Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Drift af en 25 KWth Calcium Looping Pilot-anlæg med høj ilt koncentrationer i Calciner

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

Summary

Denne manuskriptet beskrives en procedure til opererer en calcium looping pilot-anlæg til efterbrænding kulstofopsamling med høj ilt koncentrationer i calciner for at reducere eller eliminere flue gas genanvende.

Abstract

Calcium looping (CaL) er en efterbrænding CO2 capture-teknologi, der er egnet til eftermontering eksisterende kraftværker. CaL processen bruger kalksten som en billig og let tilgængelig CO2 sorptionsmiddel. Mens teknologien er blevet meget studeret, er der et par valgmuligheder, der kunne anvendes til at gøre det mere økonomisk levedygtige. En af disse er at øge koncentrationen af ilt i calciner at reducere eller fjerne mængden af genvundet gas (CO2, H2O og urenheder); Derfor faldende eller fjerne energi nødvendigt at varme genvundet gasstrømmen. Desuden er der en deraf følgende stigning i energi-input på grund af ændringen i forbrænding intensitet; denne energi bruges til at aktivere endoterm kalcinering reaktion at forekomme i fravær af genanvendt røggasser. Dette paper præsenterer drift og de første resultater af en CaL pilotanlæg med 100% ilt forbrænding af naturgas i calciner. Gassen kommer ind i carbonator var en simuleret røggas fra et kulfyret kraftværk eller cementindustrien. Flere kalksten partikel størrelse distributioner er også testet for at yderligere udforske virkningen af denne parameter på de samlede resultater af denne driftstilstand. Konfiguration af reaktoren system, de operationelle procedurer, og resultaterne er beskrevet i detaljer i dette papir. Reaktoren viste god hydrodynamiske stabilitet og stabil CO2 -opsamling med capture virkningsgrader på op til 70% med en gasblandingen simulerer røggassen fra et kulfyret kraftværk.

Introduction

CO2 -emissioner og den deraf følgende globale opvarmning er kritiske miljøspørgsmål, der har tiltrukket sig en stor mængde forskning i de seneste år. CO2-opsamling og -lagring (CCS) har været anerkendt som en potentiel teknologi for at reducere CO2 -emissioner til atmosfæren1,2. Den mest udfordrende del af CCS-kæden er erobringen af CO2, som også er den mest kostbare fase3. Følgelig har der været fokus på at udvikle nye teknologier til CO2 -opsamling fra kraftværker og andre industrielle anlæg.

CaL som en efterbrænding CO2 -opsamling teknologi, blev først foreslået af Shimizu et al. 4 CO2 er fanget af en CaO-baserede sorptionsmiddel på 600-700 ° C i en reaktor kaldes en carbonator, og udgivet af efterfølgende kalcinering på 850-950 ° C (i en calciner) Ifølge Eq. (1), til at producere en høj renhed CO2 stream egnet til forvaring5,6. CaL cyklus udnytter fluidiserede senge, som repræsenterer en optimal konfiguration for denne proces, da de giver mulighed for store mængder af faste stoffer til at blive rundsendt let fra en reaktor til de andre4,5,6 , 7 , 8.

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

Dette begreb er blevet påvist i pilotstørrelse af forskellige grupper og med forskellige konfigurationer og skalaer, såsom 0.2 MWth piloten i Stuttgart, 1 MWth piloten i Darmstadt, de 1,7 MWth pilot i La Pereda og den 1.9 MWth enhed i Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Selvom denne proces har bevist, er der stadig muligheder for at øge dens termisk effektivitet, som ved at ændre standard driftsbetingelser og ændringer i design af reaktoren konfiguration.

Brugen af varmerør mellem forbrændingskammer og calciner er blevet undersøgt i stedet for oxy-forbrænder brændstof i calciner. Resultaterne for CO2 -opsamling resultater er sammenlignelige med dem af en konventionel CaL pilot-anlæg, men denne proces har højere plante effektivitet og lavere CO2 undgåelse koster17. Martínez et al. 18 undersøgt varme integration muligheder for at forvarme solid materialet ind i calciner og reducere varmen i calciner. Resultaterne viste 9% reduktion i kulforbrug sammenlignet med de standard-sagen. Andre undersøgte mulighederne for varme integration har også overvejet interne og eksterne integration muligheder19.

