Drift af en 25 KWth Calcium Looping Pilot-anlæg med høj ilt koncentrationer i Calciner
Summary
Denne manuskriptet beskrives en procedure til opererer en calcium looping pilot-anlæg til efterbrænding kulstofopsamling med høj ilt koncentrationer i calciner for at reducere eller eliminere flue gas genanvende.
Abstract
Calcium looping (CaL) er en efterbrænding CO2 capture-teknologi, der er egnet til eftermontering eksisterende kraftværker. CaL processen bruger kalksten som en billig og let tilgængelig CO2 sorptionsmiddel. Mens teknologien er blevet meget studeret, er der et par valgmuligheder, der kunne anvendes til at gøre det mere økonomisk levedygtige. En af disse er at øge koncentrationen af ilt i calciner at reducere eller fjerne mængden af genvundet gas (CO2, H2O og urenheder); Derfor faldende eller fjerne energi nødvendigt at varme genvundet gasstrømmen. Desuden er der en deraf følgende stigning i energi-input på grund af ændringen i forbrænding intensitet; denne energi bruges til at aktivere endoterm kalcinering reaktion at forekomme i fravær af genanvendt røggasser. Dette paper præsenterer drift og de første resultater af en CaL pilotanlæg med 100% ilt forbrænding af naturgas i calciner. Gassen kommer ind i carbonator var en simuleret røggas fra et kulfyret kraftværk eller cementindustrien. Flere kalksten partikel størrelse distributioner er også testet for at yderligere udforske virkningen af denne parameter på de samlede resultater af denne driftstilstand. Konfiguration af reaktoren system, de operationelle procedurer, og resultaterne er beskrevet i detaljer i dette papir. Reaktoren viste god hydrodynamiske stabilitet og stabil CO2 -opsamling med capture virkningsgrader på op til 70% med en gasblandingen simulerer røggassen fra et kulfyret kraftværk.
Introduction
CO2 -emissioner og den deraf følgende globale opvarmning er kritiske miljøspørgsmål, der har tiltrukket sig en stor mængde forskning i de seneste år. CO2-opsamling og -lagring (CCS) har været anerkendt som en potentiel teknologi for at reducere CO2 -emissioner til atmosfæren1,2. Den mest udfordrende del af CCS-kæden er erobringen af CO2, som også er den mest kostbare fase3. Følgelig har der været fokus på at udvikle nye teknologier til CO2 -opsamling fra kraftværker og andre industrielle anlæg.
CaL som en efterbrænding CO2 -opsamling teknologi, blev først foreslået af Shimizu et al. 4 CO2 er fanget af en CaO-baserede sorptionsmiddel på 600-700 ° C i en reaktor kaldes en carbonator, og udgivet af efterfølgende kalcinering på 850-950 ° C (i en calciner) Ifølge Eq. (1), til at producere en høj renhed CO2 stream egnet til forvaring5,6. CaL cyklus udnytter fluidiserede senge, som repræsenterer en optimal konfiguration for denne proces, da de giver mulighed for store mængder af faste stoffer til at blive rundsendt let fra en reaktor til de andre4,5,6 , 7 , 8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
Dette begreb er blevet påvist i pilotstørrelse af forskellige grupper og med forskellige konfigurationer og skalaer, såsom 0.2 MWth piloten i Stuttgart, 1 MWth piloten i Darmstadt, de 1,7 MWth pilot i La Pereda og den 1.9 MWth enhed i Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Selvom denne proces har bevist, er der stadig muligheder for at øge dens termisk effektivitet, som ved at ændre standard driftsbetingelser og ændringer i design af reaktoren konfiguration.
Brugen af varmerør mellem forbrændingskammer og calciner er blevet undersøgt i stedet for oxy-forbrænder brændstof i calciner. Resultaterne for CO2 -opsamling resultater er sammenlignelige med dem af en konventionel CaL pilot-anlæg, men denne proces har højere plante effektivitet og lavere CO2 undgåelse koster17. Martínez et al. 18 undersøgt varme integration muligheder for at forvarme solid materialet ind i calciner og reducere varmen i calciner. Resultaterne viste 9% reduktion i kulforbrug sammenlignet med de standard-sagen. Andre undersøgte mulighederne for varme integration har også overvejet interne og eksterne integration muligheder19.
En af de største problemer i CaL cyklussen fra et økonomisk synspunkt er at levere den energi, der i calciner med brændstof forbrænding20. Øge koncentrationen af ilt i den calciner inlet er foreslået for at reducere eller endog undgå brug af CO2 genanvende til calciner. Dette alternativ reducerer kapitalomkostninger (reduceret størrelse af calciner og luft adskillelse enheder (ASU)), der kan forbedre konkurrenceevnen i denne proces. Den drastiske ændring i forbraendingsbetingelser kan nås ved at udnytte endoterm kalcinering reaktion og den store CaO/CaCO3 flow cirkulerende fra carbonator opererer ved lavere temperaturer (hverken fordel er tilgængelig med den oxy-forbrænding teknologi).
