300-400 µm oder eine andere Distribution abhängig von dem Experiment) mit einem mechanischen Schüttler. Setzen Sie das gesiebte Material in Töpfen neben den Calcinator für die Fütterung während dem Test
  2. Bereiten das Material in Chargen in den Reaktor eingebracht werden. Die Stapel sind in der Regel 0,5 L oder 1 L (1 L aus Kalkstein ist etwa 1,5 kg), aber dies hängt von den Betriebsparametern.

2. Start-up-Verfahren

Vorsicht: extrem hohe Temperaturen werden hier erreicht. Geeignete PSA wie Handschuhe, Brillen, Labor Mantel und Sicherheitsschuhe erforderlich sind.

  1. Erwärmung der Reaktoren
    1. beginnen die low-Flow von N 2 im Karbonator (60 L/min) und Calcinator (20 L/min) sowie die Schleife-Dichtungen (10 L/min) in der Rotametern.
    2. Die Karbonator Transformatoren manuell schalten. Stellen Sie die Temperatur alle elektrischen Vorwärmer von der Karbonator bei 600 ° c
    3. Datenerfassung starten (für Gastemperaturen und drücke, verwenden Sie die Schaltfläche "Aufnahme" in der Software). Die Daten enthalten, Temperaturen, Drücke und Gaszusammensetzung der beiden Reaktoren. In Abbildung 1 und Abbildung 2 sind Screenshots von das Datenerfassungssystem gezeigt.
    4. Schalten Sie den Calcinator Gas Vorwärmer. Schalten Sie die Heizung um den Calcinator auf 600 ° C gemessen innerhalb der BFB über ein Thermoelement.
      Hinweis: Daten wie Temperatur, Druck und Gas Zusammensetzung sind bereits erworben wird, wie in Schritt 2.1.3.
    5. 3 L aus dem gesiebten Kalkstein in der BFB in den Calcinator genommen. Zuerst das obere Ventil öffnen, stellen das Material im Down-Rohr und das obere Ventil zu schließen, dann unten Ventil öffnen, so dass das Material in den Reaktor fließt.
    6. Erhitzen des Materials in die BFB auf über 650 ° C (durch die elektrische Heizung um den Calcinator).
      Hinweis: Dies dauert in der Regel ~ 1 h, während dieser Zeit Überprüfung der Datenerfassung und der Druck in den verwirbelten Betten.

Figure 1
Abbildung 1: Screenshot von Temperatur und Druck Datenerfassung für beide Reaktoren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Screenshot des Temperatur-Datenerfassung für das Vorwärmen System. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Schematische von den 25 kW th CaL (CFB Karbonator und BFB Calcinator). 1: Karbonator; 2: Calcinator; 3: senken Sie Schleife-Siegel; 4: obere Schleife-Siegel; 5: Karbonator Zyklon; 6: Calcinator Zyklon. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Verbrennung im Calcinator starten
    1. die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator von 0, 40 % Vol, um sicherzustellen, dass die Konzentration stabil ist, bevor die Verbrennung erhöhen.
    2. Beginnen die stöchiometrische Strömung von Erdgas, die manuell über ein Rotameter dafür sorgen, dass die Verbrennung stabil ist.
      Hinweis: Die Erdgas-Strömung sollte vorsichtig erhöht werden. Überprüfen Sie, ob die Daten ein angemessenes Maß an Verbrennungsreaktion zeigen.
    3. Erhöhen die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator in Schritten von 20 % Vol durch Anpassen der Erdgas Strom Rotameter zur stöchiometrischen Verbrennung gewährleisten.
      Hinweis: Dieser Vorgang sollte mit äußerster Vorsicht durchgeführt werden. Wenn Verdacht entsteht, dass die Verbrennung nicht erwartungsgemäß aus dem vorläufigen Berechnungen auftritt dann stoppen Sie die Strömung von Erdgas und wechseln Sie die Sauerstoffzufuhr zu Stickstoff für den sicheren Betrieb zu. Die Quelle dieser Diskrepanz zu identifizieren. Die Gesamtdauer dieses Prozesses ist etwa 1 h.
    4. Erreichen 100 % Sauerstoff Konzentration Erdgas Verbrennung.
      Hinweis: Die Temperatur- und Gas Zusammensetzung Daten sorgfältig befolgt werden während der Tests, aber vor allem bei die Verbrennung findet in 100 % Sauerstoff.
    5. Add Kalkstein in Schritten von 0,5 L bis 7 L gibt es in der Wirbelschicht. Das Material in der Wirbelschicht den Calcinator (geschätzte Kalzinierung Temperatur ist 800-850 ° C für den Batch in den Calcinator und Calcinator Temperatur für die folgenden Chargen vorhanden) Calcine.
    6. Erhöhen den Fluss der N 2 in der Karbonator um die Durchblutung zu starten. Überprüfen der Zirkulation Viewport regelmäßig, um richtige Zirkulation sicherzustellen.
    7. Alle verfügbaren Kalkstein zirkuliert im Rigg vor Beginn der CO 2-Abscheidung calcine.

