Waiting
Login processing...

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

Environment

Funzionamento di una 25 KWth calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore

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

Summary

Questo manoscritto descrive una procedura per il funzionamento di un impianto pilota per la cattura post-combustione con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore al fine di ridurre o eliminare il riciclo del gas di scarico di ciclo di calcio.

Abstract

Calcium looping (CaL) è una tecnologia di cattura post-combustione CO2 che è adatta per il retrofit di impianti esistenti. Il processo di CaL utilizza calcare come a buon mercato e facilmente reperibili CO2 sorbente. Mentre la tecnologia è stata ampiamente studiata, ci sono poche opzioni disponibili che potrebbero essere applicate per renderlo più economicamente possibile. Uno di questi è quello di aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore per ridurre o eliminare la quantità di gas riciclato (impurità, CO2e H2O); di conseguenza, diminuendo o eliminando l'energia necessaria per riscaldare il flusso di gas riciclato. Inoltre, c'è un conseguente aumento dell'input di energia a causa del cambiamento dell'intensità di combustione; Questa energia viene utilizzata per attivare la reazione endotermica calcinazione si verificano in assenza di fumi riciclati. Questa carta presenta il funzionamento e i primi risultati di un impianto pilota di CaL con combustione ossigeno 100% del gas naturale nel calcinatore. Il gas entra il gasatore era un gas di combustione simulato da una centrale a carbone o industria del cemento. Diverse distribuzioni di dimensione delle particelle di calcare sono testati anche per esplorare ulteriormente l'effetto di questo parametro sulle prestazioni complessive di questa modalità di funzionamento. La configurazione del sistema reattore, le procedure operative e i risultati sono descritti in dettaglio in questa carta. Il reattore ha mostrato buona stabilità idrodinamica e stabile CO2 acquisizione, con efficienze di acquisizione fino al 70% con una miscela di gas che simula il gas di combustione di una centrale elettrica a carbone.

Introduction

Criticità ambientale che hanno attirato una grande quantità di ricerca negli ultimi anni le emissioni di CO2 e il riscaldamento globale risultante. Cattura e lo stoccaggio (CCS) è stato riconosciuto come un potenziale di tecnologia di riduzione delle emissioni di CO2 all'atmosfera1,2. La parte più impegnativa della catena CCS è la cattura di CO2, che è anche il più costoso di fase3. Di conseguenza, c'è stato un focus sullo sviluppo di nuove tecnologie per l'acquisizione di CO2 da centrali elettriche e altri impianti industriali.

CaL come una tecnologia di cattura post-combustione CO2 , fu proposta da Shimizu et al. 4 CO2 viene catturato da una base di CaO sorbente a 600-700 ° C in un reattore chiamato un carbonatore e pubblicato dalla successiva calcinazione a 850-950 ° C (in un calcinatore) secondo EQ. (1), a produrre un flusso di2 CO ad alta purezza adatto per sequestro5,6. Il ciclo di CaL utilizza letti fluidizzati, che rappresentano una configurazione ottimale per questo processo, in quanto consentono di grandi quantità di solidi a circolare facilmente da un reattore per gli altri4,5,6 , 7 , 8.

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

Questo concetto è stato dimostrato a scala pilota da vari gruppi e con diverse configurazioni e scale, come il pilota 0,2 MWth a Stoccarda, il 1 MWth pilota a Darmstadt, il pilota 1,7 MWth in La Pereda e l'unità 1,9 MWth in Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Sebbene questo processo sia stato provato, ci sono ancora possibilità per aumentare la sua efficienza termica, ad esempio modificando le condizioni operative standard e cambiamenti nella progettazione della configurazione del reattore.

L'uso di tubi di calore tra la camera di combustione e calcinazione è stato studiato invece di oxy-combustione carburante nel calcinatore. I risultati per le prestazioni di cattura di CO2 sono comparabili con quelli di un impianto pilota CaL convenzionale, tuttavia, questo processo ha una maggiore efficienza di impianto e inferiore CO2 evasione Costa17. Martínez et al. 18 studiato la possibilità di integrazione di calore per preriscaldare il materiale solido che entra calcinatore e ridurre il calore necessario nel calcinatore. I risultati hanno mostrato riduzione del 9% del consumo di carbone se confrontato con quello del caso standard. Altre possibilità studiate per integrazione di calore hanno anche considerato integrazione interna ed esterna opzioni19.

