Waiting
Login processing...

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

Environment

Werking van een 25 KWth Calcium Looping Pilot-plant met hoge zuurstofconcentraties in de Calciner

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

Summary

Dit manuscript wordt een procedure voor de exploitatie van een calcium looping pilot-plant voor na verbranding koolstofvastlegging met hoge zuurstofconcentraties in de calciner te verminderen of te elimineren van de flue gas recycle beschreven.

Abstract

Calcium (CaL) in een lus is een na verbranding CO2 capture-technologie die geschikt is voor de aanpassing van bestaande energiecentrales. Het CaL-proces gebruikt kalksteen als een goedkoop en gemakkelijk beschikbaar CO2 sorptiemiddel. Hoewel de technologie grote schaal is onderzocht, zijn er een paar opties die kunnen worden toegepast om het te maken meer rendabel. Een daarvan is het vergroten van de zuurstofconcentratie in de calciner te verminderen of te elimineren van de hoeveelheid gerecycleerd gas (CO2, H2O en verontreinigingen); Daarom verlagen of het verwijderen van de energie die nodig is voor het verwarmen van de hergebruikte gasstroom. Bovendien is er een resulterende toename van de energie-input als gevolg van de wijziging in de intensiteit van de verbranding; deze energie wordt gebruikt om de endotherme calcinatie reactie optreden in de afwezigheid van gerecycled rookgassen af. Dit document stelt de werking en de eerste resultaten van een proeffabriek CaL met 100% zuurstof verbranding van aardgas in de calciner. Het gas komt in de carbonator was een gesimuleerde rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale of cementindustrie. Verschillende kalksteen deeltje grootte distributies zijn ook getest om het effect van deze parameter op de algehele prestaties van deze operationele modus verder te verkennen. De configuratie van het systeem van de reactor, de operationele procedures en de resultaten zijn in detail beschreven in dit document. De reactor toonde goede hydrodynamische stabiliteit en stabiele CO2 vangen, met capture rendementen tot 70% met een gasmengsel de rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale simuleren.

Introduction

CO2 -uitstoot en de daaruit voortvloeiende opwarming zijn kritische milieuvraagstukken die een grote hoeveelheid onderzoek in de afgelopen jaren hebben aangetrokken. Koolstofvastlegging en -opslag (CCS) is erkend als een potentiële technologie ter vermindering van de CO2 -uitstoot naar de atmosfeer1,2. De meest uitdagende deel van de CCS-keten is de opname van CO2, die ook de meest kostbare fase3. Als gevolg hiervan is er een focus op de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor CO2 -vangst van energiecentrales en andere industriële faciliteiten.

CaL als een na verbranding CO2 capture-technologie, voor het eerst werd voorgesteld door Shimizu et al. 4 CO2 is gevangen genomen door een CaO-gebaseerde sorptiemiddel op 600-700 ° C in een reactor genoemd een carbonator, en uitgebracht door latere calcinatie bij 850-950 ° C (in een calciner) volgens Eq. (1), voor de productie van een hoge-zuiverheid-CO2 -stream geschikt voor beslaglegging5,6. De CaL-cyclus maakt gebruik van fluïde bedden, die een optimale configuratie voor dit proces, vertegenwoordigen omdat zij toestaan voor grote hoeveelheid vaste stoffen gemakkelijk van een reactor worden verspreid naar de andere4,5,6 , 7 , 8.

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

Dit concept is aangetoond op experimentele schaal door verschillende fracties en met verschillende configuraties en schalen, zoals de 0.2 MWth -piloot in Stuttgart, de 1 MWth -piloot in Darmstadt, de 1,7 MWth -piloot in La Pereda en de 1.9 MWth -eenheid in Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Hoewel dit proces heeft bewezen, zijn er nog mogelijkheden voor het verbeteren van de thermische efficiëntie, zoals door het wijzigen van de standaard operationele voorwaarden en wijzigingen in het ontwerp van de configuratie van de reactor.