3. Stabilen Betrieb

  1. manuell umschalten das Kohlensäure-Gas aus N 2 bis 15 % Vol CO 2 unter Verwendung der Rotameter, wodurch den kalzinierte Kalkstein mit der Erfassung der CO 2 beginnen.
  2. Stellen Sie die Ströme in den Calcinator manuell mithilfe der Rotametern, um eine stabile 930-950 ° C Temperatur in den Calcinator durch Regulierung der Erdgas (NG) und Sauerstoff (innerhalb des Regimes optimale Fluidisierung) zu erreichen. O 2 läuft in der Regel 100 % mit genügend Bettmaterial vorhanden,, aber es wird während des Experiments angepasst.
  3. Wenn das Material beginnt zu Rückgang der Aktivität (über 5 % CO 2-Konzentration am Ausgang der Karbonator, die kontinuierlich von der Software erworben wird, wie in Schritt 2.1.3 beschrieben), fügen Sie mehr Kalkstein.

4. Abschaltung Verfahren

  1. manuell schalten Sie den Erdgas-Fluss mit der Rotameter die Sauerstoffzufuhr zu verringern und die Gase in beiden Reaktoren, N 2 zu wechseln. Schalten Sie alle Heizungen (Calcinator und Karbonator).
  2. Ermöglichen die Temperatur des Inventars des Rigs (normalerweise über Nacht) zu verringern, und die Reaktoren zu leeren, wenn sie bei Raumtemperatur sind.
  3. Wiegen die extrahierten Feststoffe und führen Sie eine standard Siebanalyse. Das Material zu charakterisieren: Porosimetrie, Zusammensetzung (Röntgen-Fluoreszenz-Spektrometrie, RFA) 21 , 22 und mikroskopische Struktur (Rasterelektronenmikroskopie, SEM).

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Representative Results

Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 3dargestellt. Die Anlage besteht aus zwei miteinander verbundenen fluidisiert Betten. Es ist nämlich der Karbonator CFB mit 4,3 m Höhe und 0,1 m Innendurchmesser (ID); während die Calcinator BFB mit 1,2 m Höhe und 0,165 m-ID. Der solide Transport aus einem Reaktor zum anderen wird durch zwei Loop-Dichtungen mit Stickstoff fluidisiert gesteuert. Beide Reaktoren sind eine Mischung von Gas durch eine Vorwärmzeit Linie gefüttert, und beide werden elektrisch beheizt; Darüber hinaus wird den Calcinator mit Erdgas um notwendige für die endothermen Kalzinierung Wärme durch Verbrennung zu erzeugen und heizen die zirkulierenden Sorbens gespeist. Der Verteilerplatte Karbonator hat 8 Düsen, jede von ihnen mit 20 2 mm Löcher, während die Calcinator 20 Düsen mit sechs 1 mm Löcher.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse aus drei verschiedenen Experimenten diskutiert. Diese Tests geben einen Überblick in Bezug auf die Ausführung der Pilotanlage aus Luft (~ 20 % Vol O2) zu 100 % Vol O2 am Calcinator Eintritt. Diese Arbeit untersucht die Ergebnisse der Verwendung unterschiedlicher Partikelgrößenverteilungen in diesem Betriebsmodus um zu sehen, ob dieser Parameter einen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems hat. In dieser Studie verwendeten Kalkstein hat einen Mindestgehalt von 98.25 % CaCO3.

