Drift av et 25 KWth kalsium Looping Pilot-anlegg med høye Oksygenkonsentrasjoner i Calciner
Summary
Dette manuskriptet beskriver en prosedyre for drift en kalsium looping pilot-anlegg for post forbrenning karbonfangst med høye Oksygenkonsentrasjoner i calciner for å redusere eller eliminere gass gass gjenvinne.
Abstract
Kalsium looping (CaL) er en post forbrenning CO2 teknologi som er egnet for ettermontering eksisterende kraftverk. CaL prosessen bruker kalkstein som et billig og lett tilgjengelig CO2 absorberende. Mens teknologien har vært mye studert, er det noen tilgjengelige alternativer som kan brukes for å gjøre det mer økonomisk levedyktig. En av disse er å øke oksygen konsentrasjon i calciner å redusere eller eliminere mengden resirkulert gass (CO2, H2O og urenheter); derfor redusere eller fjerne energien som trengs for å varme resirkulert gasstrømmen. Videre er det en påfølgende økningen i energi innspill på grunn av endringen i forbrenning intensiteten; denne energien brukes til å aktivere reaksjonen endoterm calcination oppstår i fravær av resirkulert røykrøret gasser. Dette dokumentet presenterer drift og første resultatene av en CaL anlegget med 100% oksygen forbrenning av naturgass i calciner. Gassen kommer inn i carbonator var en simulert gass-gass fra kull-kraftverk eller sementindustrien. Flere kalkstein partikkel størrelse distribusjoner er testet videre utforsking effekten av denne parameteren på det totale gjennomførelse av denne driftsmodusen. Konfigurasjonen av reaktoren systemet, de operasjonelle prosedyrene og resultatene er beskrevet i detalj i dette papiret. Reaktoren viste god etter stabilitet og stabil CO2 fange, med fangst effektivitet på opptil 70% med en gassblanding simulere røykgass av kull-kraftverk.
Introduction
CO2 -utslipp og den resulterende global oppvarming er viktige miljøspørsmål som har tiltrukket seg mye forskning i de siste årene. Karbonfangst og lagring (CCS) har blitt anerkjent som en potensiell teknologi for å redusere CO2 -utslipp til atmosfæren1,2. Den mest utfordrende delen av CCS kjeden er erobringen av CO2, som er også den mest kostbare trinn3. I følge har det vært fokus på å utvikle nye teknologier for CO2 -fangst fra kraftverk og andre industrielle anlegg.
CaL som etter forbrenning CO2 fange teknologi, ble først foreslått av Shimizu et al. 4 CO2 fanges opp av en CaO-basert absorberende på 600-700 ° C i en reaktor kalt en carbonator, og utgitt av påfølgende calcination på 850-950 ° C (i en calciner) ifølge Eq. (1), å produsere en høy renhetsgrad CO2 strøm egnet for lagring5,6. CaL syklusen utnytter fluidized senger, som representerer en konfigurasjonen for denne prosessen, siden de la for store mengder tørrstoff sirkuleres enkelt fra én reaktoren til andre4,5,6 , 7 , 8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
Dette konseptet har vist på pilot skala av ulike grupper og med forskjellige konfigurasjoner og skalaer, for eksempel 0,2 MWth piloten i Stuttgart, 1 MWth piloten i Darmstadt, La Pereda 1,7 piloten som MWth og 1,9 MWth enheten i Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Selv om denne prosessen har blitt bevist, er det fortsatt muligheter for å øke effektiviteten termisk som ved å endre standard driftsforhold og endringer i utformingen av reaktoren konfigurasjonen.
Bruk av varme rør mellom combustor og calciner har vært studert i stedet for oxy-combusting drivstoff i calciner. Resultatene for CO2 fange ytelsen er sammenlignbare med de av en konvensjonell CaL pilot-anlegg, men denne prosessen har høyere anlegget effektivitet og lavere CO2 unngåelse koster17. Martínez et al. 18 undersøkt varme integrering mulighetene for å forvarme det solid materialet inn i calciner og redusere varmen som trengs i calciner. Resultatene viste 9% reduksjon i kull forbruk når forhold til standard saken. Andre studerte muligheter for varme integrering har også vurdert interne og eksterne integrasjon alternativer19.
En av de største problemene av CaL syklus fra økonomiske synspunkt er å levere energien som trengs i calciner med drivstoff forbrenning20. Øker oksygen konsentrasjonen i calciner’s inlet er foreslått for å redusere eller aften unngå behovet for CO2 resirkulering til calciner. Dette alternativet reduserer kapitalkostnader (redusert størrelsen på calciner og air separasjonsenheter (ASU)), som kan betydelig forbedre konkurranseevnen til denne prosessen. Den drastiske endringen i forbrenning forhold kan oppnås ved å utnytte reaksjonen endoterm calcination og store CaO/CaCO3 flyten sirkulerer fra carbonator ved lavere temperaturer (verken fordelen er tilgjengelig med den Oxy-forbrenning teknologi).
Dette arbeidet har som mål å utvikle en standard prosedyre for å kjøre en CaL anlegget med en sirkulerende Fluidized seng (CFB) carbonator og en boblende Fluidized seng (BFB) calciner med 100% O2 konsentrasjon i calciner’s inlet. Flere eksperimentelle kampanjer er kjørt under idriftsetting av anlegget å sikre ordentlig som oksygen konsentrasjon økt. Også ble tre kalkstein partikkel størrelse distribusjoner (100-200 µm, 200-300 µm, 300-400 µm) studert for å undersøke hvordan denne parameteren påvirker elutriation partikler og fange opp i denne driftsmodusen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Calciner er med en vik 100% vol oksygen oppnåelig, basert på utnytter endoterm av calcination reaksjonen, samt det faktum at faste stoffer sirkulere mellom de to reaktorene ved forskjellige temperaturer. Denne driftsmodusen mål å gjøre CaL prosessen mer økonomisk lovende ved å redusere hovedstaden og driftskostnader. Som resirkulering av gass gass (hovedsakelig CO2, vanndamp og Ureagert O2) er redusert eller selv eliminert, varmen konsumert for å forvarme dataflyten er lavere. Derfor mindre …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen førte til disse resultatene har mottatt finansiering fra EUs Research Fund for kull og stål (RFC) under gi avtalen n ° RFCR-CT-2014-00007. Dette arbeidet ble finansiert av UK karbonfangst og lagring Research Centre (UKCCSRC) som en del av Call 2 prosjekter. UKCCSRC støttes av Engineering og Physical Sciences Research Council (EPSRC) som en del av den forskningsråd UK energi program, med ytterligere finansiering fra Department of Business, energi og industrielle strategi (BEIS – tidligere DECC). Forfatterne vil også gjerne takke Mr. Martin Roskilly for hans enorm hjelp i løpet av dette arbeidet.
Materials
| Longcal limestone | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Mechanical Shacker | 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 |
References
- Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
- Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
- Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
- Shimizu, T., Hirama, T., Hosoda, H., Kitano, K., Inagaki, M., Tejima, K. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustion processes. Chemical Engineering Research and Design. 77 (1), 62-68 (1999).
- Blamey, J., Anthony, E. J., Wang, J., Fennell, P. S. The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture. Progress in Energy and Combustion Science. 36 (2), 260-279 (2010).
- Masnadi, M. S., Grace, J. R., Bi, X. T., Ellis, N., Lim, C. J., Butler, J. W. Biomass/coal steam co-gasification integrated with in-situ CO2 capture. Energy. 83, 326-336 (2015).
- Abanades, J. C., Anthony, E. J., Lu, D. Y., Salvador, C., Alvarez, D. Capture of CO2 from combustion gases in a fluidized bed of CaO. AIChE Journal. 50 (7), 1614-1622 (2004).
- Hughes, R. W., Lu, D. Y., Anthony, E. J., Macchi, A. Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustion system for in situ CO2 capture using high-temperature sorbents. Fuel Processing Technology. 86 (14), 1523-1531 (2005).
- Lu, D. Y., Hughes, R. W., Anthony, E. J. Ca-based sorbent looping combustion for CO2 capture in pilot-scale dual fluidized beds. Fuel Processing Technology. 89 (12), 1386-1395 (2008).
- Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
- Sánchez-Biezma, A., et al. Postcombustion CO2 capture with CaO. Status of the technology and next steps towards large scale demonstration. Energy Procedia. 4, 852-859 (2011).
- Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration. Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).
- Arias, B., et al. Demonstration of steady state CO2 capture in a 1.7 MWth calcium looping pilot. International Journal of Greenhouse Gas Control. 18, 237-245 (2013).
- Ströhle, J., Junk, M., Kremer, J., Galloy, A., Epple, B. Carbonate looping experiments in a 1MWth pilot plant and model validation. Fuel. 127, 13-22 (2014).
- Bidwe, A. R., Hawthorne, C., Dieter, H., Dominguez, M. A., Zieba, M., Scheffknecht, G. Cold model hydrodynamic studies of a 200kWth dual fluidized bed pilot plant of calcium looping process for CO2 Capture. Powder Technology. 253, 116-128 (2014).
- Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
- Reitz, M., Junk, M., Ströhle, J., Epple, B. Design and operation of a 300kWth indirectly heated carbonate looping pilot plant. International Journal of Greenhouse Gas Control. 54, 272-281 (2016).
- Martínez, A., Lara, Y., Lisbona, P., Romeo, L. M. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control. 7, 74-81 (2012).
- Perejón, A., Romeo, L. M., Lara, Y., Lisbona, P., Martínez, A., Valverde, J. M. The calcium-looping technology for CO2 capture: on the important roles of energy integration and sorbent behavior. Appl Energy. 162, 787-807 (2016).
- Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
- . . ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), C1271-C1299 (2012).
- . . ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , C25-C11 (2011).
- Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas. Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).
- Manovic, V., Anthony, E. J. Parametric study on the CO2 capture capacity of CaO-based sorbents in looping cycles. Energy Fuels. 22 (3), 1851-1857 (2008).
- Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis. Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).
- Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
- Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).