Het gebruik van warmte leidingen tussen de combustor en de calciner heeft onderzocht in plaats van oxy-verbrandend brandstof in de calciner. De resultaten voor de CO2 -vangst prestaties zijn vergelijkbaar met die van een conventionele CaL pilot-plant, echter dit proces heeft hogere plant rendementen en lagere CO2 vermijden kost17. Martínez et al. 18 onderzocht de integratiemogelijkheden van de warmte om te Verwarm het solide materiaal invoeren van het calciner en vermindering van de warmte die nodig is in de calciner. De resultaten toonden 9% daling in het verbruik van steenkool in vergelijking met die van de standaard zaak. Andere bestudeerde mogelijkheden voor warmte-integratie hebben ook integratie van interne en externe opties19beschouwd.

Een van de hoofdproblemen van de CaL-cyclus van de economisch oogpunt is het leveren de energie die nodig is in de calciner door middel van brandstof verbranding20. Verhoging van de zuurstofconcentratie in de calciner van inlaat is voorgesteld om te verminderen of zelfs voorkomen naar de nood van CO2 recycle aan de calciner. Dit alternatief vermindert de kapitaalkosten (verminderde grootte van calciner en lucht scheiding eenheden (ASU)), zodat het concurrentievermogen van dit proces aanzienlijk kunnen worden verbeterd. De drastische verandering in de omstandigheden van de verbranding kan worden bereikt door te profiteren van de reactie van de endotherme calcinatie en de grote CaO/CaCO3 stroom circuleren van de carbonator bij lagere temperaturen (noch voordeel is beschikbaar met de Oxy-verbrandingstechnologie).

Dit werk is gericht op het ontwikkelen van een standaard gebruiksprocedure voor het uitvoeren van een proeffabriek CaL met een circulerende Fluidized Bed (CFB) carbonator en een calciner Fluidized Bed borrelen (BFB) met 100% O2 concentratie in de calciner van inlaat. Verschillende experimentele campagnes zijn uitgevoerd tijdens de inbedrijfstelling van de proeffabriek voor goede werking als de zuurstof concentratie verhoogd. Ook werden drie kalksteen deeltje grootte distributies (100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm) bestudeerd om te onderzoeken hoe deze parameter beïnvloedt de elutriation van deeltjes en efficiëntie in deze operationele modus vast te leggen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. materiaal voorbereiding

  1. Sieve de kalksteen (~ 50 kg grondstof) naar de gewenste korrelgrootteverdeling (300-400 µm of een andere distributie afhankelijk van het experiment) met behulp van een mechanisch schudapparaat. Zet het gezeefde materiaal in potten naast de calciner voor voeding tijdens de test
  2. Bereiden het materiaal in batches om te worden binnengebracht in de reactor. De partijen zijn over het algemeen 0.5 L of 1 L (1 L voor kalksteen is ongeveer 1,5 kg), maar dit kan variëren afhankelijk van de bewerkingsparameters.

2. Start-up Procedure

Waarschuwing: extreem hoge temperaturen hier zijn bereikt. Geschikte PPE zoals handschoenen, bril, laboratorium jas en veiligheid schoenen zijn vereist.

  1. Opwarmen van reactoren
    1. Start van de lage stroom voor N 2 in de carbonator (60 L/min) en calciner (20 L/min) en de lus-zegels (10 L/min) in het rotameters.
    2. Inschakelen de transformatoren carbonator handmatig. De temperatuur van alle elektrische preheaters van de carbonator vastgesteld op 600 ° C.
    3. Start het verwerven van gegevens (voor gas temperaturen en drukken, gebruik de opnemen-knop in de software). De gegevens omvatten temperaturen, druk en gassamenstelling van beide reactoren. In Figuur 1 en Figuur 2, staan de screenshots van het data-acquisitiesysteem.
    4. Inschakelen de calciner gas preheaters. Inschakelen van de kachel rond de calciner tot 600 ° C gemeten binnen de BFB via een thermokoppel.
      Opmerking: Gegevens zoals temperatuur, druk en gas samenstelling zijn reeds verworven wordt, zoals in stap 2.1.3.
    5. 3 L van de gezeefde kalksteen in de BFB-brouwers in de calciner gebracht. Eerst open de bovenste klep, het introduceren van het materiaal in de down-pipe en sluit de bovenste klep, en open vervolgens het onderventiel zodat het materiaal mondt uit in de reactor.
    6. Warmte het materiaal in de BFB naar boven 650 ° C (door de elektrische kachel rond de calciner).
      Let op: Dit duurt meestal ~ 1 h, tijdens deze tijd check de data-acquisitie en de druk in de fluïde bed.