Uno dei problemi principali del ciclo CaL dal punto di vista economico è quello di fornire l'energia necessaria nel calcinatore mediante combustione di carburante20. L'aumento della concentrazione di ossigeno in ingresso del calcinatore viene proposto al fine di ridurre o addirittura evitare la necessità di CO2 riciclare a calcinatore. Questa alternativa riduce i costi di capitale (dimensioni ridotte delle unità di separazione calcinatore e aria (ASU)), che possono migliorare significativamente la competitività di questo processo. Il drastico cambiamento delle condizioni di combustione può essere raggiunto sfruttando la reazione endotermica calcinazione e il grande flusso di3 CaO/CaCO circolanti da carbonatore operanti a temperature più basse (né vantaggio è disponibile con il tecnologia di combustione in ossigeno).

Questo lavoro mira a sviluppare una procedura operativa standard per l'esecuzione di un impianto pilota di CaL con un carbonatore circolanti Fluidized Bed (CFB) e una calcinazione di Bubbling Fluidized Bed (BFB) con 100% O2 concentrazione in ingresso di calcinatore. Diverse campagne sperimentali sono state eseguite durante la messa in servizio dell'impianto pilota per garantire il corretto funzionamento come l'ossigeno concentrazione aumentata. Inoltre, tre distribuzioni di dimensione delle particelle calcare in (100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm) sono stati studiati per studiare come questo parametro influenza l'elutriazione delle particelle e acquisire efficienza in questa modalità di funzionamento.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. preparazione dei materiali

  1. setaccio il calcare (~ 50 kg di materiale grezzo) a granulometria desiderata (300-400 µm o un'altra distribuzione a seconda dell'esperimento) utilizzando un agitatore meccanico. Mettere il materiale setacciato in vasi accanto calcinatore per l'alimentazione durante il test.
  2. Preparare il materiale in lotti per essere introdotti nel reattore. I lotti sono generalmente L 0,5 o 1 L (1 L di calcare è di circa 1,5 kg), ma questo può variare a seconda dei parametri di funzionamento.

2. Procedura di avviamento

Attenzione: temperature estremamente elevate si ottengono qui. PPE adatti quali i guanti, occhiali, scarpe di sicurezza e cappotto di laboratorio sono necessari.

  1. Calore-up dei reattori
    1. iniziare il flusso basso di N 2 nel gasatore (60 L/min) e calcinazione (20 L/min) come pure il ciclo-guarnizioni (10 L/min) nei rotametri.
    2. Attivare manualmente i trasformatori carbonatore. Impostare la temperatura di tutti i preriscaldatori elettrici del carbonatore a 600 ° C.
    3. Iniziare l'acquisizione dei dati (per gas a temperature e pressioni, utilizzare il pulsante di registrazione nel software). I dati includono temperatura, pressione e composizione del gas di entrambi i reattori. Nella Figura 1 e Figura 2, sono mostrati gli screenshot del sistema di acquisizione dati.
    4. Disabilita il calcinatore preriscaldatori gas. Accendere il riscaldatore intorno calcinatore a 600 ° C, misurata all'interno il BFB tramite una termocoppia.
      Nota: Dati come composizione di temperatura e pressione gas sono già essere acquisito come indicato nel punto 2.1.3.
    5. Inserire 3 L del calcare setacciato il BFB nel calcinatore. Prima aprire la valvola superiore, introdurre il materiale nel down-tubo e chiudere la valvola superiore, quindi aprire la valvola di fondo in modo che il materiale fluisce nel reattore.
    6. Riscaldare il materiale nel BFB a superiore a 650 ° C (con riscaldatore elettrico intorno calcinatore).
      Nota: Questo di solito richiede ~ 1 h, durante il controllo di tempo l'acquisizione di dati e le pressioni in letti fluidizzati.

