Login processing...

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

Environment

Drift av en 25 KWth kalcium Looping Pilot-växt med höga syrehalter i Calciner

doi: 10.3791/56112 Published: October 25, 2017

Summary

Detta manuskript beskriver förfarandet för att driva en kalcium looping pilot-anläggning för post-Combustion avskiljning med höga syrehalter i calciner för att minska eller eliminera flue gas återvinningen.

Abstract

Kalcium looping (CaL) är en post-Combustion CO2 capture teknik som är lämplig för eftermontering av befintliga kraftverk. CaL processen använder kalksten som en billig och lättillgänglig CO2 sorbent. Medan tekniken har studerats allmänt, finns det några tillgängliga alternativ som skulle kunna tillämpas för att göra det mer ekonomiskt lönsamt. En av dessa är att öka syrekoncentrationen av i calciner att minska eller eliminera mängden återvunnet gas (CO2, H2O och orenheter); Därför minskar eller tar bort energin som är nödvändig att värma återvunnet gasströmmen. Dessutom finns det en resulterande ökning energi indata på grund av förändringen i förbränning intensiteten; denna energi används för att möjliggöra endoterma kalcinering reaktion uppstå i avsaknad av återvunnet rökgaser. Detta dokument presenterar drift och första resultaten av en CaL pilotanläggning med 100% syrgas förbränning av naturgas i calciner. Gasen kommer in kolsyremaskinen var en simulerad rökgaserna från en koleldade kraftverk eller cementindustrin. Flera kalksten partikel storlek distributioner är också testade för att ytterligare utforska effekterna av parametern på det totala resultatet av detta driftsätt. Konfigurationen av reaktorn systemet, de operativa förfarandena och resultaten beskrivs i detalj i detta dokument. Reaktorn visade bra hydrodynamisk stabilitet och stabil CO2 capture, med capture effektivitetsvinsterna av upp till 70% med en gasblandning som simulerar rökgaserna på en koleldade kraftverk.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

CO2 -utsläpp och den resulterande globala uppvärmningen är kritiska miljöfrågor som har lockat en stor mängd forskning under de senaste åren. Avskiljning och lagring (CCS) har erkänts som en potentiell teknik för att minska CO2 -utsläpp till atmosfären1,2. Den mest utmanande delen av CCS-kedjan är tillfångatagandet av CO2, vilket också är den mest kostsamma etapp3. Följaktligen har det varit ett fokus på att utveckla ny teknik för CO2 fånga från kraftverk och andra industriella anläggningar.

CaL som en post-Combustion CO2 capture teknik, föreslogs först av Shimizu o.a. 4 CO2 fångas av en CaO-baserade sorbent på 600-700 ° C i en reaktor kallas en kolsyremaskin, och släpptes av efterföljande kalcinering vid 850-950 ° C (i en calciner) enligt ekv (1), att producera en hög renhet CO2 ström lämplig för kvarstad5,6. CaL cykeln utnyttjar fluidiserad sängar, som representerar en optimal konfiguration för denna process, eftersom de möjliggör stora mängder fasta ämnen att spridas enkelt från en reaktor till övriga4,5,6 , 7 , 8.

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

Detta koncept har visats i pilotskala av olika grupper och med olika konfigurationer och skalor, som 0,2 MWth pilot i Stuttgart, 1 MWth piloten i Darmstadt, 1,7 MWth piloten i La Pereda och 1,9 MWth enheten i Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Även om denna process har bevisats, finns det fortfarande möjligheter för att öka dess termiska effektivitet, såsom genom att ändra den vanliga driftsförhållanden och ändringar i utformningen av reaktorn konfigurationen.

Användning av värme rör mellan förbrännare och calciner har studerats i stället för oxy-combusting bränsle i calciner. Resultaten för CO2 fånga prestanda är jämförbara med en konventionell CaL pilot-växt, men denna process har högre växt effektivitet och lägre CO2 undvikande kostar17. Martínez m.fl. 18 undersökt de värme integrationsmöjligheter för att förvärma den fast material in calciner och minska värmen behövs i calciner. Resultaten visade 9% minskning kolförbrukningen jämfört med standard fallet. Andra studerade möjligheter för värme integration har också övervägt interna och externa integration alternativ19.

