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Operación de una 25 KWth calcio bucle-planta piloto con altas concentraciones de oxígeno en el calcinador

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

Summary

Este manuscrito describe un procedimiento para el funcionamiento de un bucle de la planta piloto de captura de carbono de la combustión con altas concentraciones de oxígeno en el horno de calcinación con el fin de reducir o eliminar el reciclaje del gas de chimenea de calcio.

Abstract

Calcio (CaL) de bucle es una tecnología de captura de2 de CO de postcombustión que es conveniente para la reconversión de las centrales existentes. El proceso de CaL utiliza caliza como un barato y fácilmente disponible CO2 absorbente. Mientras que la tecnología ha sido ampliamente estudiada, hay algunas opciones disponibles que podrían aplicarse para que sea más rentable. Una de ellas es aumentar la concentración de oxígeno en el calcinador para reducir o eliminar la cantidad de gas reciclado (CO2, H2O y las impurezas); por lo tanto, disminuyendo o eliminando la energía necesaria para calentar la corriente de gas reciclado. Por otra parte, hay un aumento en el aporte de energía debido al cambio en la intensidad de la combustión; esta energía se utiliza para permitir la reacción de calcinación endotérmico ocurrir en la ausencia de gases de escape reciclados. Se presenta la operación y primeros resultados de una planta piloto de CaL con la combustión de oxígeno de 100% de gas natural en el calcinador. El gas que entra en el carbonatador fue un humo simulado de una central eléctrica con carbón o la industria del cemento. Varias distribuciones de tamaño de partículas de piedra caliza también se prueban para explorar el efecto de este parámetro sobre el desempeño general de este modo de funcionamiento. La configuración del sistema del reactor, los procedimientos de operación y los resultados se describen en detalle en este documento. El reactor mostró buena estabilidad hidrodinámica y estable CO2 captura, con eficiencias de captura de hasta un 70% con una mezcla de gas que simula el humo de una planta de energía de carbón.

Introduction

Las emisiones de CO2 y el consiguiente calentamiento global son temas ambientales críticos que han atraído una gran cantidad de investigación en los últimos años. Captura de carbono y almacenamiento (CCS) ha sido reconocida como una tecnología potencial para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera1,2. La parte más difícil de la cadena de CCS es la captura de CO2, que es también la más costosa etapa3. En consecuencia, ha habido un enfoque en el desarrollo de nuevas tecnologías para la captura de CO2 de las centrales eléctricas y otras instalaciones industriales.

CaL como una tecnología de captura de postcombustión CO2 , primero fue propuesto por Shimizu et al. 4 CO2 es capturado por un CaO base solvente en 600-700 ° C en un reactor de llama un carbonatador y lanzado por calcinación posterior a 850-950 ° C (en un horno de calcinación) según la ecuación (1), para producir un flujo de alta pureza CO2 conveniente para la captura de5,6. El ciclo de la CaL utiliza lechos fluidizados, que representan una configuración óptima para este proceso, ya que permiten grandes cantidades de sólidos que se pueda circular fácilmente de un reactor a los otros4,5,6 , 7 , 8.

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

Este concepto ha sido demostrado a escala piloto por diversos grupos y con diferentes configuraciones y escalas, como el piloto 0,2 MWth Stuttgart, el 1 piloto MWth Darmstad, el piloto MWth 1,7 en La Pereda y el 1,9 MWth en Taiwán9,10,11,12,13,14,15,16. Aunque este proceso ha sido comprobado, todavía hay posibilidades para aumentar su eficiencia térmica, como por ejemplo mediante la modificación de las condiciones de funcionamiento estándar y cambios en el diseño de la configuración de reactor.

Se ha estudiado el uso de pipas de calor entre la cámara de combustión y calcinación en vez de combustible de oxi-combustión en el calcinador. Los resultados obtenidos para el rendimiento de captura de CO2 son comparables con los de una piloto-planta de CaL convencional, sin embargo, este proceso tiene una mayor eficiencia de la planta y menor CO2 evitación cuesta17. Martínez et al. 18 investiga las posibilidades de integración de calor para precalentar el material sólido en el calcinador y reducir el calor necesario en el calcinador. Los resultados demostraron reducción del 9% en el consumo de carbón en comparación con la de la caja estándar. Otros estudiaron posibilidades de integración de calor también han considerado la integración interna y externa opciones19.