En af de største problemer i CaL cyklussen fra et økonomisk synspunkt er at levere den energi, der i calciner med brændstof forbrænding20. Øge koncentrationen af ilt i den calciner inlet er foreslået for at reducere eller endog undgå brug af CO2 genanvende til calciner. Dette alternativ reducerer kapitalomkostninger (reduceret størrelse af calciner og luft adskillelse enheder (ASU)), der kan forbedre konkurrenceevnen i denne proces. Den drastiske ændring i forbraendingsbetingelser kan nås ved at udnytte endoterm kalcinering reaktion og den store CaO/CaCO3 flow cirkulerende fra carbonator opererer ved lavere temperaturer (hverken fordel er tilgængelig med den oxy-forbrænding teknologi).

Dette arbejde sigter mod at udvikle en standardprocedure for at køre en CaL pilotanlæg med en cirkulerende fluidiserede seng (CFB) carbonator og en boblende fluidiserede seng (BFB) calciner med 100% O2 koncentrationen i den calciner inlet. Flere eksperimentelle kampagner har kørt under idrifttagning af pilotanlægget at sikre velfungerende som oxygen koncentrationen øges. Også, tre kalksten partikel størrelse distributioner (100-200 µm; 200-300 µm, 300-400 µm) blev undersøgt for at undersøge hvordan denne parameter påvirker elutriation af partikler og fange effektivitet i denne driftstilstand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. materiale forberedelse

  1. si kalksten (~ 50 kg råvare) til den ønskede partikelstørrelsesfordeling (300-400 µm eller en anden distribution afhængigt af eksperimentet) med et rysteapparat. Sætte den sigtede materiale i Potter ved siden af calciner til fodring under test
  2. Forberede materiale i partier skal føres ind i reaktoren. Partier er generelt 0,5 L eller 1 L (1 L af kalksten er ca 1,5 kg), men dette kan variere afhængigt af driftsparametre.

2. Opstart Procedure

forsigtighed: ekstremt høje temperaturer er opnået her. Egnet PPE som handsker, briller, laboratorium frakke og sikkerhed sko er påkrævet.

  1. Opvarmning af reaktorerne
    1. Start lavt flow af N 2 i carbonator (60 L/min) og calciner (20 L/min.) og loop-sæler (10 L/min) i Flowmetre.
    2. Slår carbonator transformers manuelt. Indstil temperaturen af alle elektriske preheaters af carbonator på 600 ° C.
    3. Begynde at erhverve data (for gas temperaturer og tryk, brug knappen optagelse i softwaren). Dataene omfatter temperaturer, pres og gas sammensætning af begge reaktorer. I figur 1 og figur 2, screenshots af dataoptegningssystem vises.
    4. Tur på calciner gas preheaters. Tænd varmeren rundt calciner til 600 ° C målt inde BFB via et termoelement.
      NOTE: Data såsom temperatur, tryk og gas sammensætning er allerede overtagne, som anført i trin 2.1.3.
    5. Sætte 3 L af den sigtede kalksten i BFB i calciner. Først åbne den øverste ventil, indføre materiale i ned-rør og lukke den øverste ventil, så Åbn bunden ventilen, så materialet flyder ind i reaktoren.
    6. Varme materiale i BFB til over 650 ° C (ved den elektriske varmer omkring calciner).
      Bemærk: Dette normalt tager ~ 1 h, under denne gang check dataopsamling og pres i de fluidiserede senge.