Experiment 1: Rauchgas (15 % Vol CO2) mit Kalkstein (200-300 µm) 30 % Vol O2

Dieser erste Test mit dem Kalkstein Bruch, den 200-300 µm durchgeführt wurde, um das Rig mit Kalkstein zirkuliert zwischen den beiden Reaktoren innerhalb der Rig als Ausgangspunkt für die Leistungsoptimierung zu testen. Bei diesem Test wurde ein Capture-Wirkungsgrad von 45 % erreicht (Abbildung 4). Diese Erfassung Effizienz, ECarb, wurde mit der folgenden Formel23errechnet: wo FCO2 ist die molare Strömungsgeschwindigkeit des CO2 Eingabe der Karbonator und FCarb ist die molare Strömungsgeschwindigkeit des CO2 verlassen die Karbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
Abbildung 4: Konzentration von CO2 auf Karbonator Einlass und Auslass und des Wirkungsgrads der Abgaserfassung (Ecarb) für 200-300 µm Kalkstein mit 30 % O2. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die minderwertigen Capture-Effizienz während dieser experimentellen Ausführung wurde vor allem durch die unzureichende Versorgung mit Wärme auf den Kalkstein, die ihren Wohnsitz in die BFB calcine verursacht. Dies verursacht eine Abnahme der CaO/CaCO3 Ratio im Karbonator Feed. Ein weiterer Grund war die Deaktivierung und Verschleppung der Kalk Teilchen aus den Calcinator, der das gesamte Bett Inventar und die Menge des Sorbens Gegenwart im System reduziert. Nach dem Experiment wurde eine Materialbilanz des Inventars des Reaktors durchgeführt (Tabelle 1). Eine Verschiebung hin zu kleineren Fraktionen kann beobachtet werden, wegen der Abnutzung des Materials in beide fluidisierte Betten.

Bruchteil Kalkstein in Calcinator + Karbonator Zyklon Calcinator Zyklon Karbonator
Gesamtmasse (g) 9100 5000 500 20
250-300 µm 22 % 24 % 2 % 0 %
212-250 µm 47 % 41 % 6 % 18 %
150-212 µm 28 % 34 % 24 % 18 %
0-150 µm 3 % 1 % 69 % 65 %

Tabelle 1: Gewichtsverteilung der materiellen Eingänge und Ausgänge für 200-300 µm Kalkstein mit 30 % O2.

Experiment 2: Rauchgas (15 % CO2) mit Kalkstein (100-200 µm) 100 % O2

Bei diesem Test war das Hauptziel der kleineren Kalkstein Partikel verwenden, um ihre mögliche positive Wirkung auf die Performance des Systems zu untersuchen. Das sekundäre Ziel war Sauerstoff, im Idealfall bis zu 100 % am Einlass zu mehr Wärme für die Kalzinierung Prozess in der BFB Calcinator durch verbrennen Erdgas in hoch konzentriert.

In diesem Experiment testeten wir erfolgreich die Möglichkeit der Verwendung von reinem O2 am Eintritt des den Calcinator, bietet die Möglichkeit, die Wiederverwendung von Abgas benötigt für einen standard Oxyfuel-Prozess vollständig zu beseitigen. Dies wird durch den Wärmeverbrauch in Form von einer zirkulierenden Wirbelschicht-Material und die kontinuierliche Kalzinierung Reaktion ermöglicht.

Die Verwendung kleinerer Partikel haben eine positive Wirkung auf die Kohlensäure-Prozess, wahrscheinlich wegen der höheren Kontaktfläche zwischen Partikel und das Gas nicht. Allerdings gibt es einige Kontroversen in dieser Angelegenheit, wie kleinere Partikel verminderte Reaktivität aufgrund höheren Gehalt an Verunreinigungen24gezeigt haben. Fast alle zusätzlichen Kalkstein, das war < 150 µm wurde sehr schnell von den Calcinator auf den nachgeschalteten Zyklon elutriated. Daher war es sehr schwierig, erhalten die notwendige Inventar von Kalk in die Anlage benötigt, um höhere Aufnahme Effizienz zu erreichen. Die Ergebnisse des Wirkungsgrads der Abgaserfassung sind in Abbildung 5.

Figure 5
Abbildung 5: CO2 -Konzentration bei Karbonator Einlass und Auslass und die entsprechende Aufnahme Effizienz (ECarb) 100-200 µm Kalkschutzgeräte mit 100 % O2. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Der Saldo der Eingänge und Ausgänge der Feststoffe erfolgte nach dem Test (Tabelle 2), und es wurde entdeckt, dass die meisten tHe Material eingeführt in die Anlage während des Experiments landete im Calcinator Zyklon. Dies war wahrscheinlich der Hauptgrund für die niedrige gemessene Capture-Effizienz während des Tests.