Figure 1
Figuur 1: Screenshot van temperatuur en druk data-acquisitie voor beide reactoren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Screenshot van temperatuur data-acquisitie voor het preheating systeem. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: schematische van de 25 kW th CaL (CFB carbonator en BFB calciner). 1: carbonator; 2: calciner; 3: lagere lus-zegel; 4: bovenste lus-zegel; 5: carbonator cycloon; 6: calciner cycloon. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. start van verbranding in calciner
    1. verhogen de zuurstofconcentratie in de calciner van 0 tot 40% vol, om ervoor te zorgen dat de concentratie stabiel is voordat de verbrandingsgassen.
    2. Start de stoichiometrische stroom van aardgas handmatig met behulp van een rotameter ervoor te zorgen dat de verbranding stabiel is.
      Opmerking: De natuurlijke gasstroom moet zorgvuldig worden verhoogd. Controleren dat de gegevens wijzen op een passend niveau van verbranding reactie.
    3. Verhogen de zuurstofconcentratie in de calciner in stappen van 20% vol door aanpassing van de natuurlijke gas flow rotameter zodat stoichiometrische verbranding.
      Opmerking: Dit proces moet worden uitgevoerd met uiterste zorg. Als enige verdenking rijst dat de verbranding niet plaatsvindt zoals verwacht uit de voorlopige berekeningen dan stoppen van de stroom van aardgas en de stroom van zuurstof naar de stikstof voor veilige exploitatie. Het identificeren van de bron van deze discrepantie. De totale duur van dit proces is ongeveer 1 h.
    4. Bereiken 100% zuurstof concentratie aardgas verbranding.
      Opmerking: De samenstellingsgegevens temperatuur en gas moet worden zorgvuldig gevolgd tijdens het testen, maar vooral wanneer de verbranding plaatsvindt in 100% zuurstof.
    5. Toevoegen kalksteen in stappen van 0,5 L totdat er 7 L in de fluïde bed. Calcine al het materiaal in de fluïde bed van de calciner (de geschatte calcinatie temperatuur is 800-850 ° C voor de partij die aanwezig is in de calciner en de temperatuur van de calciner voor de volgende batches).
    6. Verhogen de stroom van N 2 in de carbonator om te beginnen met het verkeer. Controleren de omloop weergave poort regelmatig om ervoor te zorgen voor goede verspreiding.
    7. Calcine alle beschikbare kalksteen circuleert in het tuig voordat de CO 2-vangst.

3. Stabiele werking

  1. handmatig schakelen het gas van de carbonatatie uit N 2 tot 15% vol CO 2 met behulp van de rotameter, waarmee de gloeifosfaat kalksteen om te beginnen met het vastleggen van CO 2.
  2. Pas de stromen in de calciner handmatig met behulp van de rotameters te bereiken van een stabiele temperatuur van de 930-950 ° C in de calciner door het reguleren van de toevoer van aardgas (NG) en zuurstof (binnen het regime van de optimale fluïdisatie). De O 2 stroom is meestal 100% met voldoende bed-materiaal, maar het is aangepast gedurende het gehele experiment.
  3. Wanneer het materiaal begint te daling van de activiteit (boven 5% CO 2 concentratie bij de uitgang van de carbonator, die voortdurend wordt overgenomen door de software zoals beschreven in stap 2.1.3), voeg meer kalksteen.