Figure 1
figur 1: Screenshot af temperatur og tryk datafangst for begge reaktorer. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
figur 2: Screenshot af temperatur datafangst til forvarmning system. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
figur 3: skematisk af 25 kW th CaL (CFB carbonator og BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: lavere loop-segl; 4: øverste loop-segl; 5: carbonator cyklon; 6: calciner cyklonen. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. starte forbrændingen i calciner
    1. øge koncentrationen af ilt i calciner fra 0 til 40% vol, og sørg for, at koncentrationen er stabil før du starter forbrændingen.
    2. Starter den støkiometriske flow af naturgas manuelt ved hjælp af en rotameter, og sørg for, at forbrænding er stabil.
      Bemærk: Den naturlige gasflow bør forhøjes omhyggeligt. Kontrollere, at dataene viser et passende niveau af forbrænding reaktion.
    3. Øge koncentrationen af ilt i calciner i 20% vol intervaller ved at justere naturgas flow rotameter for at sikre støkiometrisk forbrænding.
      Bemærk: Denne proces bør udføres med ekstrem omhu. Opstår mistanke om, at forbrænding ikke sker som forventet fra de foreløbige beregninger derefter stoppe strømmen af naturgas og skifte ilt flow til kvælstof for sikker drift. Identificere kilden til denne uoverensstemmelse. Den samlede varighed af denne proces er omkring 1 h.
    4. Opnår 100% oxygen koncentrationen naturgas forbrænding.
      Bemærk: Temperatur og gas sammensætningsdata bør nøje følges overalt i alle test, men især når forbrændingen finder sted i 100% ilt.
    5. Tilføj kalksten i 0,5 L ad gangen indtil der er 7 L i den fluidiserede seng. Calcine alt materiale i den fluidiserede seng i calciner (den anslåede kalcinering temperatur er 800-850 ° C for partiet findes i calciner og calciner temperatur til de følgende partier).
    6. Øge strømmen af N 2 i carbonator at starte cirkulation. Kontrollere havnens omsætning Se regelmæssigt for at sikre korrekt omsætning.
    7. Calcine alle tilgængelige kalksten cirkulerer i riggen før du starter CO 2-opsamling.

3. Stabil drift

  1. manuelt skifte karbonatisering gas fra N 2 til 15% vol CO 2 ved hjælp af rotameter, som giver mulighed for brændt kalksten at begynde at indfange CO 2.
  2. Justere strømme i calciner manuelt ved hjælp af Flowmetre for at opnå en stabil 930-950 ° C temperatur i calciner ved at regulere strømmen af naturgas (NG) og ilt (inden for det optimale fluidisering regime). O 2 flow er normalt 100% med nok bed materiale, men det er justeret gennem hele eksperimentet.
  3. Når materialet begynder at falde i aktivitet (over 5% CO 2 koncentration ved udgangen af carbonator, som er erhvervet løbende af softwaren, som beskrevet i trin 2.1.3), tilføje flere kalksten.

4. Shut-down Procedure

  1. manuelt slukke for naturgas strømmen ved hjælp af rotameter og mindske ilt flow og skifte gasserne i begge reaktorer til N 2. Slukke alle vandvarmere (calciner og carbonator).
  2. Tillader temperaturen i opgørelsen af riggen at falde (normalt natten over), og Tom reaktorerne, når de har stuetemperatur.
  3. Vejer de udpakkede legemer og udføre en standard si analyse. Karakterisere materialet: porosimetry, sammensætning (X-ray fluorescens massespektrometri, XRF) 21 , 22 og mikroskopiske struktur (scanning elektronmikroskopi, SEM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den eksperimentelle set-up er vist i figur 3. Anlægget består af to sammenkoblede fluidiserede-senge. Nemlig, at carbonator er en CFB med 4,3 m højde og 0,1 m indre diameter (ID); mens calciner er en BFB med 1,2 m højde og 0.165 m ID. Solid transport fra én reaktor til den anden er kontrolleret af to loop-sæler fluidiserede med kvælstof. Begge reaktorer er fodret med en blanding af gas gennem en forvarmning linje, og begge er elektrisk opvarmede; Desuden, at calciner er blevet fodret med naturgas for at producere ved forbrænding varme behov for den endoterm kalcinering og varme den cirkulerende sorptionsmiddel. Carbonator forhandler plade har 8 dyser, hver af dem med tyve 2 mm huller, mens calciner har 20 dyser med seks 1 mm huller hver.

