Login processing...

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

Environment

Drift av et 25 KWth kalsium Looping Pilot-anlegg med høye Oksygenkonsentrasjoner i Calciner

doi: 10.3791/56112 Published: October 25, 2017

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

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

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.

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. materialet forberedelse

  1. silen kalkstein (~ 50 kg råvarer) til ønsket partikkel størrelsesDistribusjon (300-400 µm eller en annen distribusjon avhengig av eksperimentet) bruker en mekanisk shaker. Sette soldet materialet i potter ved calciner for fôring under test
  2. Forberede materialet i grupper for å bli introdusert i reaktoren. Kladdene er vanligvis 0,5 L eller 1 L (1 L kalkstein er omtrent 1,5 kg), men dette kan variere avhengig av rammebetingelsene.

2. Oppstartsprosessen

Advarsel: ekstremt høye temperaturer er oppnådd. Egnet PPE som hansker, briller, laboratoriet frakk og sikkerhet sko kreves.

  1. Oppvarming av reaktorer
    1. starter lavt flyten av N 2 i carbonator (60 L/min) og calciner (20 L/min) og loop-selene (10 L/min) i rotameters.
    2. Slå på carbonator transformers manuelt. Angi temperaturen på alle elektriske preheaters av carbonator på 600 ° C.
    3. Start henter (for gass temperaturer og trykk, bruk på opptak-knappen i programmet). Dataene omfatter temperatur, trykk og gass sammensetningen av både reaktorer. Skjermbilder av oppkjøpet datasystemet vises i figur 1 og figur 2,.
    4. Slå på calciner gass preheaters. Slå på ovnen rundt calciner til 600 ° C målt innenfor BFB via en thermocouple.
      Merk: Data som temperatur, trykk og gass komposisjon allerede er kjøpt som nevnt i trinn 2.1.3.
    5. Inn BFB i calciner 3 L av soldet kalkstein. Første åpne toppen ventilen, presentere materialet i ned-røret og Lukk topp ventilen og åpne bunnen ventilen slik at materialet munner reaktoren.
    6. Varme materialet i BFB til over 650 ° C (av elektriske ovnen rundt i calciner).
      Merk: Dette vanligvis tar ~ 1 h, under denne kontroll av datainnsamling og presset i fluidized senger.

Figure 1
figur 1: skjermbilde av temperatur og trykk datainnsamling for begge reaktorer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
figur 2: skjermbilde av temperatur datainnsamling for forvarming systemet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: skjematisk av 25 kW th CaL (CFB carbonator og BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: lavere loop-lås; 4: øvre loop-lås; 5: carbonator syklon; 6: calciner syklon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. starte forbrenning i calciner
    1. øke oksygen konsentrasjon i calciner fra 0 til 40% vol, at konsentrasjonen er stabilt før du starter forbrenning.
    2. Start stoichiometric strømmen av naturgass manuelt ved hjelp av en rotameter at forbrenning er stabile.
      Merk: Naturgass flyten bør økes nøye. Kontroller at dataene viser et passende nivå av forbrenning reaksjon.
    3. Øke oksygen konsentrasjon i calciner i 20% vol trinn ved å justere naturgass flyt rotameter for å sikre stoichiometric forbrenning.
      Merk: Denne prosessen bør utføres med ekstrem forsiktighet. Hvis mistanke at forbrenning ikke skjer som forventet fra de foreløpige beregningene og deretter stanse strømmen av naturgass og bytte oksygen flyten til nitrogen for sikker drift. Identifisere kilden til dette avviket. Den totale varigheten av denne prosessen er ca 1 h.
    4. Oppnå 100% oksygen konsentrasjon naturgass forbrenning.
      Merk: Temperatur og gass komposisjon dataene bør følges nøye gjennom alle testing, men spesielt når forbrenning foregår i 100% oksygen.
    5. Legg til kalkstein i 0,5 L intervaller inntil det er 7 L i fluidized seng. Calcine alt materialet i fluidized sengen av calciner (estimert calcination temperaturen er 800-850 ° C for batch finnes i calciner og calciner temperaturen for de følgende grupper).
    6. Øke flyten av N 2 i carbonator å starte sirkulasjon. Sjekk sirkulasjon Vis porten regelmessig for å sikre god sirkulasjon.
    7. Calcine alle tilgjengelige kalkstein sirkulerer i riggen før CO 2 erobringen.

3. Stabil drift

  1. manuelt bytte carbonation gassen fra N 2 til 15% vol CO 2 bruke rotameter, som lar calcined kalkstein begynne fange CO 2.
  2. Juster strømmer i calciner manuelt ved hjelp av rotameters for å oppnå en stabil 930-950 ° C temperatur i i calciner ved å regulere strømmen av naturgass (NG) og oksygen (innen den optimale fluidization regimet). O 2 flyten er vanligvis 100% med nok sengen materialet, men det er justert hele eksperimentet.
  3. Når materialet begynner å avta i aktivitet (over 5% CO 2 konsentrasjonen ved utgangen av carbonator, som er kjøpt kontinuerlig av programvaren som beskrevet i trinn 2.1.3), legge til flere kalkstein.

4. Nedstenging prosedyren

  1. manuelt slå av naturgass strømmen benytter rotameter redusere oksygen flyten og bytte gassene både reaktorer N 2. Slå av alle varmere (calciner og carbonator).
  2. At temperaturen i beholdningen av riggen å redusere (vanligvis over natten), og Tøm reaktorene når de er ved romtemperatur.
  3. Veier utdraget faste stoffer og utføre en standard sil analyse. Karakterisere materialet: porosimetry, komposisjon (X-ray fluorescens massespektrometri, XRF) 21 , 22 og mikroskopiske struktur (skanning elektronmikroskop, 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

Den eksperimentelle set-up vises i Figur 3. Anlegget består av to sammenhengende fluidized-senger. Nemlig, carbonator er en CFB med 4,3 m høyde og 0.1 m interne diameter (ID); mens calciner er en BFB med 1,2 m høyde og 0.165 m-ID. Solid transport fra en reaktor til den andre styres av to loop-sel fluidized med nitrogen. Begge reaktorer er matet en blanding av gass gjennom en forvarming, og begge er elektrisk oppvarmet; Dessuten, calciner er matet med naturgass produsere ved forbrenning varmen som trengs for endoterm calcination og varme circulating absorberende. Carbonator Distributør platen har 8 dyser, hver av dem med tjue 2 mm hull, mens calciner har 20 dyser med seks 1 mm hull hver.

Resultatene fra tre forskjellige eksperimenter er omtalt i denne delen. Disse testene gir en oversikt med hensyn til kjører anlegget fra air (~ 20% vol O2) til 100% vol O2 på calciner innløpet. Dette arbeidet Utforsker også resultatene av å bruke ulike partikkelstørrelse størrelse distribusjoner i denne operasjonsmodusen for å se om denne parameteren har en innvirkning på den generelle ytelsen til systemet. Kalkstein brukes i denne studien har et minimum innhold 98.25% CaCO3.

Eksperiment 1: Gass-gass (15% vol CO2) med kalkstein (200-300 µm) 30% vol O2

Denne første testen med kalkstein brøken 200-300 µm ble utført for å teste riggen med kalkstein sirkulerer mellom de to reaktorene i riggen som utgangspunkt for optimalisering av ytelsen. Under denne testen, en fange effektivitet på 45% ble oppnådd (Figur 4). Dette fangst effektivitet, Ecarb, ble beregnet ved hjelp av følgende formel23: hvor FCO2 er molar flow rate av CO2 inn i carbonator og Fcarb molar flow rate av CO2 forlater den carbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
Figur 4: konsentrasjonen av CO2 på carbonator innløp og utløp og fange effektiviteten (Ecarb) for 200-300 µm kalkstein med 30% O2. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Dårligere fange effektiviteten under denne eksperimentelle var forårsaket hovedsakelig av utilstrekkelig tilførsel av varme til calcine alle kalkstein bosatt i BFB. Dette forårsaket en nedgang på CaO/CaCO3 forholdet i carbonator feed. En annen mulig grunn var deaktivering og bære-over til lime partikler fra calciner, noe som reduserte totale seng lager og mengden av absorberende stede i systemet. Etter eksperimentet, en regning balanse av beholdningen av reaktoren ble utført (tabell 1). En dreining mot fraksjoner kan observeres på grunn av slitasje av materiale i begge fluidized senger.

Brøk Kalkstein i Calciner + Carbonator Syklonen Calciner Syklonen Carbonator
Totale 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%

Tabell 1: Vekt balansen av materialet innganger og utganger for 200-300 µm kalkstein med 30% O2.

Eksperiment 2: Gass-gass (15% CO2) med kalkstein (100-200 µm) 100% O2

I denne testen var Hovedmålet å bruke mindre kalkstein partikler for å undersøke deres mulig gunstig innvirkning på systemets ytelse. Sekundære målet var å gi mer varme til calcination prosessen BFB calciner ved combusting naturgass i svært konsentrert oksygen, ideelt opptil 100% på innløpet.

I dette eksperimentet testet vi bruke ren O2 på mengden av calciner, som tilbyr muligheten til å fullstendig eliminere resirkulering av gass-behov for en standard oxy-fuel prosess. Dette er gjort mulig av varme forbruket i form av en sirkulerende fluidized sengen materialet og kontinuerlig calcination reaksjonen.

Bruk av mindre partiklene har ikke en gunstig effekt på carbonation prosessen, sannsynligvis på grunn av høyere kontakt området mellom partikler og gass. Men er det noen uenighet i denne saken som mindre partikler har vist redusert reaktivitet på grunn av høyere innhold av urenheter24. Nesten alle ekstra kalkstein som var < 150 µm var svært raskt elutriated fra calciner til nedstrøms syklonen. Derfor var det svært vanskelig å opprettholde den nødvendige oversikt over kalk i riggen nødvendig for å oppnå høyere effektivitet fanger. Resultatene av effektivitet fanger er i figur 5.

Figure 5
Figur 5: CO2 konsentrasjonen på carbonator innløp og utløp og tilsvarende fange effektiviteten (Ecarb) for 100-200 µm kalkstein med 100% O2. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Balansen av innganger og utganger av faste stoffer ble utført etter testen (tabell 2), og det ble oppdaget at de fleste av tHan materialet i riggen under eksperimentet havnet i calciner syklonen. Dette var trolig den viktigste årsaken til lav målt fange effektiviteten under denne testen.

Brøk Kalkstein Carbonator Calciner Syklonen calciner Syklonen carbonator
Totale 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%

Tabell 2: Balanse med gjenvunnet materiale og sil analyse for 100-200 µm kalkstein med 100% O2.

For å konkludere, testet vi bruk av ren O2 på mengden av calciner for å fullstendig eliminere resirkulering av-gassen nødvendig for en standard oxy-fuel prosess. Dette er mulig på grunn av varmen vasken i form av sirkulerende fluidized sengen materialet og kontinuerlig calcination reaksjonen. Liten partikkel størrelsesDistribusjon (100-200 µm) var imidlertid ikke gunstig for fangst prosessen, på grunn av elutriation av partikler. Det var svært vanskelig å opprettholde seng lageret nødvendig for å oppnå en høyere effektivitet fanger. Vi har derfor besluttet å undersøke bruken av større partikler i neste eksperimentelle kampanje.

Eksperiment 3: Gass-gass (15% CO2) med kalkstein (300-400 µm) 100% O2

Under denne prøveperioden, ble ytelsen til brøkdel 300-400 µm testet for å redusere høy materiale tap fra fluidized sengen av calciner som i forrige løp. Dette var forventet å aktivere oppbevaring av nødvendig kalk/kalkstein lageret nødvendig for effektiv sirkulasjon og karbon erobringen. Bruk av en passende mengde absorberende sirkulerer i riggen og tilstrekkelig varme fra forbrenning av naturgass i ren oksygen (slippe 18 kW), en stabil fange effektiviteten av ~ 70% ble oppnådd for mer enn 3 h; Dette er et meget godt resultat når relativt kort carbonator reaktoren røret og påfølgende kort kontakt tid mellom den absorberende og CO2. Konsentrasjonen av CO2 ved utløpet av carbonator ble holdt under 5% vol, og frisk kalkstein (i 0,5 L porsjoner) ble lagt til i calciner når konsentrasjonen av CO2 ved utløpet av carbonator overskredet denne verdien. En stabil eksperimentelle kjører ble oppnådd med optimalisert forhold.

Prosessen startet med standard prosedyre; dvsførste reaktoren ble varmet opp til 700 ° C, deretter 2.9 L av kalkstein ble lagt inn i calciner og oppvarmet. Temperaturer og konsentrasjoner i calciner er vist i figur 6. Merk at tallene nedenfor samsvarer med disse trinnene i figur 6. 1) luftstrømmen ble erstattet av en flyt blanding av 40% O2 og 60% N2 og forbrenning av naturgass i fluidized sengen startet (9.1 kW). Kalkstein i fluidized sengen var oppvarmet over 800 ° C og 3 flere grupper av kalkstein (1 L) ble lagt til i calciner. 2) mens kalkstein var kalsinering i fluidized seng, ble sirkulasjon av kalk/kalkstein startet av flytende forvarmet N2 til carbonator (ved en hastighet på 2,5 m/s på 650 ° C). En ekstra 0,9 L kalkstein ble lagt og 3) en fersk O2 sylinder var koblet til mengden av calciner. 4) etter reconnecting oksygen, forbrenning startet igjen, denne gangen i en vik O2 konsentrasjonen av 70% (og 30% N2), noe som førte til et forbruk av 14 kW av naturgass til å nå en O2 konsentrasjon ved utløpet av ~ 5% (i våt gass). 5) ren O2 ble introdusert på calciner innløp, som førte til at varme 18 kW i calciner og 6) til carbonation ble startet i carbonator av sprøytebruk 15% av CO2. Effektiviteten av carbonation (figur 7) var det høyeste ennå på denne reaktoren design (~ 70%). 7) gass hastigheten strømmer gjennom BFB av calciner måtte senkes 0,30 m/s (kreves av ønsket temperatur) for å opprettholde temperaturen i ca 930 ° C generert av forbrenning av naturgass i ren O2 (samtidig O2 konsentrasjonen i av-gass til et industrielt akseptabelt nivå under 5% vol).

Figure 6
Figur 6: temperatur BFB calciner og temperatur og sammensetningen av gass på sin exit. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Temperaturen i fluidized sengen ble opprettholdt konstant under testen ved å regulere flow rate av naturgass og fortløpende justere infusjonshastigheten O2 å oppnå en calciner hastighet på ~0.30 m/s. Under konstant operasjonen, følgende energisk balansen ble observert: i calciner, oksygen var forvarmet til bare 300 ° C sikkerhetsmessige årsaker; Derfor gir 0,5 kW i latent varme. Rundt 15.5 kW ble utgitt av forbrenning av naturgass i fluidized sengen, men bare 5.3 kW var nødvendig for en kontinuerlig calcination (når ingen ferskt materiale ble lagt til), 3.6 kW å dekke den latente varmen av gass og ~ 7 kW for oppvarming av sirkulerende adsorbent og t o dekker varmetap. I carbonator, 3.2 kW ble levert av forvarming gassen (til350 ° C), og 5.4 kW ble utgitt av carbonation prosessen. Nesten 5 kW ble gjennomført av carbonator latent varme av av gass og 3,6 kW å bli utsvevende av varmetap å dekke varmen utgitt eksoterm reaksjon samtidig opprettholde temperaturen på 650 ° C. Når carbonation prosessen starter (og effektiv), tilnærminger temperaturen i carbonator 700 ° C, som flytter oppnåelige termodynamisk likevekt konsentrasjonen av uttaket gassen til høyere verdier. Denne teoretisk minst konsentrasjon, avhengig av carbonator temperatur, er avbildet sammen med konsentrasjonen målt under testing i figur 7.

Carbonation prosessen ble startet med ~6.7 L av kalkstein i riggen. En ekstra 0.54 L begynnelsen av carbonation (13:45 i figur 7) ført til reduksjon av gjenværende CO2 i gass under 5% vol, og dette ble opprettholdt gjennom hele testen av tillegg av 0,5 L kalkstein grupper (når den konsentrasjonen av CO2 ved utgangen av carbonator overskredet 5%). Tidsintervaller mellom tillegg av fersk kalkstein å calciner var 15, 20, 50, 45 og 50 minutter. Derfor vi konkluderte med at en stabil drift krever tillegg av fersk absorberende svarer til 0,5 L (750 g) av kalkstein ca hver 50 min, som tilsvarer en make-up ratio (F0fCO2) på 6%, som beskrevet andre steder25 . Make-up forholdet i disse eksperimentene var hovedsakelig påvirket av kalkstein (reaktivitet forfall og elutriation). Verdien for denne parameteren var valgt basert på CO2 konsentrasjonen for carbonator utløp, dvs.å legge mer kalkstein når den nådde en 5% vol CO2.

Basert på sieving analyse, vi konkludere med at den opprinnelige kalkstein Brøkdelen ble beholdt det meste i riggen sirkulasjon, mens partikler hovedsakelig < 250 µm ble overført til calciner syklonen. Disse partiklene skyldes hovedsakelig brekkasje/slitasje av større partikler.

Brøk Kalkstein i Carbonator Calciner Syklonen calciner Syklonen Carbonator
Totale masse (g) 14.000 1900 4200 2000 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: Masse balanse av faste stoffer og sil analyse av innganger (kalkstein) og utganger (annet) for 300-400 µm kalkstein med 100% O2.

Brøk Kalkstein i Carbonator Calciner Syklonen calciner Syklonen Carbonator Forskjellen (ut-i)
Totalt 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 balanse anslag (10% fuktighet av rå kalkstein, 75% wt av output også brent staten) for 300-400 µm kalkstein med 100% O2.

Figure 7
Figur 7: CO2 konsentrasjonen på carbonator innløp og utløp og tilhørende fange effektivitet (Ecarb) for 300-400 µm kalkstein med 100% O2 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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

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 oksygen er nødvendig, og en mindre ASU ville være nødvendig. Som gasstrømmen ville være lavere i denne konfigurasjonen, ville størrelsen på calciner være mindre for samme fluidization hastighet.

En standard metode ble utviklet for å sikre sikker drift av høy oksygen konsentrasjon i calciner. Resultatene viste en fange effektivitet på opptil 70% i noen av utført eksperimenter. Også ble ulike partikkelstørrelse størrelse distribusjoner brukt i denne reaktoren konfigurasjonen (carbonator som en CFB, calciner som en BFB). Distribusjonen ble: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. For minste distribusjon (100-200 µm), men det var elutriation problemer og flertallet av sengen lageret ble funnet i den calciner syklon fangst-potten. De beste resultatene ble oppnådd med den største partikkel størrelse distribusjonen (300-400 µm): en Ecarb ~ 70% ble opprettholdt gjennom hele eksperimentet med make-up forholdet ca 6%.

Denne protokollen ble forbedret ved å minimere elektrisk varme ga til gass og calciner når naturgass blir forbrenning, for å beskytte rørene fra elektriske utslipp forårsaket av varmeelementer. Også det har blitt bemerket at O2 konsentrasjon økningen kan oppnås raskere enn i første eksperimentelle kampanjer, fra 20% vol til 60% vol og 100% vol. Det er viktig å understreke at de viktigste trinnene i denne prosessen er starten på forbrenning og økningen i oksygen konsentrasjon, som kan forårsake økt temperatur som vil slå av naturgass kilden hvis temperaturen går høyere enn 980 ° C. Materielle make-up er også en bekymring som kan senke temperaturen på reaktoren og stoppe den forbrenningsprosessen, og derfor det bør legges i små grupper.

Med denne metodikken brukt denne eksperimentelle riggen, er det mulig å teste nye syntetiske materialer, samt materialer forbedret via doping, termisk forbehandling, kjemisk forbehandling, etc.26 denne protokollen tillater disse nye sorbents skal testes under realistiske forhold gir en standard metode for absorberende sammenligning. Det er imidlertid noen utfordringer når dette konseptet på større skala, som bruk av kull i calciner under disse forholdene. Bruk av solid brensel vil øke vanskelighetsgraden i calciner operasjon på grunn av de høye temperaturene, som kan føre til aske agglomeration og til slutt defluidizing fenomener27. Dette må videre studier for å fastslå mulighetene for denne protokollen; konseptet ble bevist vellykket på en pilot-skala i dette arbeidet bruker naturgass.

En annen begrensning som oppstår fra denne studien er varigheten tester, med ~ 3 h steady state operasjon per test; Dette skyldes oppvarming prosessen med anlegget, som er en langsom prosess. Gjennomsnittlig antall carbonation/calcination sykluser oppleves av en partikkel når sirkulerer mellom reaktorene er ikke kjent. Det er mulig at høy oksygen konsentrasjon hadde en negativ effekt forårsaker mer sintring i kalkstein partikler. Videre undersøkelser av disse utfordringene ville hjelpe for å vurdere egnetheten av protokollen som en roman og mulig modus for CaL planter på en høyere skala.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

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

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 et 25 KW<sub>th</sub> kalsium Looping Pilot-anlegg med høye Oksygenkonsentrasjoner 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