Uno de los principales problemas del ciclo de la CaL desde el punto de vista económico es suministrar la energía necesaria en el calcinador por medio de la combustión de combustible20. Aumento de la concentración de oxígeno en la entrada del calcinador se propone con el fin de reducir o incluso evitar la necesidad de reciclaje de CO2 en el calcinador. Esta alternativa reduce los costes de capital (tamaño reducido de unidades de separación de calcinador y aire (ASU)), que pueden mejorar significativamente la competitividad de este proceso. El cambio drástico en las condiciones de combustión puede ser logrado mediante la explotación de la reacción endotérmica de la calcinación y el gran CaO/CaCO3 flujo circular de la carbonatación operan a temperaturas más bajas (ni ventaja está disponible con la tecnología de oxicombustión).

Este trabajo pretende desarrollar un procedimiento de funcionamiento de estándar para el funcionamiento de una planta piloto de CaL con una carbonatación cama de fluidizado circulante (CFB) y un calcinador de cama de estrato fluidificado burbujeante (BFB) con concentración de 100% O2 en la entrada de los calcinadores. Han realizado varias campañas experimentales durante la puesta en marcha de la planta piloto para asegurar el funcionamiento correcto como el oxígeno concentración aumentado. También, distribución de tamaño de partículas de tres piedra caliza (100-200 μm, 200-300 μm, 300-400 μm) fueron estudiados para investigar cómo este parámetro afecta la elutriación de partículas y captura de eficiencia en este modo de funcionamiento.

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Protocol

1. preparación de material

  1. tamiz la piedra caliza (~ 50 kg de materia prima) para la distribución de tamaño de partícula deseado (300-400 μm u otra distribución según el experimento) utilizando un agitador mecánico. Ponga el material tamizado en macetas al lado del calcinador para alimentar durante la prueba
  2. Preparar el material en lotes para ser introducido en el reactor. Los lotes son generalmente 0.5 L o 1 L (1 L de la piedra caliza es aproximadamente 1,5 kg), pero esto puede variar dependiendo de los parámetros de funcionamiento.

2. Procedimiento de arranque

PRECAUCIÓN: temperaturas extremadamente altas se consiguen aquí. PPE adecuado como guantes, gafas, zapatos de seguridad y abrigo de laboratorio son necesarios.

  1. Calentamiento de reactores
    1. comenzar el bajo flujo de N 2 en el carbonatador (60 L/min) y el horno de calcinación (20 L/min) así como los sellos de bucle (10 L/min) en los rotámetros.
    2. Encienda manualmente los transformadores de carbonatación. Ajuste la temperatura de los precalentadores eléctricos de la carbonatación a 600 ° C.
    3. Inicio de adquisición de datos (para las presiones y temperaturas del gas, utilizar el botón de grabación en el software). Los datos incluyen temperaturas, presión y composición del gas de ambos reactores. En la figura 1 y figura 2, se muestran imágenes del sistema de adquisición de datos.
      4. Precalentadores de gas
    4. vuelta en el calcinador. Encender el calefactor en el horno de calcinación a 600 ° C medida en la CBA a través de un termopar.
      Nota: Datos como temperatura, presión y gas de composición ya son absorbidas como se indica en el paso 2.1.3.
    5. Poner 3 L de la piedra caliza tamizada en el BFB en el calcinador. Abrir la válvula superior, introducir el material en el tubo de abajo y cierre la válvula superior, primero abra la válvula inferior para que el material fluye en el reactor.
    6. De calor el material en el BFB a más de 650 ° C (por el calentador eléctrico en el calcinador).
      Nota: Esto suele h ~ 1, durante este tiempo la adquisición de datos y las presiones en los lechos fluidizados.