Resultater fra tre forskellige eksperimenter der diskuteres i dette afsnit. Disse tests giver en oversigt med hensyn til kører pilotanlægget fra luften (~ 20% vol O2) til 100% vol O2 ved calciner indgang. Dette arbejde udforsker også resultaterne af ved hjælp af forskellige partikel størrelse distributioner i denne operationelle tilstand for at se hvis denne parameter har indflydelse på systemets generelle ydeevne. Kalksten anvendes i denne undersøgelse har et minimumsindhold af 98.25% CaCO3.

Eksperiment 1: Røggassen (15% vol CO2) med kalksten (200-300 µm) 30% vol O2

Denne første test med kalksten brøkdel 200-300 µm blev udført for at teste riggen med kalksten cirkulerer mellem de to reaktorer inden for rig som udgangspunkt for optimering af ydeevnen. Under denne test, en fange effektivitet på 45% blev opnået (figur 4). Denne opsamling effektivitet, Ecarb, blev beregnet ved hjælp af følgende formel23: hvor FCO2 er den molære strømningshastighed af CO2 ind i carbonator og Fcarb er den molære strømningshastigheden af CO2 forlader den Carbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
Figur 4: koncentrationen af CO2 på carbonator fjorden og outlet og fange effektivitet (Ecarb) til 200-300 µm kalksten med 30% O2. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Ringere capture effektivitet under denne eksperimentelle run var forårsaget primært af utilstrækkelig levering af varme til calcine alle kalksten bosat i BFB. Dette forårsagede et fald af CaO/CaCO3 forholdet i carbonator foder. En anden sandsynlig årsag var deaktivering og fremførsel af kalk partikler fra calciner, som reduceret det samlede bed lager og mængden af sorptionsmiddel øjeblikket i systemet. Efter forsøget, en materialebalance i lageret af reaktoren blev udført (tabel 1). Et skift i retning af mindre fraktioner kan overholdes på grund af nedslidning af materialet i begge fluidiserede senge.

Brøk Kalksten i Calciner + Carbonator Cyklonen Calciner Cyklonen Carbonator
Samlede masse (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%

Tabel 1: Vægt balancen af materielle input og output for 200-300 µm kalksten med 30% O2.

Eksperiment 2: Røggassen (15% CO2) med kalksten (100-200 µm) 100% O2

I denne test var hovedformålet at udnytte mindre kalksten partikler for at undersøge deres mulige gavnlige effekt på systemets ydeevne. Det sekundære mål var at give mere varme til kalcinering proces i BFB calciner ved forbrænder naturgas i stærkt koncentreret ilt, ideelt set op til 100% på fjorden.

I dette eksperiment testede vi muligheden af at bruge ren O2 ved indgang af calciner, som giver mulighed for helt at eliminere genbrug af off-gas nødvendig for et standard oxy-fuel proces. Dette er gjort muligt af varmeforbruget i form af en cirkulerende fluidiserede bed materiale og kontinuerlig kalcinering reaktion.

Brugen af mindre partikler har ikke en gavnlig effekt på karbonering processen, sandsynligvis på grund af den højere kontaktområde mellem partikler og gas. Der er imidlertid nogle kontroverser i denne sag som mindre partikler har vist nedsat reaktivitet på grund af højere indhold af urenheder24. Næsten alle tilføjede kalksten, der var < 150 µm var meget hurtigt elutriated fra calciner til den downstream cyklon. Det var derfor meget vanskeligt at opretholde den nødvendige opgørelse af kalk i riggen nødvendig for at opnå højere capture effektivitet. Resultaterne af capture effektivitet er i figur 5.

Figure 5
Figur 5: CO2 koncentration i carbonator fjorden og outlet og den tilsvarende capture effektivitet (Ecarb) for 100-200 µm kalksten med 100% O2. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Balance mellem input og output af faste stoffer blev udført efter test (tabel 2), og det blev opdaget at de fleste af than materiale tilføres riggen under eksperimentet endte i calciner cyklon. Det var sandsynligvis den vigtigste årsag til lav målte capture effektivitet under denne test.

Brøk Kalksten Carbonator Calciner Cyklonen calciner Cyklonen carbonator
Samlede masse (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%

Tabel 2: Balance af genvundet materiale og dets si analyse for 100-200 µm kalksten med 100% O2.