Figure 1
Figura 1: schermata di acquisizione di dati di temperatura e pressione per entrambi i reattori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: schermata di acquisizione di dati di temperatura per il sistema di preriscaldo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: schema del 25 kW th CaL (carbonatore CFB e calcinazione BFB). 1: carbonatore; 2: calcinatore; 3: abbassare l'anello-sigillo; 4: ciclo-guarnizione superiore; 5: ciclone carbonatore; 6: ciclone calcinatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. avviare la combustione nel calcinatore
    1. aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore da 0 a 40% vol., assicurandosi che la concentrazione sia stabile prima di iniziare la combustione.
    2. Iniziare il flusso stechiometrico di gas naturale manualmente utilizzando un rotametro assicurandosi che la combustione sia stabile.
      Nota: Il flusso di gas naturale dovrebbe essere aumentato con attenzione. Verifica che i dati mostrano un adeguato livello di reazione di combustione.
    3. Aumentare la concentrazione di ossigeno nel calcinatore incrementi vol 20% regolando il rotametro del flusso di gas naturale per garantire la combustione stechiometrica.
      Nota: Questo processo deve essere eseguito con estrema cura. In caso di sospetto che la combustione non è in corso come previsto dai calcoli preliminari quindi fermare il flusso di gas naturale e passare il flusso di ossigeno azoto per un funzionamento sicuro. Identificare l'origine di questa discrepanza. La durata complessiva di questo processo è di circa 1 h.
    4. Combustione di gas naturale di ottenere 100% ossigeno concentrazione.
      Nota: I dati di composizione di temperatura e gas devono essere seguiti attentamente durante il test, ma soprattutto quando la combustione avviene in ossigeno 100%.
    5. Aggiungi calcare in incrementi di 0,5 L fino a 7 L nel letto fluido. Calcine tutto il materiale nel letto fluidizzato del calcinatore (la temperatura di calcinazione stimato è 800-850 ° C per il batch presente nel calcinatore e la temperatura di calcinazione per i seguenti lotti).
    6. Aumentare il flusso di N. 2 nella carbonatore per avviare la circolazione. Controllare la circolazione vista porta regolarmente per assicurare la corretta circolazione.
    7. Calcine tutti il calcare disponibile prima di iniziare la cattura di CO 2 in circolazione nel rig.

3. Funzionamento stabile

  1. passare manualmente il gas di carbonatazione da N 2 a 15% vol CO 2 utilizzando il rotametro, che permette il calcare calcinato catturare la CO 2.
  2. Regolare i flussi nel calcinatore manualmente utilizzando i rotametri per raggiungere una temperatura stabile di 930-950 ° C nel calcinatore regolando il flusso di gas naturale (GN) e ossigeno (all'interno del regime di fluidificazione ottimale). Il flusso di 2 O di solito è al 100% con abbastanza materiale da letto, ma è regolato in tutto l'esperimento.
  3. Quando il materiale inizia a declinare in attività (sopra 5% concentrazione di CO 2 all'uscita del gasatore, che viene acquisito continuamente dal software come descritto nel punto 2.1.3), aggiungere ulteriori calcare.

4. Procedura di arresto

  1. manualmente spegnere il flusso di gas naturale utilizzando il rotametro e diminuire il flusso di ossigeno e passare i gas in entrambi i reattori a N 2. Disattivare tutti i riscaldatori (calcinatore e gasatore).
  2. Lasciare che la temperatura dell'inventario del rig per diminuire (normalmente durante la notte) e svuotare i reattori quando sono a temperatura ambiente.
  3. Pesare i solidi estratti ed eseguire un'analisi di setacci standard. Caratterizzare il materiale: porosimetria, composizione (spettrometria di fluorescenza a raggi x, XRF) 21 , 22 e struttura microscopica (microscopia elettronica, SEM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Il set-up sperimentale è illustrato nella Figura 3. L'impianto è composto da due letto fluidificato interconnessi. Vale a dire, il gasatore è un CFB con 4,3 m di altezza e diametro interno di 0.1 m (ID); mentre calcinatore è un BFB con un'altezza di 1,2 m e m 0,165 ID. Il trasporto solido da un reattore a altro è controllato da due loop-guarnizioni fluidificate con azoto. Entrambi i reattori sono alimentati una miscela di gas attraverso una linea di preriscaldamento, ed entrambi sono riscaldati elettricamente; Inoltre, calcinatore viene alimentato con gas naturale al fine di produrre, di combustione, il calore necessario per la calcinazione di endotermica e per riscaldare il sorbente di circolazione. La piastra di distribuzione carbonatore ha 8 ugelli, ciascuno di essi con venti fori da 2 mm, mentre il calcinatore ha 20 ugelli con sei fori di 1 mm.