Figure 1
figura 1: captura de pantalla de adquisición de datos de temperatura y presión para dos reactores de. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
figura 2: captura de pantalla de adquisición de datos de temperatura para el sistema de precalentamiento de. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
figura 3: esquema de los 25 kW th CaL (carbonatador CFB y calcinador BFB). 1: carbonatación; 2: horno de calcinación; 3: inferior Sello de lazo; 4: sello de bucle superior; 5: ciclón de carbonatación; 6: ciclón calcinador. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. iniciar la combustión en el calcinador
    1. aumentar la concentración de oxígeno en el calcinador de 0 a 40% vol, asegurándose de que la concentración esté estable antes de iniciar la combustión.
    2. Iniciar el flujo estequiométrico de gas manualmente mediante un rotámetro asegurándose de que la combustión es estable.
      Nota: El flujo de gas natural debe aumentarse cuidadosamente. Compruebe que los datos muestran un nivel adecuado de la reacción de combustión.
    3. Aumentar la concentración de oxígeno en el calcinador en incrementos de 20% vol ajustando el rotámetro de caudal de gas natural para asegurar la combustión estequiométrica.
      Nota: Este proceso debe realizarse con extremo cuidado. Si cualquier sospecha surge que la combustión no ocurre como se esperaba desde los cálculos preliminares luego detener el flujo de gas natural y cambiar el flujo de oxígeno al nitrógeno para una operación segura. Identificar la fuente de esta discrepancia. La duración total de este proceso es de aproximadamente 1 h.
    4. Combustión de gas natural de lograr 100% oxígeno concentración.
      Nota: Los datos de composición de gas y la temperatura deben ser seguidos cuidadosamente a lo largo de todas las pruebas, pero sobre todo cuando la combustión tiene lugar en oxígeno al 100%.
    5. Agregar piedra caliza en incrementos de 0,5 L hasta 7 L en el lecho fluidizado. Calcinar todo el material en el lecho fluidizado del calcinador (la temperatura de calcinación Estimado es 800-850 ° C para el lote de que se presente en el horno de calcinación y la temperatura de calcinación de los lotes siguientes).
    6. Incrementar el flujo de N 2 en el carbonatador para iniciar la circulación. Compruebe el puerto de vista de la circulación regularmente para asegurar la adecuada circulación.
    7. Calcinar toda la caliza disponible circulando en la plataforma antes de iniciar la captura de CO 2.

3. Operación estable

  1. manualmente cambiar el gas de la carbonatación de N 2 a 15% vol. CO 2 con el rotámetro, que permite que la piedra caliza calcinada a comenzar la captura de CO 2.
  2. Ajustar los flujos en el calcinador manualmente usando los medidores de caudal para lograr una temperatura estable de 930-950 ° C en el calcinador regulando el flujo de gas natural (GN) y oxígeno (dentro del régimen óptimo de fluidificación). El flujo de O 2 es generalmente 100% con suficiente material de la cama, pero se ajusta durante todo el experimento.
  3. Cuando el material comienza a declinar en la actividad (por encima de 5% CO 2 concentración a la salida de la carbonatación, que es adquirido continuamente por el software como se describe en el paso 2.1.3), añadir piedra caliza más.

4. Procedimiento de cierre

  1. manualmente apagar el flujo de gas natural con el rotámetro y disminuir el flujo de oxígeno y cambiar los gases en ambos reactores a N 2. Apague todos los calentadores (calcinador y carbonatación).
  2. Permitir que la temperatura del inventario de la plataforma para disminuir (normalmente durante la noche) y vaciar los reactores cuando están a temperatura ambiente.
  3. Pesar los sólidos extraídos y realizar un análisis de tamiz estándar. Caracterizar el material: porosimetría, composición (espectrometría de fluorescencia de rayos x, XRF) 21 , 22 y estructura microscópica (microscopía electrónica, SEM).

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Representative Results

El montaje experimental se muestra en la figura 3. La planta está compuesta por dos interconectados fluidizado-camas. Es decir, la carbonatación es un CFB con altura de 4,3 m y 0,1 m de diámetro interno (ID); mientras que el calcinador es un BFB con 1,2 m de altura y 0,165 m ID. El transporte sólido de un reactor a otro es controlado por dos sellos de bucle de estrato fluidificados con nitrógeno. Ambos reactores son alimentadas con una mezcla de gas a través de una línea de precalentamiento, y ambos se calientan eléctricamente; por otra parte, el calcinador se alimenta con gas natural para producir por combustión el calor necesario para la calcinación endotérmica y la circulación absorbente de calor. La placa del distribuidor de carbonatación tiene 8 inyectores, cada uno de ellos con veinte agujeros de 2 mm, mientras que el calcinador tiene 20 boquillas con seis orificios de 1 mm.