En av de största problemen av CaL cykeln från ekonomisk synpunkt är att tillhandahålla den energi som behövs i calciner genom bränsle förbränning20. Ökar syrekoncentrationen av i den calciner inlopp föreslås för att minska eller även undvika behovet av CO2 återvinna till calciner. Detta alternativ minskar de kapitalkostnader (reducerad storlek calciner och luft separation enheter (ASU)), som kan avsevärt förbättra konkurrenskraften i denna process. Den drastiska förändringen i förbränningsförhållanden kan uppnås genom att utnyttja den endoterma kalcinering reaktionen och det stora CaO/CaCO3 flödet cirkulerar från den kolsyremaskinen som arbetar vid lägre temperaturer (varken fördel finns med i Oxy-förbränning teknik).

Detta arbete syftar till att utveckla ett normalförfarande för att köra en CaL pilotanläggning med en cirkulerande fluidiserad bädd (CFB) carbonator och en bubblande fluidiserad bädd (BFB) calciner med 100% O2 koncentration i den calciner inlopp. Flera experimentella kampanjer har körts under driftsättning av pilotanläggningen att säkerställa korrekt drift som syre ökade koncentrationen. Dessutom studerades tre kalksten partikel storlek distributioner (100-200 µm, 200-300 µm, 300-400 µm) för att undersöka hur denna parameter påverkar elutriation av partiklar och fånga effektiviteten i detta driftsätt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. material förberedelse

  1. SIL kalksten (~ 50 kg råvara) till den önska partikelstorleksfördelning (300-400 µm eller en annan distribution beroende på experimentet) mekanisk skakapparat. Sätta det söll materialet i krukor bredvid calciner för utfodring under test
  2. Förbereda materialet i batchar införs till reaktorn. Satserna är i allmänhet 0,5 L eller 1 L (1 L av kalksten är ungefär 1,5 kg), men detta kan variera beroende på driftsparametrarna.

2. Start-up förfarande

försiktighet: extremt höga temperaturer uppnås här. Lämplig personlig skyddsutrustning såsom handskar, Glasögon, laboratorium kappa och säkerhet skor krävs.

  1. Uppvärmning av reaktorer
    1. Starta låga flödet av N 2 i kolsyremaskin (60 L/min) och calciner (20 L/min) samt loop-sälar (10 L/min) i rotametrar.
    2. Aktivera carbonator transformers manuellt. Ställa in alla elektriska preheaters av kolsyremaskinen temperatur på 600 ° C.
    3. Börjar förvärva data (för gas temperaturer och tryck, Använd inspelningsknappen i programvaran). Data inkluderar temperaturer, tryck och gassammansättning av båda reaktorerna. I figur 1 och figur 2, visas skärmdumpar av datainsamlingssystemet.
    4. Aktivera calciner gas preheaters. Slå på värmaren runt calciner till 600 ° C mätt inuti BFB via ett termoelement.
      Obs: Data såsom temperatur, tryck och gas sammansättning förvärvas redan som anges i steg 2.1.3.
    5. Sätta 3 L av den söll kalkstenen i BFB i calciner. Först öppna övre ventilen, införa materialet i den främre rör och stänger den övre ventilen och sedan öppnar bottenventilen så att materialet flyter in i reaktorn.
    6. Värmer materialet i BFB till över 650 ° C (vid elvärmen runt calciner).
      Anmärkning: Detta tar vanligtvis ~ 1 h, under denna tid kontrollera dataförvärvet och trycket i fluidiserad bäddar.