Bruchteil Kalkstein Karbonator Calcinator Zyklon Calcinator Zyklon Karbonator
Gesamtmasse (g) 19000 1200 2700 8700 360
> 212-212 µm 0 % 21 % 2 % 0 % 39 %
212-150 µm 18 % 39 % 73 % 5 % 42 %
150-125 µm 40 % 22 % 13 % 32 % 10 %
125-63 µm 41 % 18 % 12 % 60 % 9 %
0-63 µm 2 % 0 % 0 % 3 % 1 %

Tabelle 2: Gleichgewicht der zurückgewonnenen Material und seine Siebanalyse für 100-200 µm Kalkstein mit 100 % O2.

Abschließend möchte ich sagen, testeten wir erfolgreich die Verwendung von reinem O2 am Eintritt des den Calcinator um die Wiederverwendung der Abgas benötigt für einen standard Oxyfuel-Prozess vollständig zu eliminieren. Dies ist möglich durch den Kühlkörper in Form von zirkulierenden Wirbelschicht-Material und die kontinuierliche Kalzinierung Reaktion zur Verfügung gestellt. Allerdings war die kleine Partikelgrößenverteilung (100-200 µm) nicht vorteilhaft für den Erfassungsvorgang wegen der Sammelnetzwerk der Partikel. Es war äußerst schwierig, das Bett Inventar erforderlich, um eine höhere Effizienz der Aufnahme zu erhalten. Daher beschlossen wir, den Einsatz von größeren Partikeln in die nächste Versuchsreihe untersuchen.

Experiment 3: Rauchgas (15 % CO2) mit Kalkstein (300-400 µm) 100 % O2

Während dieses Prozesses wurde die Leistung der Bruchteil 300-400 µm getestet, um die hohe materielle Verluste aus dem Wirbelbett Calcinator wie in vorherigen Ausführungen zu verringern. Dies war voraussichtlich Beibehaltung der notwendigen Kalk/Kalkstein Inventar benötigt für seine effiziente Zirkulation und Carbon Capture zu ermöglichen. Durch Verwendung eines entsprechenden Betrages des Sorbens zirkulierenden in der Rig und ausreichend Wärme zur Verfügung gestellt durch die Verbrennung von Erdgas in reinem Sauerstoff (Freigabe 18 kW), eine stabile Erfassung Effizienz der ~ 70 % wurde erreicht, für mehr als 3 h; Dies ist ein sehr gutes Ergebnis, wenn man die relativ kurzen Karbonator Reaktor Röhre und der daraus resultierenden kurzen Kontaktzeit zwischen den sorbent und CO2. Die Konzentration von CO2 am Ausgang der Karbonator blieb unter 5 % Vol und frischen Kalkstein (in 0,5 L Chargen) wurde hinzugefügt, um den Calcinator, wenn die Konzentration von CO2 am Ausgang der Karbonator dieser Wert überschritten. Eine stabile experimentelle ausgeführt wurde mit optimierten Bedingungen erreicht.

Der Prozess begann mit dem üblichen Verfahren; also, zuerst der Reaktor bis zu 700 ° C, dann 2,9 L Kalkstein geheizt wurde war in den Calcinator hinzugefügt und aufgeheizt. Die Temperaturen und Konzentrationen in den Calcinator sind in Abbildung 6dargestellt. Beachten Sie, dass diese Schritte in Abbildung 6die Zahlen unten entsprechen. (1) der Luftstrom durch eine Strömung Mischung aus 40 % O2 und 60 % N2 ersetzt wurde und die Verbrennung von Erdgas in der Wirbelschicht wurde ins Leben gerufen (9,1 kW). Der Kalkstein in der Wirbelschicht oberhalb von 800 ° C erhitzt wurde und 3 weitere Chargen aus Kalkstein (1 L) wurden hinzugefügt, um den Calcinator. (2) während der Kalkstein in der Wirbelschicht Kalzinierung war, begann die Verbreitung von Kalk/Kalkstein fließende vorgeheizten N2 durch die Karbonator (mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s bei 650 ° C). Eine zusätzliche 0,9 L Kalkstein wurde hinzugefügt und 3) ein frischen O-2 -Zylinder mit dem Einlass der Calcinator verbunden war. (4) nach dem Wiederherstellen der Verbindung der Sauerstoff, der Verbrennung wurde wieder ins Leben gerufen, diesmal in einem O2 Eingangskonzentration von 70 % (30 % N2) und führte zu einem Verbrauch von 14 kW Erdgas eine O2 Konzentration am Austritt des erreichen ~ 5 % (in feuchtem Gas). (5) reinem O2 wurde auf den Calcinator Einlass, führte zu die Wärmeabgabe von 18 kW in den Calcinator und 6) die Kohlensäure wurde ins Leben gerufen die Karbonator durch Injektion 15 % CO2. Die Effizienz der Kohlensäure (Abbildung 7) war die höchste noch auf diese Reaktordesign (~ 70 %). 7) die Gasgeschwindigkeit fließt durch die BFB den Calcinator musste bis 0,30 m/s (erforderlich für die gewünschte Temperatur) abgesenkt werden, um die Temperatur des ca. 930 ° C erzeugt durch die Verbrennung von Erdgas in reinem O2 (unter Beibehaltung der O2 -Konzentration im Abgas auf ein industriell akzeptables Niveau unterhalb 5 % Vol).