I risultati di tre esperimenti differenti sono discussi in questa sezione. Questi test forniscono una panoramica per quanto riguarda l'esecuzione dell'impianto pilota da aria (~ 20% vol O2) a 100% vol O2 all'ingresso del calcinatore. Questo lavoro esplora anche i risultati dell'utilizzo di distribuzioni di dimensione delle particelle differenti in questa modalità operativa per vedere se questo parametro ha un impatto sulle prestazioni complessive del sistema. Il calcare utilizzato in questo studio ha un contenuto minimo di 98,25% CaCO3.

Esperimento 1: Gas di combustione (15% vol CO2) con calcare (200-300 µm) 30% vol O2

Questo primo test con la frazione di calcare 200-300 µm è stato effettuato per il rig di test con calcare che circolano tra i due reattori entro il rig come punto di partenza per ottimizzare le prestazioni. Durante questo test, è stato realizzato un efficienza di cattura del 45% (Figura 4). Questa efficienza di cattura, Ecarb, è stata calcolata utilizzando la seguente formula23: dove FCO2 è il tasso di flusso molare di CO2 entrando il gasatore e Fcarb è il tasso di flusso molare di CO2 lasciando il carbonatore.

Equation 2(2)

Figure 4
Figura 4: concentrazione di CO2 presso l'entrata del gasatore e uscita e l'efficienza di cattura (Ecarb) per 200-300 µm calcare con 30% O2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'efficienza di cattura inferiore durante questa corsa sperimentale è stato causato principalmente dal rifornimento insufficiente di calore calcine tutto il calcare che risiedono a BFB. Questo ha causato una diminuzione del rapporto CaO/CaCO3 nel feed carbonatore. Un altro motivo probabile era la disattivazione e il riporto delle particelle calce da calcinatore, che ha ridotto l'inventario letto totale e la quantità di resina presente nel sistema. Dopo l'esperimento è stato effettuato un bilancio materie dell'inventario del reattore (tabella 1). Uno spostamento verso le frazioni più piccole può essere osservato, a causa di attrito del materiale in entrambi i letti fluidizzati.

Frazione Calcare in Calcinatore + gasatore Calcinatore a ciclone Carbonatore a ciclone
Massa totale (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%

Tabella 1: Peso di equilibrio di materiale ingressi e delle uscite per 200-300 µm calcare con 30% O2.

Esperimento 2: Gas di combustione (15% CO2) con calcare (100-200 µm) 100% O2

In questo test, lo scopo principale era di utilizzare di più piccole particelle di calcare al fine di indagare il loro effetto benefico possibile sulle prestazioni del sistema. Lo scopo secondario era di fornire più calore per il processo di calcinazione nel calcinatore BFB di combustione del gas naturale in altamente concentrato ossigeno, idealmente fino al 100% all'ingresso.

In questo esperimento, abbiamo testato con successo la possibilità di utilizzare puro O2 all'ingresso del calcinatore, che offre la possibilità di eliminare completamente il ricircolo di gas necessarie per un processo di ossi-combustibile standard. Ciò è reso possibile tramite il consumo di calore sotto forma di un materiale a letto fluido circolante e la reazione di calcinazione continuo.

L'uso di particelle più piccole non ha avuto un effetto benefico sul processo di carbonatazione, probabilmente a causa della maggiore area di contatto tra particelle e gas. Tuttavia, c'è qualche polemica in questa materia, come le particelle più piccole hanno dimostrato reattività in diminuzione a causa del maggiore contenuto di impurità24. Quasi tutto il calcare aggiunto che era < 150 µm era elutriated molto rapidamente da calcinatore al ciclone a valle. Di conseguenza, è stato molto difficile mantenere l'inventario necessario di calce nel rig necessari per raggiungere una maggiore efficienza di cattura. I risultati dell'efficienza di cattura sono nella Figura 5.