4. Shut-down Procedure

  1. handmatig uitschakelen van de gasstroom van de natuurlijke met behulp van de rotameter en verlaagt de zuurstof stroom en schakelen de gassen in beide reactoren te N 2. Uitschakelen van alle kachels (calciner en carbonator).
  2. Laat de temperatuur van de inventaris van het tuig te verkleinen (gewoonlijk 's nachts), en de reactoren leeg wanneer ze op kamertemperatuur.
  3. Wegen de uitgepakte lichamen en een standaard zeef analyses uit te voeren. Karakteriseren van het materiaal: porosimetrie, samenstelling (Röntgen fluorescentie spectrometrie, XRF) 21 , 22 en microscopische structuur (scanning elektronen microscopie, SEM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De experimentele opstelling wordt getoond in Figuur 3. De plant bestaat uit twee onderling verbonden fluidized-bed. De carbonator is namelijk een CFB met 4,3 m hoogte en 0,1 m inwendige diameter (ID); terwijl de calciner een BFB met 1,2 m hoogte en 0.165 m-ID is. De solide vervoer van één reactor naar de andere wordt gecontroleerd door twee lus-zeehonden fluidized met stikstof. Beide reactoren worden gevoed met een mengsel van gas via een preheating lijn, en beide zijn elektrisch verwarmd; Bovendien, de calciner wordt gevoed met aardgas te produceren door verbranding de warmte die nodig is voor de endotherme calcinatie en voor het opwarmen van de circulerende sorptiemiddel. De carbonator verdeler plaat heeft 8 sproeiers, elk van hen rijggat twintig 2 mm, terwijl de calciner 20 sproeiers met zes 1 mm gaten elk.

De resultaten van drie verschillende experimenten worden besproken in deze sectie. Deze tests bieden een overzicht met betrekking tot het uitvoeren van de pilot plant uit de lucht (~ 20% vol O2) naar 100% vol O2 bij de inlaat van de calciner. Dit werk verkent ook de resultaten van het gebruik van verschillende deeltje grootte distributies in deze operationele modus om te zien of deze parameter een impact op de algehele prestaties van het systeem heeft. De kalksteen die gebruikt in deze studie heeft een minimumgehalte aan 98.25% CaCO3.

Experiment 1: Rookgas (15% vol CO2) met kalksteen (200-300 µm) 30% vol O2

Deze eerste test met de Fractie van de kalksteen 200-300 µm werd uitgevoerd om te testen het tuig met kalksteen circuleren tussen de twee reactoren binnen het tuig als een startpunt voor prestatieoptimalisatie. Tijdens deze test, de efficiëntie van een capture van 45% werd bereikt (Figuur 4). Deze vangen efficiëntie, Ecarb, werd berekend aan de hand van de volgende formule23: waar FCO2 is de molaire debiet van CO2 invoeren van de carbonator en Fcarb is het molaire debiet van CO2 , waardoor de carbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
Figuur 4: concentratie van CO2 op de carbonator inlaat en uitlaat en de efficiëntie van de opname (Ecarb) voor 200-300 µm kalksteen met 30% O2. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De efficiëntie van de inferieure vastleggen tijdens deze experimentele run werd voornamelijk veroorzaakt door de ontoereikende levering van warmte aan de calcine van alle de kalksteen die woonachtig zijn in de BFB. Dit veroorzaakt een daling van de CaO/CaCO3 -verhouding in de carbonator-feed. Een andere waarschijnlijke reden was de deactivering en de overdracht van de deeltjes van de kalk uit de calciner, die de totale bed voorraad en de hoeveelheid sorptiemiddel heden in het systeem teruggebracht. Na het experiment, een materiaalbalans voor de inventaris van de reactor werd uitgevoerd (tabel 1). Een verschuiving naar kleinere breuken kan worden waargenomen, vanwege de afslijting van het materiaal in beide fluïde bed.

Breuk Kalksteen in Calciner + Carbonator Cycloon Calciner Cycloon Carbonator
Totale massa (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%

Tabel 1: Gewicht van de balans van de materiële inputs en outputs voor 200-300 µm kalksteen met 30% O2.