Figure 6
Abbildung 6: Temperatur der BFB den Calcinator und die Temperatur und Zusammensetzung der an seinem Ausgang Abgas. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Temperatur in der Wirbelschicht wurde während des Tests konstant gehalten, durch Regulierung der Durchflussmenge von Erdgas und nacheinander einstellen der Durchflussmenge des O2 eine Calcinator Geschwindigkeit von ~0.30 m/s zu erreichen. Bei Dauerbetrieb, das folgende energetische Gleichgewicht wurde beobachtet: in den Calcinator wurde der Sauerstoff vorgewärmt auf nur 300 ° C aus Sicherheitsgründen; Daher bietet 0,5 kW in latente Wärme. Rund 15,5 kW erschien durch die Verbrennung von Erdgas in der Wirbelschicht, sondern nur 5,3 kW war notwendig für eine kontinuierliche Kalzinierung (wenn kein frisches Material hinzugefügt wurde), 3,6 kW decken die latente Wärme aus dem Abgas und ~ 7 kW für Heizung zirkulierenden Adsorbens und t o decken die Wärmeverluste. In der Karbonator, 3,2 kW wurde durch Vorwärmen des Gases (zu zur Verfügung gestellt350 ° C), und 5,4 kW wurde durch die Kohlensäure-Prozess veröffentlicht. Fast 5 kW erfolgte aus dem Karbonator, latente Hitze von der Abgas und 3,6 kW Bedarf durch Wärmeverluste Deckung durch die exotherme Reaktion unter Beibehaltung der Temperatur bei 650 ° c freigesetzte Wärme abgeführt werden Wenn die Kohlensäure-Prozess beginnt (und gilt), nähert sich die Temperatur in der Karbonator 700 ° C, was die erreichbare thermodynamische Gleichgewicht Konzentration des Gases Steckdose zu höheren Werten verschiebt. Diese theoretische Mindestkonzentration, temperaturabhängig Karbonator, ist neben der Konzentration gemessen während des Tests in Abbildung 7dargestellt.

Die Kohlensäure-Prozess leitete mit ~6.7 L aus Kalkstein in der Anlage vorhanden. Eine zusätzliche 0,54 L zu Beginn der Kohlensäure (13:45 in Abbildung 7) führte der Rückgang der residual CO2 Gas unter 5 % Vol, und dieses Niveau blieb während der gesamten Prüfung durch Zusätze von 0,5 L Kalkstein Chargen (wenn die Konzentration von CO2 am Ausgang des Karbonator mehr als 5 %). Die zeitlichen Abstände zwischen den Zusätzen von frischen Kalkstein zu den Calcinator waren 15, 20, 50, 45 und 50 min. Deshalb schlossen wir, dass ein stabiler Betrieb die Zugabe erfordert von frischen Sorbens entspricht 0,5 L (750 g) aus Kalkstein ca. alle 50 min, ein Make-up-Verhältnis entspricht (F0/fCO2) von 6 %, wie anderswo25 beschrieben . Das Make-up-Verhältnis in diesen Experimenten wurde vor allem durch den Kalkstein (Reaktivität Zerfall und Sammelnetzwerk) beeinflusst. Der Wert dieses Parameters wurde ausgewählt, basierend auf die CO2 -Konzentration im Karbonator Outlet, d. h.hinzufügen mehr Kalkstein wenn es eine 5 % Vol CO2erreicht.