Afslutningsvis vil jeg sige, testet vi med succes brugen af ren O2 ved indgang af calciner for at helt for at fjerne genbrug til off-gas nødvendig for et standard oxy-fuel proces. Dette er muligt på grund af varmen vasken leveres i form af cirkulerende fluidiserede bed materiale og kontinuerlig kalcinering reaktion. Den lille partikelstørrelsesfordeling (100-200 µm) var dog ikke gavnligt for capture-processen på grund af elutriation af partiklerne. Det var yderst vanskeligt at opretholde bed lageret nødvendig for at opnå en højere capture effektivitet. Derfor besluttede vi at undersøge brugen af større partikler i den næste eksperimentelle kampagne.

Eksperiment 3: Røggassen (15% CO2) med kalksten (300-400 µm) 100% O2

Under denne retssag, blev udførelsen af brøkdel 300-400 µm testet for at reducere de høje materielle tab fra den fluidiserede seng af calciner som set i tidligere kørsler. Dette forventes at aktiverer fastholdelse af det nødvendige kalk/kalksten lager behov for erobringen af effektiv omsætning og carbon. Anvendelse af et passende beløb af sorptionsmiddel cirkulerende i rig og tilstrækkelig varme fra forbrændingen af naturgas i ren ilt (frigive 18 kW), en stabil capture effektivitet af ~ 70% blev opnået for mere end 3 h; Dette er et meget godt resultat, når man overvejer forholdsvis korte carbonator reaktor tube og den deraf følgende korte kontakttid mellem den sorptionsmiddel og CO2. Koncentrationen af CO2 ved udgangen af carbonator blev opretholdt under 5% vol., og frisk kalksten (i 0,5 L partier) blev føjet til calciner, når koncentrationen af CO2 ved udgangen af carbonator overskredet denne værdi. En stabil forsøg køre blev opnået med optimeret betingelser.

Processen startede med den standard procedure; dvs., første reaktoren var opvarmet op til 700 ° C, så 2,9 L af kalksten blev tilføjet i calciner og varmes op. Temperaturer og koncentrationerne i calciner er vist i figur 6. Bemærk at tallene nedenfor svarer til trin i figur 6. 1) luftstrømmen blev erstattet af et flow blanding af 40% O2 og 60% N2 og forbrænding af naturgas i den fluidiserede seng blev indledt (9.1 kW). Kalksten i den fluidiserede seng blev opvarmet til over 800 ° C og 3 flere partier af kalksten (1 L) blev føjet til calciner. 2) mens kalksten calcining i den fluidiserede bed, blev omsætning af kalk/kalksten startet af strømmende forvarmet N2 gennem carbonator (med en hastighed på 2,5 m/s ved 650 ° C). En yderligere 0,9 L kalksten blev tilføjet og 3) en frisk O2 cylinder var tilsluttet indløb af calciner. 4) efter gentilslutning ilt, forbrænding blev indledt igen, denne gang i inlet O2 koncentrationer på 70% (og 30% N2), hvilket førte til et forbrug af 14 kW af naturgas til at nå en O2 koncentration ved afgangen fra ~ 5% (i våd gas). 5) ren O2 blev indført ved calciner indgang, som førte til varmeudledning 18 kW ind i calciner og 6) karbonering blev indledt i at carbonator indsprøjte 15% af CO2. Effektiviteten af kulsyre (figur 7) var det højeste endnu på dette reaktor-design (~ 70%). 7) Gashastigheden strømmer gennem BFB af calciner skulle sænkes til 0,30 m/s (kræves af den ønskede temperatur) til at holde temperaturen af omkring 930 ° C genereret af forbrænding af naturgas i ren O2 (samtidig opretholde O2 koncentrationen i off-gas til et industrielt acceptabelt niveau under 5% vol.).