Experiment 2: Rookgas (15% CO2) met kalksteen (100-200 µm) 100% O2

In deze test was het belangrijkste doel tot het gebruik van kleinere deeltjes van kalksteen te onderzoeken hun mogelijke gunstige invloed op de systeemprestaties. Het secundaire doel was te bieden meer warmte aan het proces van calcinatie in de BFB-calciner door verbrandend het aardgas in zeer geconcentreerde zuurstof, idealiter tot 100% bij de inlaat.

In dit experiment, we met succes getest de mogelijkheid van het gebruik van zuivere O2 bij de inlaat van de calciner, die de mogelijkheid biedt voor het recyclen van uit-gas die nodig zijn voor een standaard oxy-brandstof-proces volledig te elimineren. Dit wordt mogelijk gemaakt door het verbruik van warmte in de vorm van een circulerende fluïde bed-materiaal en de continue calcinatie reactie.

Het gebruik van kleinere deeltjes niet over een gunstige invloed op het proces van de carbonatatie, waarschijnlijk vanwege de hogere contactoppervlak tussen deeltjes en het gas. Er is echter enige controverse in dezen hebben zoals kleinere deeltjes verminderde reactiviteit vanwege hoger gehalte aan onzuiverheden24. Bijna alle de toegevoegde kalksteen die was < 150 µm was zeer snel elutriated van de calciner naar de downstream cycloon. Dus, het was erg moeilijk om de nodige inventaris van kalk in de opstelling die nodig zijn om een hogere efficiëntie van de opname. De resultaten van de capture-efficiëntie zijn in Figuur 5.

Figure 5
Figuur 5: CO2 -concentratie in de carbonator inlaat en uitlaat en de overeenkomstige vastleggen efficiëntie (Ecarb) voor 100-200 µm kalksteen met 100% O2. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Het saldo van de ingangen en uitgangen van de lichamen werd uitgevoerd na de test (tabel 2), en er werd ontdekt dat de meeste van thij materiaal het tuig ingevoerd tijdens het experiment belandde in de calciner-cycloon. Dit was waarschijnlijk de belangrijkste oorzaak van de lage gemeten capture-efficiëntie tijdens deze test.

Breuk Kalksteen Carbonator Calciner Cycloon calciner Cycloon carbonator
Totale massa (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%

Tabel 2: Balans van herstelde materiaal en haar zeefanalyse voor 100-200 µm kalksteen met 100% O2.

Tot slot, we met succes getest het gebruik van zuivere O2 bij de inlaat van de calciner om de Prullenbak voor het af-gas die nodig zijn voor een standaard oxy-brandstof-proces volledig te elimineren. Dit is mogelijk als gevolg van het koellichaam verstrekt in de vorm van de circulerende fluïde bed materiaal en de continue calcinatie reactie. De kleine korrelgrootteverdeling (100-200 µm) was echter niet gunstig voor het opnameproces, als gevolg van de elutriation van de deeltjes. Het was buitengewoon moeilijk om de inventaris van de bed die nodig zijn voor het verkrijgen van een hogere efficiëntie van de opname. Daarom besloten hebben we het gebruik van grotere deeltjes in de volgende experimentele campagne te onderzoeken.

Experiment 3: Rookgas (15% CO2) met kalksteen (300-400 µm) 100% O2

Tijdens dit proces, werd de prestaties van de breuk 300-400 µm getest zodat de grote materiële verliezen uit het fluïde bed van de calciner zoals gezien in de vorige punten. Dit was te verwachten om behoud van de inventaris van de nodige kalk/kalksteen die nodig zijn voor de efficiënte circulatie en koolstof vastleggen. Ten gevolge van gebruik van een juiste hoeveelheid sorptiemiddel circuleert in het tuig en voldoende warmte geboden door de verbranding van aardgas in zuivere zuurstof (het vrijgeven van 18 kW), de efficiëntie van een stabiele vastleggen van ~ 70% werd bereikt voor meer dan 3 h; Dit is een zeer goed resultaat bij de behandeling van de relatief korte carbonator reactor buis en de daaruit voortvloeiende korte contacttijd tussen het sorptiemiddel en CO2. De concentratie van CO2 bij de uitlaat van de carbonator werd gehandhaafd onder 5% vol, en verse kalksteen (in 0.5 L partijen) werd toegevoegd aan de calciner wanneer de concentratie van CO2 bij de uitlaat van de carbonator deze waarde overschreden. Een stabiele experimentele uitgevoerd werd bereikt met geoptimaliseerde voorwaarden.