Dette arbejde sigter mod at udvikle en standardprocedure for at køre en CaL pilotanlæg med en cirkulerende fluidiserede seng (CFB) carbonator og en boblende fluidiserede seng (BFB) calciner med 100% O2 koncentrationen i den calciner inlet. Flere eksperimentelle kampagner har kørt under idrifttagning af pilotanlægget at sikre velfungerende som oxygen koncentrationen øges. Også, tre kalksten partikel størrelse distributioner (100-200 µm; 200-300 µm, 300-400 µm) blev undersøgt for at undersøge hvordan denne parameter påvirker elutriation af partikler og fange effektivitet i denne driftstilstand.
Protocol
Representative Results
Discussion
Drift af calciner med et indløb af 100% vol ilt er opnåelige, baseret på at udnytte det endoterm ved kalcinering reaktion, samt det faktum, at legemer cirkulere mellem de to reaktorer ved forskellige temperaturer. Denne driftstilstand sigter mod at gøre CaL processen mere økonomisk lovende ved at reducere kapital- og driftsomkostninger. Som genbrug af røggas gas (hovedsagelig CO2, vanddamp og ureageret O2) er reduceret eller helt fjernes, den varme, der forbruges for at forvarme denne strøm e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning fører til disse resultater har modtaget støtte fra Det Europæiske Fællesskab forskningsfonden for kul og stål (RFC’ER) under tildele aftale n ° RFCR-CT-2014-00007. Dette arbejde blev finansieret af britiske Carbon Capture and Storage Research Centre (UKCCSRC) som en del af Ring 2 projekter. UKCCSRC understøttes af Engineering and Physical Sciences Research Rådet (EPSRC) som en del af det Forskningsråd UK energiprogram, med yderligere støtte fra Institut for økonomi, energi og industrielle strategi (BEIS – tidligere DECC). Forfatterne vil gerne takke Mr. Martin Roskilly for hans enorme hjælp i løbet af dette arbejde.
Materials
| Longcal limestone | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Mechanical Shacker | SWECO | LS24S544+C | Mechanical siever to separate particles |
| Oxygen | BOC | n/a | BOC cylinders |
| Nitrogen | BOC | n/a | BOC tank |
| Carbon dioxide | BOC | n/a | BOC tank |
| Natural gas | n/a | n/a | Taken from the line |
References
- Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
- Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
- Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
- Shimizu, T., Hirama, T., Hosoda, H., Kitano, K., Inagaki, M., Tejima, K. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustion processes. Chemical Engineering Research and Design. 77 (1), 62-68 (1999).
- Blamey, J., Anthony, E. J., Wang, J., Fennell, P. S. The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture. Progress in Energy and Combustion Science. 36 (2), 260-279 (2010).
- Masnadi, M. S., Grace, J. R., Bi, X. T., Ellis, N., Lim, C. J., Butler, J. W. Biomass/coal steam co-gasification integrated with in-situ CO2 capture. Energy. 83, 326-336 (2015).
- Abanades, J. C., Anthony, E. J., Lu, D. Y., Salvador, C., Alvarez, D. Capture of CO2 from combustion gases in a fluidized bed of CaO. AIChE Journal. 50 (7), 1614-1622 (2004).
- Hughes, R. W., Lu, D. Y., Anthony, E. J., Macchi, A. Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustion system for in situ CO2 capture using high-temperature sorbents. Fuel Processing Technology. 86 (14), 1523-1531 (2005).
- Lu, D. Y., Hughes, R. W., Anthony, E. J. Ca-based sorbent looping combustion for CO2 capture in pilot-scale dual fluidized beds. Fuel Processing Technology. 89 (12), 1386-1395 (2008).
- Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
- Sánchez-Biezma, A., et al. Postcombustion CO2 capture with CaO. Status of the technology and next steps towards large scale demonstration. Energy Procedia. 4, 852-859 (2011).
- Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration. Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).
- Arias, B., et al. Demonstration of steady state CO2 capture in a 1.7 MWth calcium looping pilot. International Journal of Greenhouse Gas Control. 18, 237-245 (2013).
- Ströhle, J., Junk, M., Kremer, J., Galloy, A., Epple, B. Carbonate looping experiments in a 1MWth pilot plant and model validation. Fuel. 127, 13-22 (2014).
- Bidwe, A. R., Hawthorne, C., Dieter, H., Dominguez, M. A., Zieba, M., Scheffknecht, G. Cold model hydrodynamic studies of a 200kWth dual fluidized bed pilot plant of calcium looping process for CO2 Capture. Powder Technology. 253, 116-128 (2014).
- Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
- Reitz, M., Junk, M., Ströhle, J., Epple, B. Design and operation of a 300kWth indirectly heated carbonate looping pilot plant. International Journal of Greenhouse Gas Control. 54, 272-281 (2016).
- Martínez, A., Lara, Y., Lisbona, P., Romeo, L. M. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control. 7, 74-81 (2012).
- Perejón, A., Romeo, L. M., Lara, Y., Lisbona, P., Martínez, A., Valverde, J. M. The calcium-looping technology for CO2 capture: on the important roles of energy integration and sorbent behavior. Appl Energy. 162, 787-807 (2016).
- Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
- . . ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), C1271-C1299 (2012).
- . . ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , C25-C11 (2011).
- Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas. Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).
- Manovic, V., Anthony, E. J. Parametric study on the CO2 capture capacity of CaO-based sorbents in looping cycles. Energy Fuels. 22 (3), 1851-1857 (2008).
- Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis. Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).
- Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
- Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).