Figure 1
figur 1: skärmdump av temperatur och tryck datainsamling för båda reaktorerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
figur 2: skärmdump av temperatur datainsamling för förvärmens systemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
figur 3: Schematisk 25 kW th CaL (CFB carbonator och BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: Sänk loop-sigillet; 4: övre loop-sigillet; 5: carbonator cyclone; 6: calciner cyklon. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. startar förbränningen i calciner
    1. öka syrekoncentrationen i den calciner från 0 till 40% vol, se till att koncentrationen är stabil innan du startar förbränningen.
    2. Starta stökiometriska flödet av naturgas manuellt med en rotameter se till att förbränningen är stabil.
      Obs: Naturgas flödet bör ökas försiktigt. Kontrollera att data visar en lämplig nivå av förbränning reaktion.
    3. Öka syrekoncentrationen i calciner i 20% vol steg genom att justera naturgas flöde rotameter för att säkerställa stökiometrisk förbränning.
      Obs: Denna process bör utföras med stor försiktighet. Om misstanke uppstår att förbränningen inte sker som förväntat från de preliminära beräkningarna då stoppa flödet av naturgas och växla syreflödet till kväve för säker drift. Identifiera källan till denna diskrepans. Den sammanlagda varaktigheten för denna process är ca 1 h.
    4. Uppnå 100% syre koncentration naturgas förbränning.
      Obs: Uppgifter om temperatur och gas sammansättning bör noggrant följas under hela alla testning, men särskilt när förbränningen sker i 100% syre.
    5. Lägg till kalksten i steg om 0,5 L tills det finns 7 L i en fluidiserad bädd. Kalcinera allt material i fluidiserad bädd av den calciner (uppskattade kalcinering temperaturen är 800-850 ° C för batchen som är närvarande i calciner och calciner temperaturen för de följande satserna).
    6. Öka flödet av N 2 i kolsyremaskinen att starta cirkulationen. Kontrollera cirkulationen Visa hamnen regelbundet för att säkerställa god cirkulation.
    7. Kalcinera alla tillgängliga kalkstenen cirkulerar i riggen innan CO 2 tillfångatagandet.

3. Stabil drift

  1. manuellt växla kolsyran gas från N 2 till 15 volymprocent CO 2 använder den rotameter, vilket gör den kalcinerad kalkstenen att börja fånga CO 2.
  2. Justera flödena i den calciner manuellt med rotametrar för att uppnå en stabil 930-950 ° C temperatur i calciner genom att reglera flödet av naturgas (NG) och syre (inom optimal fluidisering regimen). O 2 flödet är oftast 100% med tillräckligt säng med material, men det justeras hela experimentet.
  3. När materialet börjar sjunka i aktivitet (över 5% CO 2 koncentration vid utloppet av den carbonator, som förvärvas kontinuerligt av programvaran som beskrivs i steg 2.1.3), tillsätt mer kalksten.

4. Avstängning förfarande

  1. manuellt stänga av naturgas flödet med hjälp av rotameter och minska den syre flöden och växla gaserna i båda reaktorerna till N 2. Stäng av alla värmare (calciner och carbonator).
  2. Tillåter temperaturen av inventeringen av riggen till minska (normalt natten), och Tom reaktorerna när de är vid rumstemperatur.
  3. Väger de extraherade fasta och utföra en standard sieve-analys. Karakterisera materialet: porosimetry, sammansättning (X-ray fluorescence spectrometry, XRF) 21 , 22 och mikroskopiska struktur (svepelektronmikroskopi, SEM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Experimental set-up visas i figur 3. Anläggningen består av två sammankopplade fluidiserad-sängar. Nämligen är kolsyremaskinen en CFB med 4,3 m höjd och 0,1 m innerdiameter (ID); medan calciner är en BFB med 1,2 m höjd och 0,165 m-ID. Solid transport från en reaktor till den andra styrs av två loop-tätningar i fluidiserad med kväve. Båda reaktorerna matas en blandning av gas genom en Förvärmnings linje och både är eluppvärmda; Dessutom matas calciner med naturgas för att producera genom förbränning den värme som behövs för den endoterma kalcinering och att värma de cirkulerande sorbent. Kolsyremaskinen distributör plattan har 8 munstycken, var och en av dem med tjugo 2 mm hål, medan calciner har 20 munstycken med sex 1 mm hål vardera.