En esta sección se discuten los resultados de tres experimentos diferentes. Estas pruebas proporcionan una visión general con respecto al funcionamiento de la planta piloto del aire (~ 20% vol O2) a 100% vol O2 en la entrada del horno de calcinación. Este trabajo explora también los resultados del uso de distribuciones de tamaño de partícula diferente en este modo operativo para ver si este parámetro tiene un impacto en el rendimiento general del sistema. La piedra caliza utilizada en este estudio tiene un contenido mínimo de 98.25% CaCO3.

Experimento 1: Humo (15% vol. CO2) con 30% vol O de piedra caliza (200-300 μm)2

Esta primera prueba con la fracción de la piedra caliza 200-300 μm fue realizado para probar la plataforma de piedra caliza que circula entre los dos reactores dentro de la plataforma como punto de partida para la optimización del rendimiento. Durante esta prueba, se logró una eficiencia de captura de 45% (figura 4). Esta eficiencia de captura, Ecarbohidratos, se calculó mediante la siguiente fórmula23: donde F elCO2 es el caudal molar de CO2 en el carbonatador y Fcarb es el caudal molar de CO2 dejando el carbonatador.

Equation 2(2)

Figure 4
Figura 4: concentración de CO2 en la entrada de la carbonatación y salida y la eficiencia de captura (Ecarb) para 200-300 μm caliza con 30% O2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La eficiencia de captura inferior durante esta corrida experimental fue causada principalmente por el insuficiente suministro de calor a calcinar toda la piedra caliza que residen en el BFB. Esto causó una disminución de la proporción de CaO/CaCO3 en la alimentación de la carbonatación. Otra razón probable fue la desactivación y el arrastre de las partículas de cal de los calcinadores, que redujo el inventario total de la cama y la cantidad de solvente presente en el sistema. Después del experimento, se realizó un balance de materiales del inventario del reactor (cuadro 1). Puede observarse un cambio hacia fracciones más pequeñas, debido al desgaste del material en ambos lechos fluidizados.

Fracción Piedra caliza en Calcinador + carbonatación Calcinador por gas en ciclón Carbonatador de ciclón
Masa total (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%

Tabla 1: Peso de balance de las entradas de material y salidas de 200-300 μm caliza con 30% O2.

Experimento 2: Humo (15% CO2) con piedra caliza (100-200 μm) 100% O2

En esta prueba, el objetivo principal fue el uso de pequeñas partículas de piedra caliza para investigar su posible efecto beneficioso sobre el rendimiento del sistema. El objetivo secundario fue proporcionar más calor para el proceso de calcinación en el calcinador BFB por combustión del gas natural en altamente concentrado oxígeno, idealmente hasta el 100% en la entrada.

En este experimento, hemos probado con éxito la posibilidad de utilizar puro O2 en la entrada del calcinador, que ofrece la posibilidad de eliminar totalmente el reciclaje de gas necesario para un proceso estándar de oxy-combustible. Esto es hecha posible por el consumo de calor en forma de un material de lecho fluidizado circulante y la reacción de calcinación continua.

El uso de las partículas más pequeñas no tenía un efecto beneficioso sobre el proceso de carbonatación, probablemente debido al mayor área de contacto entre las partículas y el gas. Sin embargo, existe cierta controversia en este asunto como las partículas más pequeñas han demostrado reactividad disminuida debido al mayor contenido de impurezas24. Casi todos la caliza agregada que < 150 μm se elutriated muy rápidamente desde el calcinador para el ciclón río abajo. Por lo tanto, era muy difícil mantener el inventario necesario de cal en la plataforma necesaria para lograr una mayor eficiencia de captura. Los resultados de la eficiencia de captura están en la figura 5.

Figure 5
Figura 5: concentración de CO2 en la entrada de la carbonatación y salida y la eficiencia de captura correspondiente (Ecarb) para 100-200 μm caliza con 100% O2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El balance de las entradas y salidas de los sólidos fue realizadas después de la prueba (tabla 2), y se descubrió que la mayoría de tmaterial de introducido en la plataforma durante el experimento terminó en el ciclón del calcinador. Esto fue probablemente la causa principal de la eficiencia de captura medido bajo durante esta prueba.

Fracción Piedra caliza Carbonatador Horno de calcinación Calcinador por gas en ciclón Carbonatador de ciclón
Masa total (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%

Tabla 2: Balance de material recuperado y su análisis de tamiz de 100-200 μm caliza con 100% O2.