Basierend auf der siebenden Analyse, wir feststellen, dass die ursprünglichen Kalkstein Bruch meist in den Rig-Verkehr und Partikel meist beibehalten wurde < 250 µm auf den Calcinator Zyklon übernommen wurden. Diese Partikel resultierte überwiegend aus der Bruch/Abrieb von größeren Partikeln.

Bruchteil Kalkstein in Karbonator Calcinator Zyklon Calcinator Zyklon Karbonator
Gesamtmasse (g) 14.000 1.900 4.200 2.000 120
> 355 µm 21 % 16 % 4 % 0 % 0 %
300-350 µm 43 % 45 % 38 % 1 % 1 %
250-300 µm 33 % 26 % 48 % 3 % 0 %
212-250 µm 2 % 4 % 9 % 7 % 1 %
150-212 µm 0 % 3 % 1 % 35 % 14 %
63-150 µm 0 % 5 % 0 % 41 % 46 %
0-63 µm 0 % 0 % 0 % 12 % 38 %

Tabelle 3: Mass Balance von Feststoffen und Siebanalyse der Eingänge (Kalkstein) und Ausgänge (andere) für 300-400 µm Kalkstein mit 100 % O2.

Bruchteil Kalkstein in Karbonator Calcinator Zyklon Calcinator Zyklon Karbonator Differenz (-in)
Insgesamt mol 130 31 66 32 2 0
> 355 µm 27 5 2 0 0 -20
300-350 µm 56 14 25 0 0 -17
250-300 µm 4 8 32 1 0 -2.6
212-250 µm 2 1 6 2 0 6.9
150-212 µm 0 1 1 11 0 13
63-150 µm 0 2 0 13 1 16
0-63 µm 1 0 0 4 1 4.1

Tabelle 4: Molaren Gleichgewicht Schätzung (10 % Feuchtigkeit von den rohen Kalkstein, 75 Gew.-% des Ausgangs in kalzinierte Zustand) für 300-400 µm Kalkstein mit 100 % O2.

Figure 7
Abbildung 7: CO2 -Konzentration bei den Karbonator Einlass und Auslass und die entsprechenden capture Effizienz (ECarb) für 300-400 µm Kalkstein mit 100 % O2.  Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Der Betrieb von den Calcinator mit einer Bucht des 100 % Vol Sauerstoff ist erreichbar, basierend auf der Nutzung der endothermen Natur der Kalzinierung Reaktion, sowie die Tatsache, die die Feststoffe zwischen den beiden Reaktoren bei unterschiedlichen Temperaturen zu zirkulieren. Diese Betriebsart zielt darauf ab, die CaL-Prozess wirtschaftlich aussichtsreiche durch Reduktion von Kapital und Betriebskosten. Als das Recycling des Rauchabzugs Gas (vor allem CO2, Wasserdampf und nicht umgesetztes O2) verringert oder sogar beseitigt, die Wärme verbraucht, um diesen Strom zu heizen ist geringer. Daher wird weniger Sauerstoff benötigt und eine kleinere ASU erforderlich wären. Wie der Gasstrom in dieser Konfiguration niedriger wäre, würde der Calcinator kleiner für die gleichen Fluidisierung Geschwindigkeit sein.

Eine Standardmethodik wurde entwickelt, um den sicheren Betrieb der hohe Sauerstoff-Konzentration in den Calcinator. Die Ergebnisse zeigten einen Capture-Wirkungsgrad von bis zu 70 % in einigen der durchgeführten Experimente. Außerdem wurden verschiedene Partikelgrößenverteilungen in dieser Reaktor-Konfiguration (Karbonator als ein CFB; Calcinator als eine BFB) verwendet. Die Verteilungen wurden: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. Für die kleinsten Verteilung (100-200 µm) Allerdings gab es Sammelnetzwerk Probleme und der Großteil der Bett-Inventar fand sich in den Calcinator Zyklon Fang-Topf. Die besten Ergebnisse wurden mit der größten Korngrößenverteilung (300-400 µm): ein E-Carb ~ 70 % wurde beibehalten, während das Experiment mit einem Make-up-Verhältnis von etwa 6 %.