Figure 6
Figur 6: temperatur BFB af calciner og temperatur og sammensætning af off-gas på sin exit. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Temperaturen i den fluidiserede seng blev fastholdt konstant under prøven ved at regulere flowet af naturgas og fortløbende tilpasning strømningshastigheden af O2 at opnå en calciner hastighed på ~0.30 m/s. Under konstant drift, den følgende energiske balance blev observeret: i calciner, ilt var forvarmes kun 300 ° c af sikkerhedsmæssige grunde; Derfor giver 0,5 kW i latente varme. Omkring 15,5 kW blev udgivet af forbrænding af naturgas i den fluidiserede bed, men kun 5,3 kW var behov for en kontinuerlig kalcinering (da ingen frisk materiale blev tilføjet), 3,6 kW til at dække den latente varme fra gas og ~ 7 kW til opvarmning af den cirkulerende adsorbent og t o dække varmetab. I carbonator, 3,2 kW blev leveret af forvarmning gas (til350 ° C), og 5,4 kW blev udgivet af karbonering processen. Næsten 5 kW blev foretaget af carbonator som latente varme af de off-gas og 3,6 kW skulle spredes af varmetab til at dække den varme, der frigives ved varmeudviklende samtidig opretholde temperatur på 650 ° C. Når karbonering processen starter (og er effektivt), nærmer temperaturen i carbonator 700 ° C, der skifter den opnåelige termodynamiske ligevægtskoncentrationen af outlet gas til højere værdier. Denne teoretiske minimum koncentration, afhængig af carbonator temperatur, er afbildet sammen med koncentration måles under testen i figur 7.

Karbonering processen blev indledt med ~6.7 L af kalksten i riggen. En yderligere 0,54 L i begyndelsen af kulsyre (13:45 i figur 7) resulteret i et fald af resterende CO2 i gas under 5% vol., og denne plan blev fastholdt under hele prøven af tilføjelser af 0,5 L kalksten partier (når den koncentrationen af CO2 ved afgangen fra carbonator oversteg 5%). Tidsintervallerne mellem tilføjelser af frisk kalksten til calciner var 15, 20, 50, 45-50 min. Vi konkluderede derfor, at en stabil drift kræver tilsætning af friske sorptionsmiddel svarende til 0,5 L (750 g) af kalksten ca hver 50 min., hvilket svarer til en make-up forholdet (F0fCO2) på 6%, som beskrevet andetsteds25 . Make-up forholdet i disse eksperimenter var primært påvirket af kalksten (reaktivitet forfald og elutriation). Værdien af denne parameter blev valgt baseret på CO2 -koncentration ved carbonator munding, dvs, tilføje flere kalksten da det nåede en 5% vol CO2.

Baseret på den sieving analyse, vi konkludere, at den oprindelige kalksten fraktion blev bevaret for det meste i riggen cirkulation, mens partikler for det meste < 250 µm blev fremført med cyklonen, calciner. Disse partikler skyldtes overvejende brud/nedslidning af større partikler.

Brøk Kalksten i Carbonator Calciner Cyklonen calciner Cyklonen Carbonator
Samlede masse (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%

Tabel 3: Masse saldo i tørstof og sigten analyse af input (kalksten) og output (andre) til 300-400 µm kalksten med 100% O2.

Brøk Kalksten i Carbonator Calciner Cyklonen calciner Cyklonen Carbonator Forskel (ud-i)
Samlede 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

Tabel 4: Molær balance skøn (10% fugtighed af rå kalksten, 75% wt af output i brændt tilstand) til 300-400 µm kalksten med 100% O2.

Figure 7
Figur 7: CO2 koncentration i carbonator fjorden og outlet og den tilsvarende fange effektivitet (Ecarb) til 300-400 µm kalksten med 100% O2.  Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Drift af calciner med et indløb af 100% vol ilt er opnåelige, baseret på at udnytte det endoterm ved kalcinering reaktion, samt det faktum, at legemer cirkulere mellem de to reaktorer ved forskellige temperaturer. Denne driftstilstand sigter mod at gøre CaL processen mere økonomisk lovende ved at reducere kapital- og driftsomkostninger. Som genbrug af røggas gas (hovedsagelig CO2, vanddamp og ureageret O2) er reduceret eller helt fjernes, den varme, der forbruges for at forvarme denne strøm er lavere. Derfor, mindre ilt er nødvendig og vil være nødvendigt med en mindre ASU. Som gasstrømmen ville være lavere i denne konfiguration, ville størrelsen af calciner være mindre for den samme fluidisering hastighed.