Het proces begon met de standaardprocedure; dat wil zeggen, eerst de reactor werd verwarmd tot 700 ° C, dan 2.9 L van kalksteen werd toegevoegd in de calciner en opgewarmd. De temperaturen en de gasconcentraties in de calciner staan in Figuur 6. Merk op dat de artikelnummers met die stappen in Figuur 6 overeenstemmen. 1) de luchtstroom werd vervangen door een mengsel van de stroom van 40% O2 en 60% N2 en de verbranding van aardgas in de fluïde bed werd ingeleid (9.1 kW). De kalksteen in de fluïde bed werd verwarmd boven de 800 ° C en 3 meer batches van kalksteen (1 L) werden toegevoegd aan de calciner. 2) terwijl de kalksteen werd calcining in de fluïde bed, werd het verkeer van de kalk/kalksteen gestart door vloeiende voorverwarmde N2 tot en met de carbonator (met een snelheid van 2,5 m/s bij 650 ° C). Een extra 0,9 L kalksteen is toegevoegd en 3) een verse O2 cilinder was verbonden aan de inlaat van de calciner. 4) na opnieuw verbinding maken de zuurstof, de verbranding opnieuw is gestart, ditmaal in een inlaat O2 concentratie van 70% (en 30% N2), die tot een verbruik van 14 leidde kW van aardgas tot een O2 concentratie bij de uitlaat van ~ 5% (in natte gas). 5) pure O2 werd geïntroduceerd bij de inlaat van de calciner, die hebben geleid tot de vrijlating van de warmte van 18 kW in de calciner, en 6) de carbonatatie werd ingewijd in de carbonator door injecterend 15% CO2. De efficiëntie van de carbonatatie (Figuur 7) was de hoogste nog op deze reactorontwerp (~ 70%). 7) de gassnelheid stroomt door de BFB-brouwers van de calciner moest worden verlaagd tot 0,30 m/s (vereist door de gewenste temperatuur) om de temperatuur van ongeveer 930 ° C gegenereerd door de verbranding van aardgas in zuivere O2 (met behoud van de O-2 -concentratie in de off-gas tot een industrieel aanvaardbaar niveau onder 5% vol).

Figure 6
Figuur 6: temperatuur van de BFB-brouwers van de calciner en de temperatuur en samenstelling van het af-gas bij de uitgang. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De temperatuur in de fluïde bed was constant onderhouden tijdens de proef door regeling van het debiet van aardgas en het debiet van O2 tot een snelheid van de calciner van ~0.30 m/s achter elkaar aan te passen. Tijdens het constant de volgende energetische balans werd waargenomen: in de calciner, de zuurstof was voorverwarmd tot slechts 300 ° C om veiligheidsredenen; Vandaar, verstrekken van 0,5 kW in latente warmte. Ongeveer 15,5 kW werd uitgebracht door de verbranding van aardgas in de fluïde bed, maar slechts 5,3 kW nodig was voor een continu branden (wanneer geen vers materiaal werd toegevoegd), 3.6 kW ter dekking van de latente warmte van de af-gas en ~ 7 kW voor het verwarmen van de circulerende absorberend en t o dekking van de warmteverliezen. In de carbonator, 3,2 kW werd verstrekt door het voorverwarmen van het gas (to350 ° C), en 5,4 kW werd uitgebracht door de carbonatatie proces. Bijna 5 kW plaatsvond uit de carbonator als latente warmte van de af-gas en 3,6 kW worden afgevoerd door warmteverlies moesten ter dekking van de warmte die vrijkomt door de exotherme reactie met behoud van de temperatuur van 650 ° C. Wanneer de carbonatatie proces wordt gestart (en effectief is), benadert de temperatuur in de carbonator 700 ° C, die haalbaar thermodynamische evenwichtsconcentratie van de uitlaat gas naar hogere waarden verschuift. Deze theoretische minimumconcentratie, afhankelijk van de temperatuur van de carbonator, wordt afgebeeld naast de concentratie gemeten tijdens het testen in Figuur 7.