Para concluir, hemos probado con éxito el uso de puro O2 en la entrada del calcinador para eliminar por completo el reciclaje de los gases necesarios para un proceso estándar del oxy-combustible. Esto es posible debido al disipador de calor en la forma de distribuir material de lecho fluidizado y la reacción de calcinación continua. Sin embargo, la distribución de tamaño de partícula pequeña (100-200 μm) no fue beneficiosa para el proceso de captura, debido a la elutriación de las partículas. Fue extremadamente difícil de mantener el inventario de cama necesario para obtener una mayor eficiencia de captura. Por lo tanto, decidimos investigar el uso de partículas más grandes en la próxima campaña experimental.

Experimento 3: Humo (15% CO2) con piedra caliza (300-400 μm) 100% O2

Durante este ensayo, se ha probado el rendimiento de la fracción 300-400 μm para reducir las altas pérdidas de material de lecho fluidizado del calcinador como visto en carreras anteriores. Esto se esperaba para retención del inventario necesario cal/piedra caliza necesario para su eficiente circulación y carbono captura. Debido al uso de una cantidad apropiada de solvente en circulación en la plataforma y suficiente calor proporcionado por la combustión de gas natural en oxígeno puro (liberar a 18 kW), una eficiencia de captura estable de ~ 70% fue alcanzado por más de 3 h; Este es un muy buen resultado cuando se considera el tubo del reactor de carbonatación relativamente corto y el consiguiente poco tiempo de contacto entre el adsorbente y el CO2. La concentración de CO2 a la salida de la carbonatación se mantuvo por debajo de 5% vol, y piedra caliza fresca (en tandas de 0,5 L) fue agregada a la calcinación cuando la concentración de CO2 a la salida de la carbonatación supera este valor. Se logró un funcionamiento experimental del establo con condiciones optimizadas.

El proceso empezó con el procedimiento estándar; es decir, primero el reactor se calentó hasta 700 ° C, a continuación, 2,9 L de piedra caliza fue añadido en el calcinador y calentado para arriba. En la figura 6se muestran las temperaturas y las concentraciones de gases en el calcinador. Tenga en cuenta que los números siguientes corresponden a los pasos en la figura 6. 1) el flujo de aire fue reemplazado por una mezcla de flujo de 40% O2 y 60% N2 , y se inició la combustión de gas natural en el lecho fluidizado (9.1 kW). La piedra caliza en el lecho fluidizado se calienta por encima de 800 ° C y 3 lotes mas de piedra caliza (1 L) se agregaron el calcinador. 2) mientras que la piedra caliza se calcina en el lecho fluidizado, la circulación de la cal/piedra caliza fue iniciada por flujo precalentado N2 a través de la carbonatación (a una velocidad de 2,5 m/s a 650 ° C). Un 0.9 adicional fue agregada piedra caliza L y 3) un cilindro de2 fresco O fue conectado a la entrada del calcinador. 4) despues volver a conectar el oxígeno, la combustión se inició otra vez, esta vez en una entrada O2 la concentración de 70% y 30% N2, que condujo a un consumo de 14 kW de gas natural hasta alcanzar una concentración de O2 en la salida de ~ 5% (en gas húmedo). 5) pura O2 fue introducido en la entrada del horno de calcinación, que condujo a la liberación de calor de 18 kW en el calcinador y 6) la carbonatación se inició en el carbonatador por inyección el 15% de CO2. La eficiencia de la carbonatación (figura 7) fue el más alto todavía en este diseño de reactor (~ 70%). 7) la velocidad del gas que fluye a través de la BFB del calcinador tuvo que reducirse a 0,30 m/seg (requerido por la temperatura) para mantener la temperatura de 930 ° C cerca de generados por la combustión de gas natural en pure O2 (manteniendo la concentración de O2 en el gas a un nivel industrial aceptable por debajo de 5% vol).

Figure 6
Figura 6: temperatura de la CBA de la calcinación y la temperatura y composición de los gases en su salida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La temperatura en el lecho fluidizado se mantuvo constante durante la prueba regulando el caudal de gas natural y consecutivamente ajustando el caudal de O2 para alcanzar una velocidad de calcinador de ~0.30 m/s. Durante la operación constante, se observó el siguiente balance energético: en el calcinador, el oxígeno fue precalentado a 300 ° C por razones de seguridad; por lo tanto, proporcionar 0.5 kW en calor latente. Alrededor de 15.5 kW fue liberado por la combustión de gas natural en el lecho fluidizado, pero sólo 5.3 kW era necesaria para una calcinación continua (cuando no se añadió ningún material fresco), 3.6 kW para cubrir el calor latente de los gases y ~ 7 kW para calentar la circulación adsorbente y t o cubrir las pérdidas de calor. En la carbonatación, 3.2 kW fue proporcionada por el precalentamiento del gas (a350 ° C) y 5,4 kW fue liberado por el proceso de carbonatación. Casi 5 kW se realizó de la carbonatación como calor latente de los gases y 3,6 kW necesarios para ser disipada por las pérdidas de calor al calor liberado por la reacción exotérmica manteniendo la temperatura a 650 º C. Cuando la gasificación comienza (y es efectiva), la temperatura en el carbonatador acerca a 700 ° C, lo cual la concentración alcanzable equilibrio termodinámico de los gases de salida se desplaza a valores más altos. Esta concentración mínima teórica, depende de la temperatura de la carbonatación, es representada junto a la concentración medida durante la prueba en la figura 7.

Se inició el proceso de carbonatación con L ~6.7 de piedra caliza en la plataforma. L 0,54 adicional al principio de la carbonatación (13:45 en la figura 7) resultó en la disminución de CO2 residual en el gas por debajo de 5% vol, y este nivel se mantuvo durante toda la prueba por adiciones de 0,5 L piedra caliza lotes (cuando la concentración de CO2 a la salida de carbonatación superó el 5%). Los intervalos de tiempo entre las adiciones de piedra caliza fresca para el calcinador fueron 15, 20, 50, 45 y 50 min. Por lo tanto, concluimos que una operación estable requiere la adición de fresco adsorbente correspondiente a 0,5 L (750 g) de piedra caliza aproximadamente cada 50 min, que es equivalente a un cociente de maquillaje (F0/fCO2) del 6%, como se describe en otra parte25 . El cociente del maquillaje en estos experimentos fue influenciado principalmente por la piedra caliza (decaimiento de reactividad y elutriación). El valor de este parámetro fue elegido basado en la concentración de CO2 a la salida de la carbonatación, es decir, adición de piedra caliza más cuando llegó a un 5% vol. CO2.

Basado en el análisis de tamizado, concluimos que la fracción de la piedra caliza original fue conservada sobre todo en la circulación de la plataforma, mientras que las partículas en su mayoría < 250 μm fueron prorrogados para el ciclón del calcinador. Estas partículas resultaron predominante del rotura/desgaste de las partículas más grandes.

Fracción Piedra caliza en Carbonatador Horno de calcinación Calcinador por gas en ciclón Carbonatador de ciclón
Masa total (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%

Tabla 3: Equilibrio de sólidos en masa y análisis de las entradas (piedra caliza) y salidas (otros) para 300-400 μm caliza con 100% O2de tamiz.

Fracción Piedra caliza en Carbonatador Horno de calcinación Calcinador por gas en ciclón Carbonatador de ciclón Diferencia (hacia fuera-en)
Mol total 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

Tabla 4: Estimación de balance molar (10% de humedad de la materia prima piedra caliza, wt 75% de la producción en estado calcinado) para 300-400 μm caliza con 100% O2.

Figure 7
Figura 7: Concentración de CO2 en la entrada de la carbonatación y salida y la correspondiente captura de eficiencia (Ecarb) para 300-400 μm caliza con 100% O2.  Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La operación del calcinador con entrada de oxígeno al 100% vol es factible, basado en explotar la naturaleza endotérmica de la reacción de calcinación, así como el hecho de que los sólidos que circulan entre los dos reactores a distintas temperaturas. Este modo de operación tiene como objetivo hacer el proceso de CaL más económicamente prometedor por reducción de capital y los costos de operación. Como el reciclado de humos gas (CO2, vapor de agua y sin reaccionar O2) es reducido o incluso eliminado, el calor consumido para precalentar esta corriente es más bajo. Por lo tanto, se necesita menos oxígeno y una menor ASU sería necesario. Como el flujo de gas sería inferior en esta configuración, el tamaño del calcinador sería menor para la misma velocidad de fluidificación.