Resultaten från tre olika experiment diskuteras i detta avsnitt. Dessa tester ger en översikt vad gäller kör pilotanläggningen från luften (~ 20% vol O2) till 100% vol O2 vid inloppet calciner. Detta arbete undersöker också resultaten av att använda olika partikel storlek distributioner i det här körningsläget för att se om denna parameter har en inverkan på systemets totala prestanda. Kalkstenen används i denna studie har ett minsta innehåll av 98.25% CaCO3.

Experiment 1: Rökkanalen gasar (15% vol CO2) med kalksten (200-300 µm) 30% vol O2

Denna första test med kalksten fraktionen 200-300 µm utfördes för att testa en rigg med kalksten som cirkulerar mellan de två reaktorerna inom riggen som utgångspunkt för prestandaoptimering. Under denna provning uppnåddes en uppsamlingskapacitet på 45% (figur 4). Detta uppsamlingskapacitet, Ecarb, beräknades med hjälp av följande formel23: där FCO2 är molar flödet klassar av CO2 att ange kolsyremaskinen och Fcarb är molar flödet klassar av CO2 lämnar den kolsyremaskin.

Equation 2(2)

Figure 4
Figur 4: koncentrationen av CO2 på carbonator inlopp och utlopp och fånga effektiviteten (Ecarb) för 200-300 µm kalksten med 30% O2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Den sämre uppsamlingskapacitet under denna experimentella kör orsakades främst av otillräcklig leverans av värme till kalcinera alla kalksten som är bosatta i BFB. Detta orsakade en minskning av förhållandet CaO/CaCO3 i kolsyremaskinen fodret. En annan trolig orsak var inaktivering och överföring av kalkpartiklar från den calciner, vilket minskade den totala säng inventeringen och mängden sorbent närvarande i systemet. Efter experimentet, en materialbalans av inventeringen av reaktorn utfördes (tabell 1). En övergång till mindre fraktioner kan observeras, på grund av bortfall av materialet i båda fluidiserad sängar.

Fraktion Kalksten i Calciner + Carbonator Cyclone Calciner Cyclone Carbonator
Totala massa (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%

Tabell 1: Vikt balans mellan materiella ingångarna och utgångarna för 200-300 µm kalksten med 30% O2.

Experiment 2: Rökkanalen gasar (15% CO2) med kalksten (100-200 µm) 100% O2

I det här testet var huvudsyftet att använda mindre kalksten partiklar för att undersöka deras möjliga gynnsam effekt på systemets prestanda. Det sekundära syftet var att ge mer värme på kalcinering processen i den BFB calciner genom combusting naturgasen i mycket koncentrerat syre, helst upp till 100% vid inloppet.

I detta experiment testat vi framgångsrikt möjligheten att använda ren O2 på öppningen av den calciner, som erbjuder möjlighet att helt eliminera återvinningen av off-gas behövs för en standardprocess för oxy-bränsle. Detta görs möjligt av värme konsumtion i form av ett cirkulerande fluidiserad bädd material och kontinuerlig kalcinering reaktionen.

Användning av mindre partiklar hade inte en gynnsam effekt på kolsyrning processen, sannolikt på grund av högre kontaktytan mellan gasen och partiklar. Det finns dock viss oenighet i denna fråga som mindre partiklar har visat minskad reaktivitet på grund av högre innehåll av orenheter24. Nästan alla tillsatt kalksten som var < 150 µm var mycket snabbt elutriated från calciner till nedströms cyklonen. Därför var det mycket svårt att upprätthålla det nödvändiga lagret av kalk i riggen för att uppnå högre uppsamlingskapacitet. Resultaten av uppsamlingskapacitet är i figur 5.

Figure 5
Figur 5: CO2 -koncentration på carbonator inlopp och utlopp och de motsvarande uppsamlingskapacitet (Ecarb) för 100-200 µm kalksten med 100% O2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Återstoden av ingångar och utgångar av fasta utfördes efter testet (tabell 2), och det upptäcktes att de flesta av tHan material förs in riggen under experimentet som hamnade i calciner cyklonen. Detta var nog den främsta orsaken till den låga uppmätta uppsamlingskapacitet under detta test.