En standardmetode blev udviklet for at sikre sikker drift af høj til iltkoncentrationen i calciner. Resultaterne viste en fange effektivitet på op til 70% i nogle af de udførte eksperimenter. Også blev forskellige partikel størrelse distributioner brugt i denne reaktor konfiguration (carbonator som en CFB; calciner som en BFB). Distributioner var: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. I den mindste distribution (100-200 µm), men var elutriation problemer og størstedelen af bed lageret blev fundet i den calciner cyklon fangst-pot. De bedste resultater blev opnået med den største partikelstørrelsesfordeling (300-400 µm): en Ecarb ~ 70% blev opretholdt i hele eksperimentet med en make-up ratio på omkring 6%.

Denne protokol blev forbedret ved at minimere den elektriske varme, gas-og calciner, når naturgassen er ved at blive forbrændt, for at beskytte rørene fra elektriske udladninger forårsaget af varmeelementer. Også, det er blevet bemærket, at O2 koncentration stigning kan opnås hurtigere end i indledende eksperimentelle kampagner, fra 20% vol 60% vol. og 100% vol. Det er vigtigt at understrege, at de mest kritiske trin i denne proces er starten af forbrænding og forøgelse af koncentrationen af ilt, hvilket kan medføre øgede temperaturer der vil slå naturgas kilde hvis temperaturen går højere end 980 ° C. Også, de materielle make-up er en bekymring, som det kan sænke temperaturen i reaktoren og stoppe forbrændingsprocessen, og derfor, det bør tilføjes i små partier.

Med denne metode anvendes til denne eksperimentelle rig, er det muligt at teste nye syntetiske materialer, såvel som materialer forbedret via doping, termisk forbehandling, kemisk forbehandling, etc.26 denne protokol giver mulighed for disse nye sorbents skal afprøves under realistiske forhold giver en standardmetode for sorptionsmiddel sammenligning. Men der er nogle udfordringer ved anvendelsen af dette begreb på en større skala, såsom brugen af kul i calciner under disse driftsbetingelser. Brugen af fast brændsel ville øge vanskeligheder i calciner operation på grund af de høje temperaturer, hvilket kan føre til aske byområdet og til sidst defluidizing fænomener27. Dette behov for yderligere undersøgelse for at afgøre, om denne protokol; konceptet var dog lykkedes på pilot-skala i dette arbejde ved hjælp af naturgas.

En anden begrænsning som følge af denne undersøgelse er varigheden af tests, med ~ 3 h af steady state drift pr. test; Dette skyldes den varme proces af anlægget, som er en langsom proces. Det gennemsnitlige antal af kulsyre/kalcinering cyklusser opleves af en partikel, når cirkulerer mellem reaktorer er ikke kendt. Det er muligt, at høj iltkoncentrationen havde en negativ virkning forårsager flere sintring i kalksten partikler. Yderligere undersøgelser af disse udfordringer ville bidrage til at vurdere egnetheden af protokollen som en roman og gennemførlige driftstilstanden for CaL planter på en større skala.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forskning fører til disse resultater har modtaget støtte fra Det Europæiske Fællesskab forskningsfonden for kul og stål (RFC'ER) under tildele aftale n ° RFCR-CT-2014-00007. Dette arbejde blev finansieret af britiske Carbon Capture and Storage Research Centre (UKCCSRC) som en del af Ring 2 projekter. UKCCSRC understøttes af Engineering and Physical Sciences Research Rådet (EPSRC) som en del af det Forskningsråd UK energiprogram, med yderligere støtte fra Institut for økonomi, energi og industrielle strategi (BEIS - tidligere DECC). Forfatterne vil gerne takke Mr. Martin Roskilly for hans enorme hjælp i løbet af dette arbejde.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Miljøvidenskab spørgsmålet 128 Calcium looping pilotanlæg eksperimenter CO2 -opsamling operative procedure oxy-fuel kalcinering fange effektivitet.
Drift af en 25 KW<sub>th</sub> Calcium Looping Pilot-anlæg med høj ilt koncentrationer i Calciner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Erans, M., Jeremias, M., Manovic,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter