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Exploitation d’un 25 KWe Calcium bouclage pilote avec des Concentrations d’oxygène élevé dans le concassé

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

Summary

Ce manuscrit décrit une procédure pour faire fonctionner un bouclage usine-pilote de captage post-combustion avec des concentrations d’oxygène élevé dans le concassé afin de réduire ou d’éliminer le recyclage de gaz de cheminée de calcium.

Abstract

Calcium en boucle (CaL) est une technologie de capture postcombustion CO2 qui convient à la modernisation des centrales existantes. La CaL utilise calcaire comme un bon marché et facilement disponible CO2 absorbants. Alors que la technologie a été largement étudiée, il y a quelques options disponibles qui pourraient être appliquées pour la rendre plus rentable. L’un d'entre eux est d’augmenter la concentration d’oxygène dans le concassé pour réduire ou éliminer la quantité de gaz recyclé (CO2, H2O et impuretés) ; par conséquent, diminuant ou supprimant l’énergie nécessaire pour chauffer le flux de gaz recyclés. En outre, il y a une augmentation de l’apport énergétique en raison du changement dans l’intensité de combustion ; cette énergie est utilisée pour activer la réaction endothermique calcination à se produire en l’absence des gaz d’échappement recyclé. Cet article présente le fonctionnement et les premiers résultats d’une usine pilote de CaL à la combustion de l’oxygène 100 % du gaz naturel dans le concassé. Le gaz entrant dans l’appareil à eau gazeuse est un gaz de combustion simulée d’une centrale au charbon ou l’industrie du ciment. Plusieurs granulométries calcaires sont également testés pour explorer davantage l’effet de ce paramètre sur les performances globales de ce mode de fonctionnement. La configuration du système réacteur, les modalités de fonctionnement et les résultats sont décrits en détail dans cet article. Le réacteur a montré la bonne stabilité hydrodynamique et capture de2 CO stable, avec un rendement de capture jusqu'à 70 % d’un mélange de gaz simulant les fumées d’une centrale électrique au charbon.

Introduction

Émissions de CO2 et le réchauffement global qui en résulte sont des enjeux environnementaux qui ont attiré un grand nombre de recherches dans les dernières années. Le captage et le stockage (CCS) a été reconnu comme un potentiel technologique pour réduire les émissions de CO2 dans l’atmosphère1,2. La partie la plus difficile de la chaîne CCS est la capture du CO2, qui est aussi le plus coûteux de stade3. En conséquence, il y a eu une discussion sur le développement de nouvelles technologies pour la capture de CO2 des centrales électriques et autres installations industrielles.

CaL comme une technologie de capture postcombustion CO2 , a été proposée par Shimizu et al. 4 CO2 est capturée par un CaO sorbant à 600-700 ° C dans un réacteur appelé un appareil à eau gazeuse et publié par calcination ultérieure à 850-950 ° C (dans un concassé) selon l' équation (1), pour produire un courant de2 CO haute pureté convient pour le piégeage du5,6. Le cycle de CaL utilise les lits fluidisés, qui représentent une configuration optimale pour ce processus, car ils permettent à de grandes quantités de matières solides à distribuer facilement provenant d’un réacteur à l’autre de5,4,6 , 7 , 8.

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

Ce concept a été démontré à l’échelle pilote par divers groupes et avec des configurations différentes et des échelles, comme le pilote MWth 0,2 à Stuttgart, le pilote de 1 MWth Darmstadt,, le pilote de 1,7 MWth dans La Pereda et l’unité de 1,9 MWth dans Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Bien que ce processus a été prouvé, il y a toujours des possibilités pour accroître son efficacité thermique, tels qu’en modifiant les conditions de fonctionnement standards et les changements dans la conception de la configuration du réacteur.

L’utilisation de caloducs entre la chambre de combustion et concassé a étudié au lieu d’oxy-combustion carburant dans le concassé. Les résultats de la performance capture de CO2 sont comparables à ceux d’une usine-pilote de CaL conventionnelle, cependant, ce processus a une efficacité accrue de plante et plus faible CO2 évitement coûte17. Martinez et al. 18 a étudié les possibilités d’intégration de chaleur pour préchauffer la matière solide entrant dans le haut et réduire la chaleur nécessaire dans le concassé. Les résultats ont montré la réduction de 9 % de la consommation de charbon par rapport à celle de l’affaire standard. Autres possibilités étudiées pour intégration de chaleur ont également examiné l’intégration interne et externe options19.

L’un des principaux problèmes du cycle CaL du point de vue économique est de fournir l’énergie nécessaire dans le concassé au moyen de la combustion de carburant20. Augmentation de la concentration d’oxygène dans l’inlet du concassé est proposé afin de réduire ou même éviter la nécessité de recycler2 CO pour le concassé. Cette solution permet de réduire les coûts en capital (taille réduite des unités de séparation concassé et de l’air (ASU)), qui peuvent d’améliorer sensiblement la compétitivité de ce processus. Le changement radical dans les conditions de combustion peut être obtenu en exploitant la réaction endothermique calcination et le grand CaO/CaCO3 flux circulant de l’appareil à eau gazeuse fonctionnant à des températures plus basses (ni avantage est disponible avec la technologie oxy-combustion).

Cet ouvrage vise à développer un mode opératoire normalisé pour faire fonctionner une usine pilote de CaL avec un saturateur à lit fluidisé circulant (CFB) et un concassé de propagation d’un lit fluidisé (BFB) avec une concentration de 100 % O2 à inlet du concassé. Plusieurs campagnes expérimentales ont été exécutés au cours de la mise en service de l’usine pilote à assurer le bon fonctionnement comme l’oxygène concentration a augmenté. En outre, trois distributions de taille de la particule de calcaire (100-200 µm, 200 à 300 µm, 300-400 µm) ont été étudiées pour étudier comment ce paramètre affecte l’élutriation des particules et capturer l’efficacité dans ce mode de fonctionnement.

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Protocol

1. préparation de matériel

  1. tamis le calcaire (~ 50 kg de matières premières) à la distribution granulométrique désiré (300-400 µm ou une autre distribution selon l’expérience) à l’aide d’un agitateur mécanique. Mettre le matériel tamisé dans des pots à côté du concassé d’alimentation durant le test.
  2. Préparer le matériel dans les lots destinés à être introduits dans le réacteur. Les lots sont généralement 0,5 L ou 1 L (1 L de calcaire est d’environ 1,5 kg), mais cela peut varier selon les paramètres de fonctionnement.

2. Procédure de démarrage

attention : des températures extrêmement élevées soient atteints ici. EPI adapté tel que des gants, lunettes, chaussures de sécurité et manteau de laboratoire sont nécessaires.

  1. Mise en température des réacteurs
    1. commencer le faible débit du N 2 dans l’appareil à eau gazeuse (60 L/min) et concassé (20 L/min) ainsi que de la boucle-joints d’étanchéité (10 L/min) les rotamètres.
    2. Allumez manuellement les transformateurs de l’appareil à eau gazeuse. Régler la température de tous les préchauffeurs électriques de l’appareil à eau gazeuse à 600 ° C.
    3. Commencent à acquérir des données (pour les températures et pressions, utilisez le bouton d’enregistrement dans le logiciel). Les données comprennent des températures, de pressions et de composition des gaz des deux réacteurs. Dans la Figure 1 et Figure 2, captures d’écran du système d’acquisition de données sont affichées.
    4. Allumez le concassé préchauffeurs de gaz. Allumez le chauffage autour du concassé et 600 ° C, mesurée à l’intérieur de la BFB via un thermocouple.
      NOTE : Données telles que la composition de la température, de pression et de gaz sont déjà acquis comme indiqué dans l’étape 2.1.3.
    5. Mettre 3 L du calcaire tamisé dans la BFB dans le concassé. Tout d’abord ouvrir la vanne supérieure, introduire la matière dans le bas-tuyau et fermer la vanne supérieure, puis ouvrez la vanne de fond afin que le matériau se jette dans le réacteur.
    6. Chauffer le matériau dans le BFB à plus de 650 ° C (par le chauffage électrique autour du concassé).
      NOTE : Cela prend habituellement environ 1 h, au cours de ce contrôle au moment de l’acquisition des données et des pressions dans les lits fluidisés.

Figure 1
figure 1 : capture d’écran d’acquisition de données de température et de pression pour les deux réacteurs. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
figure 2 : capture d’écran d’acquisition de données de température pour le système de préchauffage. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
figure 3 : schéma des 25 kW th CaL (saturateur BFC et concassé BFB). 1 : appareil à eau gazeuse ; 2 : concassé ; 3 : boucle-joint ; inférieur 4 : boucle-joint d’étanchéité supérieur ; 5 : cyclone d’appareil à eau gazeuse ; 6 : cyclone concassé. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. commencer la combustion en concassé
    1. augmenter la concentration d’oxygène dans le concassé de 0 à 40 % vol, en vous assurant que la concentration est stable avant de commencer la combustion.
    2. Amorcer l’écoulement stoechiométrique de gaz naturel manuellement à l’aide d’un rotamètre en vous assurant que la combustion est stable.
      Remarque : Le débit de gaz naturel devrait être augmenté avec précaution. Vérifier que les données montrent un niveau approprié de la réaction de combustion.
    3. Augmenter la concentration d’oxygène dans le concassé par incréments de 20 % vol en ajustant le rotamètre de débit de gaz naturel pour assurer une combustion stoechiométrique.
      Remarque : Ce processus doit être effectué avec un soin extrême. En cas de tout soupçon que la combustion ne se produit pas comme prévu dans les calculs préliminaires puis arrêter l’écoulement du gaz naturel et passer le débit d’oxygène à l’azote pour une exploitation sûre. Identifier la source de cet écart. La durée totale de ce processus est d’environ 1 h.
    4. Combustion du gaz naturel atteindre 100 % oxygène concentration.
      NOTE : Les données de composition de gaz et la température devraient être soigneusement suivies tout au long de tous les tests, mais surtout quand la combustion se déroule en 100 % oxygène.
    5. Ajouter calcaire par incréments de 0,5 L dans le lit fluidisé, il y a 7 L. Calcine tout le matériel dans le lit fluidisé du concassé (la température estimée calcination est 800-850 ° C pour le lot présent dans le haut et la température de concassé pour les lots suivants).
    6. Augmenter le débit du N 2 dans l’appareil à eau gazeuse pour démarrer la circulation. Vérifier la circulation vue port régulièrement afin de garantir une circulation appropriée.
    7. Calcine tous le calcaire disponible circulant dans le banc d’essai avant de démarrer la capture de 2 CO.

3. Stabilité d’opération

  1. basculer manuellement du gaz de carbonatation de N 2 à 15 % vol CO 2 à l’aide du rotamètre, qui permet le calcaire calciné commencer la capture de CO 2.
  2. Ajuste les débits dans le concassé manuellement en utilisant les rotamètres pour atteindre une température stable de 930-950 ° C dans le concassé en régulant le débit de gaz naturel (GN) et l’oxygène (dans le régime de fluidisation optimale). L’écoulement de 2 O est généralement de 100 % avec un matériau suffisamment, mais dans l’ensemble de l’expérience, il est ajusté.
  3. Lorsque le matériau commence à décliner en activité (au-dessus de 5 % CO 2 concentration à la sortie de l’appareil à eau gazeuse, qui est acquis en permanence par le logiciel comme indiqué au point 2.1.3), ajoutez la plus calcaire.

4. Arrêt procédure

  1. manuellement désactiver le flux de gaz naturel en utilisant le rotamètre et diminuer le débit d’oxygène et passer les gaz dans les deux réacteurs N 2. Éteindre tous les appareils de chauffage (concassé et saturateur).
  2. Que la température de l’inventaire de la plate-forme à diminuer (normalement pendant la nuit) et vider les réacteurs, quand ils sont à température ambiante.
  3. Peser les solides extraits et effectuer une analyse par tamisage standard. Caractériser le matériau : porosimétrie, composition (spectrométrie de fluorescence x, XRF) 21 , 22 et structure microscopique (microscopie électronique, SEM).

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Representative Results

Le montage expérimental est illustré à la Figure 3. L’usine comprend deux interconnectés fluidisé-lits. À savoir, l’appareil à eau gazeuse est un CFB avec hauteur de 4,3 m et 0,1 m de diamètre interne (ID) ; alors que le haut est un BFB avec 1,2 m de hauteur et 0,165 m ID. Le transport solide provenant d’un réacteur à l’autre est contrôlé par deux boucle-joints fluidisés avec de l’azote. Les deux réacteurs sont nourris avec un mélange de gaz par un tuyau de préchauffage, et les deux sont chauffés électriquement ; en outre, le concassé est alimenté au gaz naturel afin de produire, par combustion, la chaleur nécessaire pour la calcination endothermique et pour chauffer le sorbant de circulation. La plaque de distributeur appareil à eau gazeuse a 8 buses, chacun d’eux avec vingt des trous de 2 mm, tandis que le haut a 20 buses avec six trous de 1 mm.

Les résultats de trois expériences différentes sont discutés dans cette section. Ces tests fournissent une vue d’ensemble en ce qui concerne l’exécution de l’usine pilote de l’air (~ 20 % vol O2) à 100 % vol O2 à l’entrée de concassé. Ce travail explore également les résultats de l’utilisation de différentes granulométries en ce mode de fonctionnement pour voir si ce paramètre a un impact sur les performances globales du système. Le calcaire utilisé dans cette étude a une teneur minimale de 98,25 % CaCO3.

Expérience 1 : Gaz de combustion (15 % vol CO2) avec calcaire (200-300 µm) 30 % vol O2

Ce premier essai avec la fraction de calcaire 200-300 µm ont été effectués pour tester la plate-forme avec calcaire circulant entre les deux réacteurs au sein de la plate-forme comme point de départ pour l’optimisation des performances. Pendant cet essai, a été atteint un rendement de capture de 45 % (Figure 4). Cette efficacité de captage, Ecarb, a été calculée en utilisant la formule suivante23: où FCO2 soit le débit molaire de CO2 entrant dans l’appareil à eau gazeuse et Fcarb est le débit molaire de CO2 en laissant le appareil à eau gazeuse.

Equation 2(2)

Figure 4
Figure 4 : Concentration de CO2 à l’entrée de l’appareil à eau gazeuse et de sortie et de l’efficacité de captage (Ecarb) pour 200-300 µm calcaire avec 30 % O2. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

L’efficacité de captage inférieure pendant cette course expérimentale a été causée principalement par l’approvisionnement insuffisant en chaleur à calcine tout le calcaire qui résident dans la BFB. Cela entraîne une diminution du ratio CaO/CaCO3 dans l’alimentation de l’appareil à eau gazeuse. Une autre raison probable est la désactivation et le report des particules chaux depuis le haut, ce qui réduit l’inventaire total lit ainsi que le montant de sorbant présente dans le système. Après l’expérience, un bilan matières de l’inventaire du réacteur a été effectué (tableau 1). Une réorientation vers les plus petites fractions peut être observée, en raison de l’usure du matériel dans les deux lits fluidisés.

Fraction Calcaire dans Concassé + appareil à eau gazeuse Cyclone concassé Appareil à eau gazeuse cyclone
Masse totale (g) 9100 5000 500 20
250-300 µm 22 % 24 % 2 % 0 %
212-250 µm 47 % 41 % 6 % 18 %
212-150 µm 28 % 34 % 24 % 18 %
0-150 µm 3 % 1 % 69 % 65 %

Tableau 1 : Poids balance des intrants et des extrants pour 200-300 µm calcaire avec 30 % O2.

Expérience 2 : Gaz de combustion (15 % CO2) avec calcaire (100 à 200 µm) 100 % O2

Dans ce test, l’objectif principal était d’utiliser des plus petites particules de calcaire afin d’enquêter sur leur possible effet bénéfique sur les performances du système. L’objectif secondaire était de fournir plus de chaleur pour le processus de calcination dans le concassé BFB par combustion du gaz naturel en hautement concentré oxygène, idéalement jusqu'à 100 % à l’entrée.

Dans cette expérience, nous avons testé avec succès la possibilité d’utiliser pure O2 à l’entrée de la concassé, qui offre la possibilité d’éliminer complètement le recyclage des gaz nécessaire pour un processus d’oxy-carburant standard. Ceci est rendu possible par la consommation de chaleur sous la forme d’un matériau à lit fluidisé circulant et la réaction de calcination continue.

L’utilisation des particules plus petites n’un effet bénéfique sur le processus de carbonatation, probablement en raison de la surface de contact plus élevée entre les particules et le gaz. Cependant, il y a une certaine controverse dans cette affaire que les particules plus petites ont montré une diminution de réactivité en raison de la teneur plus élevée en impuretés24. Presque tout le calcaire supplémentaire qui a été < 150 µm était très rapidement décanté du concassé au cyclone en aval. Par conséquent, il était très difficile de maintenir l’inventaire nécessaire de la chaux dans le banc d’essai nécessaire pour atteindre une plus grande efficacité de capture. Les résultats de l’efficacité de captage sont dans la Figure 5.

Figure 5
Figure 5 : concentration de CO2 à l’entrée de l’appareil à eau gazeuse et de sortie et de l’efficacité de captage (Ecarb) correspondant pour 100 à 200 µm calcaire avec 100 % O2. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Le solde des entrées et sorties des solides ont été effectués après le test (tableau 2), et on a découvert que la plupart des tmatériel qu’il introduit dans le banc d’essai pendant l’expérience a fini dans le cyclone de concassé. C’était probablement la principale cause de l’efficacité de captage mesuré faible pendant ce test.

Fraction Pierre à chaux Appareil à eau gazeuse Concassé Concassé de cyclone Appareil à eau gazeuse cyclone
Masse totale (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 à 63 µm 2 % 0 % 0 % 3 % 1 %

Tableau 2 : Solde des matières récupérées et son analyse par tamisage pour 100 à 200 µm calcaire avec 100 % O2.

Pour conclure, nous avons testé avec succès l’utilisation de pur O2 à l’entrée de la concassé afin d’éliminer complètement la corbeille de l’effluent gazeux nécessaire à un processus d’oxy-carburant standard. Ceci est possible en raison du dissipateur de chaleur fourni sous la forme du matériau du lit fluidisé et la réaction de calcination continue en circulation. Toutefois, la distribution granulométrique petite (100 à 200 µm) n’était pas bénéfique pour le processus de capture, en raison de l’élutriation des particules. Il était extrêmement difficile de maintenir l’inventaire de lit requise pour obtenir une plus grande efficacité de capture. Par conséquent, nous avons décidé d’enquêter sur l’utilisation de plus grandes particules dans la prochaine campagne expérimentale.

Expérience 3 : Gaz de combustion (15 % CO2) avec calcaire (300-400 µm) 100 % O2

Au cours de cet essai, la performance de la fraction de 300-400 µm a été testée afin de réduire les pertes matérielles hautes du lit fluidisé de la haut comme on le voit dans les séries précédentes. Cela devait permettre le maintien de l’inventaire de chaux/calcaire nécessaires permettant sa capture efficace de la circulation et du carbone. En raison de l’utilisation d’une quantité appropriée de sorbant circulant dans le gréement et suffisamment de chaleur fournie par la combustion du gaz naturel dans l’oxygène pur (libération de 18 kW), une efficacité de captage stable de ~ 70 % a été atteint pendant plus de 3 h ; Il s’agit d’un très bon résultat si l'on considère le tube du réacteur saturateur relativement courte et le temps de contact court conséquent entre l’adsorbant et CO2. La concentration de CO2 à la sortie de l’appareil à eau gazeuse a été maintenue en dessous de 5 % vol, et calcaire frais (par lots de 0,5 L) a été ajouté à la concassé lorsque la concentration de CO2 à la sortie de l’appareil à eau gazeuse dépasse cette valeur. Une course expérimentale d’écurie a été réalisée avec des conditions optimisées.

Le processus a commencé avec la procédure standard ; c'est-à-dire, premier réacteur a été chauffé jusqu'à 700 ° C, puis 2,9 L de calcaire a été ajouté dans le concassé et chauffera. Les températures et les concentrations de gaz dans le concassé sont indiquées à la Figure 6. Notez que les numéros suivants correspondent à ces étapes à la Figure 6. 1) le flux d’air a été remplacé par un mélange de flux de 40 % d’O2 et 60 % N2 et la combustion du gaz naturel dans le lit fluidisé a été initiée (9,1 kW). Le calcaire dans le lit fluidisé est chauffé au-dessus de 800 ° C et 3 lots plus de calcaire (1 L) ont été ajoutés à la concassé. 2) tandis que le calcaire a été calcination dans le lit fluidisé, la circulation de la chaux/calcaire a été démarrée par fluide préchauffé N2 par le biais de l’appareil à eau gazeuse (à une vitesse de 2,5 m/s à 650 ° C). Un 0,9 supplémentaires calcaire L a été ajouté et 3) une bouteille de2 O frais était connectée à l’entrée de la concassé. Une reconnexion après 4), l’oxygène, la combustion a été lancée à nouveau, cette fois dans une concentration de2 entrée O de 70 % (et 30 % N2), qui a conduit à une consommation de 14 kW de gaz naturel pour atteindre une concentration de2 O à la sortie de ~ 5 % (en gaz humide). 5) O pure2 a été présenté à l’entrée du haut, qui a conduit à la libération de chaleur de 18 kW dans le haut et 6) la carbonatation a été lancée dans l’appareil à eau gazeuse par injection 15 % de CO2. L’efficacité de la carbonatation (Figure 7) a été la plus forte encore sur cette conception de réacteur (~ 70 %). 7) la vitesse des gaz qui coule à travers la BFB du concassé devait être abaissé à 0,30 m/s (requis par la température souhaitée) pour maintenir la température de environ 930 ° C générée par la combustion du gaz naturel en pur O2 (tout en conservant la concentration d’O2 dans le gaz à un niveau acceptable industriellement sous 5 % vol).

Figure 6
Figure 6 : température de la BFB le concassé et la température et la composition de l’effluent gazeux à sa sortie. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

La température dans le lit fluidisé est maintenue constante pendant l’essai de réguler le débit du gaz naturel et consécutivement de réglage du débit d’O2 pour atteindre une vitesse de concassé de ~0.30 m/s. Pendant l’opération constante, a observé l’équilibre énergétique suivant : dans le haut, l’oxygène a été préchauffé à 300 ° C seulement pour des raisons de sécurité ; offrant ainsi, 0,5 kW de chaleur latente. Environ 15,5 kW a été libéré par la combustion du gaz naturel dans le lit fluidisé, mais seulement 5,3 kW était nécessaire pour une calcination continue (lorsque aucune matière fraîche a été ajouté), 3,6 kW pour couvrir la chaleur latente de l’effluent gazeux et ~ 7 kW pour le chauffage de la circulation adsorbant et t o couvrir les pertes de chaleur. Dans l’appareil à eau gazeuse, 3.2 kW a été fourni par préchauffage du gaz (à350 ° C) et 5,4 kW a été libéré par le processus de carbonatation. Presque 5 kW s’est déroulée hors de l’appareil à eau gazeuse que la chaleur latente de l’effluent gazeux et 3,6 kW devait être dissipée par les pertes de chaleur pour couvrir la chaleur dégagée par la réaction exothermique tout en maintenant la température à 650 ° C. Lorsque le processus de carbonatation commence (et efficace), la température dans l’appareil à eau gazeuse approche 700 ° C, ce qui déplace la concentration possible équilibre thermodynamique du gaz sortie vers des valeurs plus élevées. Cette concentration minimale théorique, dépendante de la température de l’appareil à eau gazeuse, est représentée aux côtés de la concentration mesurée pendant l’essai à la Figure 7.

~6.7 L de calcaire présent dans l’appareil de forage a été lancé le processus de carbonatation. Un L 0,54 supplémentaire au début de la carbonatation (13:45 dans la Figure 7) a provoqué la diminution de résiduel de CO2 dans les gaz inférieure à 5 % vol, et ce niveau a été maintenu tout au long de l’épreuve par l’addition de 0,5 L calcaire lots (lorsque la concentration de CO2 à la sortie de l’appareil à eau gazeuse a dépassé 5 %). Les intervalles de temps entre les ajouts de calcaire frais pour le concassé ont 15, 20, 50, 45 et 50 min. Par conséquent, nous avons conclu qu’une opération stable nécessite l’ajout de frais sorbant correspondant à 0,5 L (750 g) de calcaire environ chaque 50 min, ce qui équivaut à un ratio de maquillage (F0/fCO2) de 6 %, comme indiqué ailleurs25 . Le ratio de maquillage dans ces expériences a été principalement influencé par le calcaire (décomposition de réactivité et élutriation). La valeur de ce paramètre a été choisi basé sur la concentration de CO2 à la sortie de l’appareil à eau gazeuse, c'est-à-direl’ajout calcaire plus lorsqu’il atteint un volume de 5 % CO2.

Basée sur l’analyse par tamisage, nous concluons que la fraction de calcaire original a été retenue pour la plupart dans la circulation de la plate-forme, tandis que les particules surtout < 250 µm ont été reportés au cyclone concassé. Ces particules s’explique principalement par la rupture/usure des particules plus grosses.

Fraction Calcaire dans Appareil à eau gazeuse Concassé Concassé de cyclone Appareil à eau gazeuse cyclone
Masse totale (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 %
212-150 µm 0 % 3 % 1 % 15g 14 %
63-150 µm 0 % 5 % 0 % 41 % 46 %
0 à 63 µm 0 % 0 % 0 % 12 % 38 %

Tableau 3 : Équilibre des solides de masse et analyse des intrants (calcaire) et des sorties (autres) pour 300-400 µm calcaire avec 100 % O2par tamisage.

Fraction Calcaire dans Appareil à eau gazeuse Concassé Concassé de cyclone Appareil à eau gazeuse cyclone Différence (-en)
Total 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
212-150 µm 0 1 1 11 0 13
63-150 µm 0 2 0 13 1 16
0 à 63 µm 1 0 0 4 1 4.1

Tableau 4 : Estimation équilibre molaire (10 % d’humidité du calcaire brut, 75 % en poids de la production dans l’État calciné) pour 300-400 µm calcaire avec 100 % O2.

Figure 7
Figure 7 : CO2 concentration à l’entrée de l’appareil à eau gazeuse et de sortie et de l’efficacité de captage (Ecarb) correspondant pour 300-400 µm calcaire avec 100 % O2.  S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

L’opération de la concassé avec une entrée d’oxygène vol 100 % est réalisable, basée sur l’exploitation de la nature endothermique de la réaction de calcination, mais aussi le fait que les solides de circulent entre les deux réacteurs à différentes températures. Ce mode de fonctionnement vise à rendre le processus de CaL économiquement plus prometteur par réduction de capital et coûts d’exploitation. Comme le recyclage des fumées gaz (principalement CO2, vapeur d’eau et n’ayant pas réagi O2) est réduite ou même supprimée, la chaleur consommée pour réchauffer ce flux est plus faible. Par conséquent, moins d’oxygène est nécessaire et il faudrait un plus petit ASU. Comme le débit de gaz serait plus faible dans cette configuration, la taille de la concassé serait moindre pour la même vitesse de fluidisation.

Une méthodologie standard a été développée afin d’assurer l’exploitation sûre de la concentration élevée en oxygène dans le concassé. Les résultats ont montré une efficacité de captage jusqu'à 70 % dans certaines des expériences effectuées. En outre, granulométries différentes ont été utilisées dans cette configuration de réacteur (appareil à eau gazeuse comme une BFC ; concassé comme un BFB). Les distributions ont été : 100 à 200 µm ; 200-300 µm ; 300-400 µm. Pour la plus petite distribution (100 à 200 µm), cependant, il y avait des problèmes d’élutriation et la majorité de l’inventaire de lit a été trouvée dans cyclone-cuve du haut de récupération. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec la plus grande distribution granulométrique (300-400 µm) : un Ecarb de ~ 70 % a été maintenue tout au long de l’expérience avec un ratio de maquillage d’environ 6 %.

Ce protocole a été amélioré en réduisant au minimum le chauffage électrique fourni au gaz et concassé lorsque le gaz naturel est brûlé, afin de protéger les tubes de décharges électriques causés par les éléments chauffants. En outre, il a été noté que l’augmentation de concentration de2 O peut être atteints plus rapidement que dans initial des campagnes expérimentales, de vol de 20 % à 60 % vol et 100 % vol. Il est important de souligner que les étapes plus critiques dans ce processus sont le début de la combustion et l’augmentation de la concentration en oxygène, qui peut provoquer une augmentation des températures qui s’éteint de la source de gaz naturel si la température est supérieure à 980 ° C. En outre, la composition matérielle est une préoccupation qu’il peut abaisser la température du réacteur et arrêter le processus de combustion, et par conséquent, il convient d’ajouter par petites quantités.

Avec cette méthodologie appliquée à cette plate-forme expérimentale, il est possible de tester de nouveaux matériaux synthétiques, aussi bien comme matériaux amélioré par le dopage, avant le traitement thermique, prétraitement chimique, etc.26 ce protocole permet à ces nouveaux absorbants à tester dans des conditions réalistes, prévoyant une méthodologie standard de comparaison de l’adsorbant. Cependant, il y a quelques difficultés lors de l’application de ce concept à plus grande échelle, telles que l’utilisation du charbon dans le concassé dans ces conditions de fonctionnement. L’utilisation des combustibles solides augmenterait la difficulté de l’opération de concassé en raison des températures élevées, qui peut conduire à l’agglomération de cendres et finalement defluidizing phénomènes27. Il faut étudier davantage afin de déterminer la faisabilité du présent protocole ; Cependant, le concept a été couronnée de succès à échelle pilote dans ce travail à l’aide de gaz naturel.

Une autre limitation découlant de cette étude est la durée des essais, avec environ 3 h de fonctionnement stabilisé par test ; C’est en raison du processus de chauffage de l’usine, qui est un processus lent. On ne connaît pas le nombre moyen de cycles de carbonatation/calcination expérimentés par une particule lorsque circulant entre les réacteurs. Il est possible que la concentration élevée d’oxygène a un effet négatif, causant plus de frittage dans les particules de calcaire. Une enquête plus poussée de ces défis aiderait à évaluer la pertinence du protocole comme un roman et un mode de fonctionnement possible pour les plantes de la CaL à l’échelle supérieure.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

La recherche ayant abouti à ces résultats a reçu un financement du Fonds de recherche de la Communauté européenne du charbon et acier (RFC) sous accorde le contrat n ° Convention RFCR-CT-2014-00007. Ce travail a été financé par le UK Carbon Capture et le stockage Research Centre (UKCCSRC) dans le cadre de projets Call 2. UKCCSRC est pris en charge par le génie et Physical Sciences Research Council (EPSRC) dans le cadre du Programme d’énergie du Research Council UK, avec un financement complémentaire du ministère de l’entreprise, l’énergie et stratégie industrielle (BEIS - anciennement DECC). Les auteurs tiens également à remercier M. Martin Roskilly pour son aide précieuse tout au long de ce travail.

Materials

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

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Environnement/développement durable numéro 128 bouclage de Calcium expériences de l’usine pilote CO2 capture procédure opérationnelle calcination de l’oxycombustion l’efficacité de captage.
Exploitation d’un 25 KW<sub>e</sub> Calcium bouclage pilote avec des Concentrations d’oxygène élevé dans le concassé
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Erans, M., Jeremias, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Operation of a 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant with High Oxygen Concentrations in the Calciner. J. Vis. Exp. (128), e56112, doi:10.3791/56112 (2017).

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