Fraktion Kalksten Kolsyremaskin Calciner Cyclone calciner Cyclone carbonator
Totala massa (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%

Tabell 2: Balans av återvunna materialet och dess sieve analys för 100-200 µm kalksten med 100% O2.

Avslutningsvis, testat vi framgångsrikt användningen av ren O2 på öppningen av calciner för att helt eliminera återvinningen av off-gas behövs för en standardprocess för oxy-bränsle. Detta är möjligt på grund av kylflänsen som tillhandahålls i form av cirkulerande fluidiserad bädd material och kontinuerlig kalcinering reaktionen. Den små partikelstorleksfördelning (100-200 µm) var dock inte fördelaktigt för processen, på grund av elutriation av partiklarna. Det var extremt svårt att upprätthålla säng lagret krävs för att erhålla en högre uppsamlingskapacitet. Därför beslutade vi att undersöka användningen av större partiklar i nästa experimentella kampanj.

Experiment 3: Rökkanalen gasar (15% CO2) med kalksten (300-400 µm) 100% O2

Utförandet av den bråkdel 300-400 µm testades under denna rättegång, för att minska de höga materiella förlusterna från fluidiserad bädd av calciner som sett i tidigare körningar. Detta var väntat att aktivera bevarande av den nödvändiga kalk/kalksten inventering behövs för dess effektiva cirkulation och carbon capture. På grund av användning av en lämplig mängd sorbent cirkulerar i riggen och tillräcklig värme som tillhandahålls av förbränning av naturgas i rent syre (släppa 18 kW), en stabil uppsamlingskapacitet för ~ 70% uppnåddes för mer än 3 h; Detta är ett mycket bra resultat när man överväger relativt kort carbonator reaktorn röret och den därav följande kort kontakttiden mellan sorbenten och CO2. Koncentrationen av CO2 vid utloppet av kolsyremaskinen bibehölls under 5% vol, och färska kalksten (i 0,5 L omgångar) lades till calciner när koncentrationen av CO2 vid utloppet av kolsyremaskinen överskrids detta värde. En stabil experimentella kör uppnåddes med optimerade villkor.

Processen började med standardförfarandet; dvsförsta reaktorn värmdes upp till 700 ° C, då 2.9 L av kalksten lades in calciner och värmas upp. De temperaturer och koncentrationerna i calciner visas i figur 6. Observera att nedanstående nummer motsvarar de stegen i figur 6. (1) luftflödet ersattes av en flöde blandning av 40% O2 och 60% N2 och förbränning av naturgas i en fluidiserad bädd inleddes (9,1 kW). Kalkstenen i en fluidiserad bädd värmdes över 800 ° C och 3 fler partier av kalksten (1 L) lades till calciner. (2) medan kalkstenen calcining i en fluidiserad bädd, startades cirkulationen av kalk/kalksten av flödande förvärmd N2 genom kolsyremaskinen (vid en hastighet av 2,5 m/s vid 650 ° C). En ytterligare 0,9 L kalksten lades och 3) en fräsch O2 cylinder var ansluten till öppningen av calciner. (4) efter återansluta syre, förbränning inleddes igen, denna gång i en inlopp O2 koncentration på 70% (och 30% N2), vilket ledde till en förbrukning av 14 kW av naturgas till en O2 koncentration vid utloppet av ~ 5% (i våt gas). (5) ren O2 infördes vid inloppet till calciner, vilket ledde till att värme 18 kW till calciner och 6) kolsyran inleddes kolsyremaskinen av injicera 15% av CO2. Effektiviteten av kolsyran (figur 7) var den högsta ännu på denna reaktor design (~ 70%). 7) gas hastigheten flyter genom BFB av calciner hade sänkas till 0,30 m/s (krävs av önskad temperatur) att hålla temperaturen av ca 930 ° C genereras vid förbränning av naturgas i ren O2 (bibehållen O2 koncentrationen i off-gas till en industriellt acceptabel nivå under 5% vol).

Figure 6
Figur 6: BFB calciner och temperatur och sammansättning av off-gas vid dess utgång temperatur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Temperaturen i den fluidiserad bädd bibehölls konstant under testet genom att reglera flödet av naturgas och konsekutivt justera flödet klassar av O2 att uppnå en calciner hastighet på ~0.30 m/s. Under konstant drift, observerades följande energiska balans: i calciner, syret var förvärmd till endast 300 ° C av säkerhetsskäl; Därför ger 0,5 kW i latent värme. Cirka 15,5 kW släpptes av förbränning av naturgas i en fluidiserad bädd, men endast 5,3 kW behövdes för en kontinuerlig kalcinering (när inget färskt material lades till), 3,6 kW att täcka den latent värmen av off-gas och ~ 7 kW för uppvärmning av den cirkulerande adsorbent och t o täcka värmeförluster. I carbonator, 3.2 kW tillhandahölls av förvärmning gasen (till350 ° C), och 5,4 kW släpptes av kolsyran processen. Nästan 5 kW bars ut ur kolsyremaskinen som latent värme av off-gas och 3,6 kW behövs för att skingras av värmeförluster att täcka den värme som frigörs vid exoterma reaktionen bibehållen temperatur vid 650 ° C. När kolsyran processen startar (och är effektiv), närmar sig temperaturen i kolsyremaskinen 700 ° C, som skiftar uppnåeliga termodynamisk jämvikt koncentrationen av utlopp gasen till högre värden. Denna teoretiska minsta koncentration, beroende av kolsyremaskin temperaturen, är avbildad tillsammans med den koncentration som uppmätts under testning i figur 7.

Kolsyrning processen inleddes med ~6.7 L av kalksten i riggen. Ett ytterligare 0,54 L i början av kolsyran (13:45 i figur 7) resulterat i minskningen av kvarvarande CO2 i gasen under 5% vol, och denna nivå bibehölls under hela provningen av tillägg av 0,5 L kalksten partier (när den koncentrationen av CO2 vid utloppet av kolsyremaskin översteg 5%). Tidsintervallen mellan tillägg av färska kalksten till calciner var 15, 20, 50, 45 och 50 min. Vi drog därför slutsatsen att en stabil drift kräver tillägg av färska sorbent motsvarar 0,5 L (750 g) av limestone ungefärligt varje 50 min, vilket motsvarar förhållandet make-up (F0fCO2) på 6%, som beskrivs på andra ställen25 . Make-up förhållandet i dessa experiment påverkades främst av kalksten (reaktivitet förfall och elutriation). Värdet för denna parameter var väljas utifrån CO2 koncentrationen vid utloppet carbonator, dvsatt lägga mer kalksten när den nådde en 5 volymprocent CO2.

Baserat på siktning analys, vi dra slutsatsen att den ursprungliga kalksten fraktionen behölls mestadels i riggen cirkulationen, medan partiklarna mestadels < 250 µm överfördes till calciner cyklonen. Dessa partiklar resulterade huvudsakligen från de brott/bortfall av större partiklar.

Fraktion Kalksten i Kolsyremaskin Calciner Cyclone calciner Cyclone Carbonator
Totala massa (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%

Tabell 3: Massa balans av fasta ämnen och sikten analys av ingångar (kalksten) och utgångar (andra) för 300-400 µm kalksten med 100% O2.

Fraktion Kalksten i Kolsyremaskin Calciner Cyclone calciner Cyclone Carbonator Skillnaden (ut – i)
Totala 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

Tabell 4: Molar balans uppskattning (10% fuktighet av rå kalksten, 75% wt av produktionen i bränd tillstånd) för 300-400 µm kalksten med 100% O2.

Figure 7
Figur 7: CO2 -koncentration på carbonator inlopp och utlopp och de motsvarande uppsamlingskapacitet (Ecarb) för 300-400 µm kalksten med 100% O2 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Driften av calciner med ett inlopp av 100% vol syre är uppnåeliga, baserat på att utnyttja den endoterma naturen på kalcinering reaktionen, liksom det faktum att fasta cirkulera mellan de två reaktorerna vid olika temperaturer. Detta driftsätt syftar till att göra CaL processen mer ekonomiskt lovande genom att minska kapital- och driftskostnader. Som återvinningen av rökkanalen gasar (främst CO2, vattenånga och oreagerade O2) minskas eller undanröjas, värme förbrukas för att förvärma denna ström är lägre. Därför mindre syre behövs och en mindre ASU skulle krävas. Som gasflödet skulle vara lägre i den här konfigurationen, skulle storleken på calciner vara mindre för samma fluidisering hastighet.