De carbonatatie proces werd ingeleid met ~6.7 L van kalksteen aanwezig in het tuig. Een extra 0,54 L aan het begin van de carbonatatie (13:45 in Figuur 7) resulteerde in de daling van residuele CO2 in het gas onder 5% vol, en dit niveau werd gehandhaafd gedurende de gehele proef door toevoeging van 0,5 L kalksteen batches (wanneer de concentratie van CO2 bij de uitgang van de carbonator meer dan 5%). De tijdsintervallen tussen de toevoegingen van verse kalksteen aan de calciner waren 15, 20, 50, 45-50 min. Wij geconcludeerd dat een stabiele werking de toevoeging vereist van verse sorptiemiddel overeenkomt met 0.5 L (750 gram) van kalksteen ongeveer elke 50 min, wat overeenkomt met de verhouding van een make-up (F0/FCO2) van 6%, zoals beschreven elders25 . De verhouding van de make-up in deze experimenten werd vooral beïnvloed door de kalksteen (reactiviteit verval en elutriation). De waarde van deze parameter was gekozen op basis van de CO2 -concentratie bij de carbonator uitlaat, dat wil zeggen, het toevoegen van meer kalksteen wanneer het bereikt een 5% vol CO2.

Gebaseerd op de zeven analyse, we concluderen dat de oorspronkelijke kalksteen breuk meestal meestal in de omloop van het tuig, terwijl de deeltjes werd behouden < 250 µm werden overgedragen naar de calciner-cycloon. Deze deeltjes vloeide voornamelijk voort uit de breuk/afslijting van grotere deeltjes.

Breuk Kalksteen in Carbonator Calciner Cycloon calciner Cycloon Carbonator
Totale massa (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%

Tabel 3: Massa van saldo van vaste stoffen en zeef analyse van de inputs (kalksteen) en de outputs (andere) voor 300-400 µm kalksteen met 100% O2.

Breuk Kalksteen in Carbonator Calciner Cycloon calciner Cycloon Carbonator Verschil (–)
Totale 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

Tabel 4: Molaire evenwicht raming (10% vochtigheid van de ruwe kalksteen, 75% van de uitvoer in gebrand staat wt) voor 300-400 µm kalksteen met 100% O2.

Figure 7
Figuur 7: CO2 -concentratie in de carbonator-inlaat en uitlaat en de daarbij horende vastleggen efficiëntie (Ecarb) voor 300-400 µm kalksteen met 100% O2.  Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De werking van de calciner met een inlaat van 100% vol zuurstof is haalbaar, gebaseerd op de exploitatie van de endotherme aard van de reactie van calcinatie, evenals het feit dat de lichamen circuleren tussen de twee reactoren bij verschillende temperaturen. In deze operationele modus beoogt de CaL-proces zuiniger veelbelovende door vermindering van de kapitaal- en exploitatiekosten. Als het recycleren van flue gas (voornamelijk CO2, waterdamp en spoorverontreiniging O2) is verminderd of zelfs opgeheven, de warmte verbruikt om te Verwarm deze stroom is lager. Daarom minder zuurstof is nodig en een kleinere ASU nodig zou zijn. Zoals de gasstroom zou lager in deze configuratie, is de grootte van de calciner zou kleiner voor dezelfde snelheid doorstromen.

Een standaard methodiek werd ontwikkeld om de veilige werking van de hoge zuurstofconcentratie in de calciner. De resultaten toonden een efficiëntie van de vangst tot 70% in sommige van de uitgevoerde experimenten. Ook werden verschillende deeltje grootte distributies gebruikt in deze configuratie van de reactor (carbonator als een CFB; calciner als een BFB). De distributies werden: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. Voor de kleinste distributie (100-200 µm), maar er waren elutriation problemen en de meerderheid van de inventaris van het bed werd gevonden in de calciner van cycloon vangst-pot. De beste resultaten werden behaald met de grootste korrelgrootteverdeling (300-400 µm): een E-carb van ~ 70% werd gehandhaafd gedurende het gehele experiment met een make-up-ratio van ongeveer 6%.