Dieses Protokoll wurde verbessert durch die Minimierung der elektrischen Heizung an die Gas- und Calcinator zur Verfügung gestellt, wenn das Erdgas wird verbrannt, um die Rohre vor elektrischen Entladungen verursacht durch die Heizelemente zu schützen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der O2 Konzentration schneller als in erzielt werden kann erste experimentelle Kampagnen von 20 % Vol, 60 % Vol und 100 % Vol. Es ist wichtig hervorzuheben, dass die wichtigsten Schritte in diesem Prozess der Beginn der Verbrennung sind und die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration, die erhöhten Temperaturen, die verursachen können die Erdgas-Quelle erlischt fällt die Temperatur höher als 980 ° C. Außerdem geht die materielle Zusammensetzung kann die Temperatur des Reaktors und des Verbrennungsprozesses zu stoppen, und daher sollte es in kleinen Mengen hinzugefügt werden.

Mit dieser Methodik auf diese experimentelle Anlage, ist es möglich, neue synthetische Materialien, sowie zu testen wie Materialien über doping, thermische Vorbehandlung, chemische Vorbehandlung, etc.26 dieses Protokoll verbessert ermöglicht diese neue Sorbentien unter realistischen Bedingungen bietet eine Standardmethodik Sorbens Vergleich getestet werden. Allerdings gibt es einige Herausforderungen bei der Anwendung dieses Konzepts auf größeren Maßstab, wie z. B. die Nutzung von Kohle in den Calcinator unter diesen Betriebsbedingungen. Die Verwendung von festen Brennstoffen würde die Schwierigkeit im Calcinator Betrieb aufgrund der hohen Temperaturen erhöhen die Asche Agglomeration und schließlich defluidizing Phänomene27führen kann. Dies muss weiter zu studieren, um die Machbarkeit dieses Protokolls zu bestimmen; jedoch wurde das Konzept im Pilot-Maßstab in diesem Werk mit Erdgas bewährt.

Eine weitere Einschränkung, die aus dieser Studie ist die Dauer der Tests mit einer Steady-State Betriebszeit pro Test ~ 3 h; Dies ist aufgrund der Aufheizvorgang des Werks, das ein langsamer Prozess ist. Die durchschnittliche Anzahl der Kohlensäure/Kalzinierung Zyklen erfahrenen eines Teilchens, wenn zwischen den Reaktoren im Umlauf ist nicht bekannt. Es ist möglich, dass die hohe Sauerstoffkonzentration verursacht mehr Sintern in den Kalkstein-Partikeln negativ ausgewirkt. Weiterer Untersuchungen dieser Herausforderungen würde helfen, um die Eignung des Protokolls als Roman und machbar Betriebsart für CaL Pflanzen auf eine höhere Ebene zu bewerten.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Forschung führt zu diesen Ergebnissen wird finanziell von der Europäischen Gemeinschaft Forschungsfonds für Kohle und Stahl (RFCS) unter Vereinbarung n ° RFCR-CT-2014-00007 gewähren. Diese Arbeit wurde von der UK Carbon Capture and Storage Research Centre (UKCCSRC) im Rahmen des Call 2 Projekte finanziert. UKCCSRC wird unterstützt von der Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) als Bestandteil des Research Council UK Energieprogramm, mit zusätzlichen Mitteln aus der Fachbereich Wirtschaft, Energie- und industriepolitische Strategie (BEIS - ehemals DECC). Die Autoren möchten auch Herr Martin Roskilly für seine enorme Hilfe im Laufe dieser Arbeit danken.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Longcal limestone Loncliffe Longcal SP52 n/a
Mechanical Shaker SWECO LS24S544+C Mechanical siever to separate particles
Oxygen BOC n/a BOC cylinders
Nitrogen BOC n/a BOC tank
Carbon dioxide BOC n/a BOC tank
Natural gas n/a n/a Taken from the line

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References

  1. Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
  2. Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
  3. Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
  21. 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).
  22. ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , ASTM International. West Conshohocken, PA. C25-C11 (2011).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
  27. Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).

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Umweltwissenschaften Ausgabe 128 Calcium looping Pilotanlage Experimente CO2 -Abscheidung operative Verfahren Autogen Kalzinieren Capture-Effizienz.
Betrieb einer 25 KW<sub>th</sub> Calcium Looping Pilot-Anlage mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Calcinator
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Erans, M., Jeremias, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Operation of a 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant with High Oxygen Concentrations in the Calciner. J. Vis. Exp. (128), e56112, doi:10.3791/56112 (2017).

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