En standardmetod utvecklades för att säkerställa säker drift av hög-syrekoncentrationen i calciner. Resultaten visade en uppsamlingskapacitet på upp till 70% i några av de utförda experiment. Dessutom användes olika partikel storlek distributioner i denna reaktor konfiguration (kolsyremaskin som en CFB; calciner som en BFB). Fördelningarna var: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. För minsta distribution (100-200 µm), men det fanns elutriation frågor och majoriteten av säng inventeringen hittades i den calciner cyklon fångst-potten. De bästa resultaten uppnåddes med den största partikelstorleksfördelning (300-400 µm): en Ecarb ~ 70% bibehölls under hela experimentet med en make-up förhållande av ca 6%.

Detta protokoll förbättrades genom att minimera den elektrisk uppvärmning tillhandahålls till gas och calciner när naturgas förbränns, för att skydda rören mot elektriska urladdningar orsakas av värmeelementen. Dessutom har det konstaterats att O2 koncentration ökar kan uppnås snabbare än i första experimentella kampanjer, från 20% vol till 60% vol och 100% vol. Det är viktigt att framhålla att de viktigaste stegen i denna process är början på förbränning och ökningen av syrekoncentrationen, som kan orsaka ökade temperaturer som slås naturgas källan om temperaturen går högre än 980 ° C. Den materiella make-up är också ett bekymmer eftersom det kan sänka temperaturen i reaktorn och stoppa förbränningen, och därför bör det läggas i små partier.

Med denna metod tillämpas på denna experimentella rigg, är det möjligt att testa nya syntetiska material, såväl som material förbättrats via dopning, termisk förbehandling, kemisk förbehandling, etc.26 detta protokoll tillåter dessa nya Sorbenter skall provas under realistiska förhållanden som ger en standardmetod för sorbent jämförelse. Dock finns det vissa utmaningar vid tillämpning av detta begrepp i större skala, såsom användning av kol i calciner under dessa driftsförhållanden. Användning av fasta bränslen skulle öka svårigheten calciner fungerar på grund av de höga temperaturer, vilket kan leda till aska gytter och så småningom defluidizing fenomen27. Detta måste studeras vidare för att fastställa genomförbarheten av detta protokoll. konceptet var dock visat sig vara framgångsrika i pilot-skala i detta arbete använder naturgas.

En annan begränsning som härrör från denna studie är varaktigheten av testerna, med ~ 3 h av konstant drift per test, Detta beror på uppvärmningen av anläggningen, som är en långsam process. Det genomsnittliga antalet kolsyran/kalcinering cykler upplevs av en partikel när cirkulerar mellan reaktorer är inte känt. Det är möjligt att den höga syrehalten hade en negativ effekt som orsakar mer sintring i kalksten partiklar. Ytterligare utredning av dessa utmaningar skulle bidra till att bedöma lämpligheten i protokollet som en roman och genomförbart driftsläge för CaL växter på en högre nivå.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Den forskning som leder till dessa resultat har fått finansiering från Europeiska gemenskapens forskningsfonden för kol och stål (RFC) under bevilja avtal n ° RFCR-CT-2014-00007. Detta arbete finansierades av UK avskiljning och lagring Research Centre (UKCCSRC) som en del av Call 2 projekt. UKCCSRC stöds av verkstads- och Physical Sciences Research rådet (EPSRC) som en del av rådets UK energiprogrammet, med ytterligare finansiering från Företagsekonomiska institutionen, energi och industriell strategi (BEIS - tidigare DECC). Författarna vill även tacka Mr Martin Roskilly för hans enorma hjälp under hela detta arbete.

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).
Drift av en 25 KW<sub>th</sub> kalcium Looping Pilot-växt med höga syrehalter i Calciner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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