Dit protocol werd verbeterd door het minimaliseren van de elektrische verwarming aan de gas- en calciner wordt verstrekt wanneer het aardgas verbrand, wordt ter bescherming van de buizen van elektrische ontladingen veroorzaakt door de verwarmingselementen. Ook, er is opgemerkt dat de verhoging van de concentratie van O2 kan worden bereikt sneller dan in eerste experimentele campagnes, van 20% vol tot 60% vol en 100% vol. Het is belangrijk om te benadrukken dat de belangrijkste stappen in dit proces het begin van de verbranding zijn en de stijging van het gehalte aan zuurstof, die leiden verhoogde temperaturen die tot kan de bron van aardgas uitzetten zal als de temperatuur hoger is dan gaat 980 ° C. Ook is de materiaal samenstelling een punt van zorg als het kan de gemoederen van de reactor en stoppen van het verbrandingsproces, en dus, hieraan moet worden toegevoegd in kleine batches.

Met deze methode toegepast op dit experimentele tuig, is het mogelijk om te testen van nieuwe synthetische materialen, evenals zoals materialen verbeterd via doping thermische voorbehandeling, chemische voorbehandeling, etc.26 dit protocol laat deze nieuwe SPE worden getest onder realistische omstandigheden sorptiemiddel vergelijking een standaard methodiek te voorzien. Er zijn echter enkele uitdagingen bij de toepassing van dit concept op grotere schaal, zoals het gebruik van kolen in de calciner onder deze bedrijfsomstandigheden. Het gebruik van vaste brandstoffen zou verhogen de moeilijkheid als gevolg van de hoge temperaturen, die kan leiden tot as agglomeratie en uiteindelijk defluidizing verschijnselen27ingebruikzijn calciner. Dit moet verder te bestuderen om te bepalen van de haalbaarheid van dit protocol; het concept werd echter bewezen succesvolle duurzaame piloot-in dit werk met behulp van aardgas.

Een andere beperking die voortvloeien uit deze studie is de duur van de proeven, met ~ 3 h van steady-state activiteit per test; Dit is te wijten aan het proces van de verwarming van de plant, die een langzaam proces is. Het gemiddelde aantal carbonatatie/calcinatie cycli ervaren door een deeltje wanneer circuleert tussen reactoren is niet bekend. Het is mogelijk dat de hoge zuurstofconcentratie had een negatief effect veroorzaakt meer sinteren in de kalksteen deeltjes. Nader onderzoek van deze uitdagingen zou helpen te beoordelen van de geschiktheid van het protocol als een roman en haalbaar operationele modus voor CaL planten op een hogere schaal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Het onderzoek leidt tot deze resultaten heeft financiering ontvangen van de Europese Gemeenschap Fonds voor onderzoek inzake kolen en staal (RFC's) onder overeenkomst n ° RFCR-CT-2014-00007 verlenen. Dit werk werd gefinancierd door de UK Carbon Capture en opslag Research Centre (UKCCSRC) als onderdeel van Call 2 projecten. UKCCSRC wordt ondersteund door de Engineering and Physical Sciences Research Raad (EPSRC) als onderdeel van de Onderzoeksraad UK programma energie, met extra financiële steun van het departement van Business-, energie- en industriële strategie (BEIS - voorheen DECC). De auteurs wil ook de heer Martin Roskilly bedanken voor zijn enorme hulp in de loop van dit werk.

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).

Tags

Milieuwetenschappen kwestie 128 Calcium in een lus proeffabriek experimenten CO2 -vangst operationele procedure oxy-brandstof calcineren capture-efficiëntie.
Werking van een 25 KW<sub>th</sub> Calcium Looping Pilot-plant met hoge zuurstofconcentraties in de Calciner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Erans, M., Jeremias, M., Manovic,… 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