Se desarrolló una metodología estándar para asegurar la operación segura de la concentración alta de oxígeno en el calcinador. Los resultados mostraron una eficiencia de captura de hasta un 70% en algunos de los experimentos realizados. También, distribución de tamaño de partículas diferentes fueron utilizados en esta configuración de reactor (carbonatación como un CFB; calcinador como un BFB). Las distribuciones fueron: 100-200 μm; 200-300 μm; 300-400 μm. Para la distribución más pequeña (100-200 μm), sin embargo, había cuestiones de elutriación y la mayoría del inventario de cama fue encontrada en ciclón captura-pot del calcinador. Los mejores resultados se lograron con la distribución de tamaño de partícula más grande (300-400 μm): una Ecarb de ~ 70% se mantuvo durante todo el experimento con una relación de maquillaje de cerca de 6%.

Este protocolo fue mejorada al minimizar el calentamiento eléctrico suministrado al gas y calcinador cuando el gas natural está siendo quemado, con el fin de proteger los tubos de descargas eléctricas causadas por los elementos de calefacción. También, se ha observado que el aumento de la concentración de O2 puede lograrse más rápidamente que en inicial campañas experimentales, de vol 20% a 60% Vol. y 100% vol. Es importante destacar que los pasos más críticos en este proceso son el comienzo de la combustión y el aumento de la concentración de oxígeno, que puede causar aumento de las temperaturas se apague la fuente de gas natural la temperatura superiores a 980 ° C. Además, la composición del material es una preocupación ya puede bajar la temperatura del reactor y detener el proceso de combustión, y por lo tanto, debe añadirse en pequeñas cantidades.

Con esta metodología aplicada a esta plataforma experimental, es posible poner a prueba nuevos materiales sintéticos, así como materiales mejoraron por dopaje, tratamiento térmico, tratamiento químico previo, etc.26 este protocolo permite estos nuevos adsorbentes a probarse en condiciones realistas, proporcionando una metodología estándar para la comparación de sorbente. Sin embargo, hay algunos problemas al aplicar este concepto a escala mayor, como el uso de carbón en el calcinador por gas en estas condiciones de funcionamiento. El uso de combustibles sólidos aumentaría la dificultad en la operación del calcinador debido a las altas temperaturas, que pueden conducir a la aglomeración de cenizas y finalmente desfluidificación fenómenos27. Esto necesita más estudios para determinar la viabilidad del presente Protocolo; sin embargo, el concepto fue probado en escala piloto en este trabajo utilizando gas natural.

Otra limitación de este estudio es la duración de las pruebas, con 3 h de funcionamiento de estado estacionario por prueba; Esto es debido al proceso de la planta, que es un proceso lento. No se sabe el número promedio de ciclos de carbonatación/calcinación experimentados por una partícula cuando circula entre reactores. Es posible que la concentración de oxígeno alta tuvo un efecto negativo que causa más de la sinterización de las partículas de piedra caliza. Mayor investigación de estos desafíos ayudaría a evaluar la idoneidad del Protocolo como una novela y un modo factible para las plantas de CaL en una escala mayor.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

La investigación conduce a estos resultados ha recibido financiación del fondo de investigación de la Comunidad Europea de carbón y acero (RFC) en otorgar acuerdo n ° RFCR-CT-2014-00007. Este trabajo fue financiado por la captura de carbono del Reino Unido y centro de investigación de almacenamiento (UKCCSRC) como parte de proyectos llamada 2. UKCCSRC es apoyado por la ingeniería y el Consejo de investigación de ciencias físicas (EPSRC) como parte del programa de energía de Reino Unido del Consejo de investigación, con financiación adicional del Departamento de comercio, energía y estrategia Industrial (BEIS - anteriormente DECC). Los autores también desean agradecer a Sr. Martin Roskilly por su enorme ayuda durante el curso de este trabajo.

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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Ciencias ambientales número 128 bucle de calcio experimentos de planta piloto captura de CO2 procedimiento operacional calcinación del oxy-combustible eficiencia de captura.
Operación de una 25 KW<sub>th</sub> calcio bucle-planta piloto con altas concentraciones de oxígeno en el calcinador
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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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