Figure 5
Figura 5: concentrazione di CO2 presso l'entrata del gasatore e uscita e l'efficienza di cattura corrispondente (Ecarb) per 100-200 µm calcare con 100% O2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il saldo degli ingressi e uscite dei solidi è state effettuate dopo la prova (tabella 2), e si è scoperto che la maggior parte di tmateriale ha introdotto nel rig durante l'esperimento è finito nel ciclone calcinatore. Questo è stato probabilmente la causa principale dell'efficienza bassa cattura misurato durante questo test.

Frazione Calcare Gasatore Calcinatore Calcinatore a ciclone Carbonatore a ciclone
Massa 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%
0-63 µm 2% 0% 0% 3% 1%

Tabella 2: Resto di materiale recuperato e la sua analisi del setaccio per 100-200 µm calcare con 100% O2.

Per concludere, abbiamo testato con successo l'uso di puro O2 all'ingresso del calcinatore al fine di eliminare completamente il riciclo del gas necessario per un processo di ossi-combustibile standard. Questo è possibile a causa del dissipatore di calore fornito sotto forma di circolazione a letto fluidizzato materiale e la reazione di calcinazione continuo. Tuttavia, la distribuzione di dimensione delle particelle piccole (100-200 µm) non era utile per il processo di acquisizione, a causa della elutriazione delle particelle. Era estremamente difficile mantenere l'inventario di letto necessaria per ottenere una maggiore efficienza di cattura. Pertanto, abbiamo deciso di indagare l'uso di particelle più grandi nella prossima campagna sperimentale.

Esperimento 3: Gas di combustione (15% CO2) con calcare (300-400 µm) 100% O2

Durante questa prova, le prestazioni della frazione 300-400 µm è stata testata in modo da ridurre le alte perdite di materiale dal letto fluidizzato del calcinatore come visto in precedenti esecuzioni. Questo è stato previsto per consentire la conservazione dell'inventario necessario calce/calcare necessario per la sua cattura efficiente circolazione e carbonio. A causa di uso di una quantità appropriata di sorbente circolanti nel rig e sufficiente calore fornito dalla combustione di gas naturale in ossigeno puro (rilasciando 18 kW), un'efficienza di cattura stabile ~ 70% è stato raggiunto per più di 3 h; si tratta di un risultato molto buono se si considera il tubo reattore carbonatore relativamente breve e il conseguente breve tempo di contatto tra l'assorbente e CO2. La concentrazione di CO2 all'uscita del gasatore è stata mantenuta sotto 5% vol, e fresco calcare (in lotti di 0,5 L) è stato aggiunto al calcinatore quando la concentrazione di CO2 all'uscita del gasatore superato questo valore. Una stalla sperimentale eseguita è stata realizzata con condizioni ottimizzate.

Il processo avviato con la procedura standard; cioè, prima che il reattore era riscaldato fino a 700 ° C, poi 2,9 L del calcare è stato aggiunto nel calcinatore e riscaldato. Le temperature e concentrazioni di gas nel calcinatore sono illustrate nella Figura 6. Si noti che i numeri qui sotto corrispondono a quei passi nella Figura 6. 1) il flusso d'aria è stato sostituito da una miscela di flusso di 40% O2 e 60% N2 e la combustione di gas naturale in letto fluido è stata iniziata (9,1 kW). Il calcare in letto fluido era riscaldato superiore a 800 ° C e 3 più batch di calcare (1 L) sono stati aggiunti al calcinatore. 2) mentre il calcare è stato calcinazione in letto fluido, la circolazione di calce/calcare è stata iniziata da preriscaldato N2 che scorre attraverso il gasatore (ad una velocità di 2,5 m/s a 650 ° C). Un ulteriore 0,9 calcare L è stato aggiunto e 3) un fresco O2 cilindro era collegato all'ingresso del calcinatore. 4) la riconnessione dopo l'ossigeno, la combustione è stato avviato nuovamente, questa volta in una concentrazione di2 di ingresso O di 70% (e 30% N2), che ha condotto ad un consumo di 14 kW di gas naturale per raggiungere una concentrazione di2 O all'uscita del ~ 5% (in gas umido). 5) puro O2 è stato introdotto all'ingresso del calcinatore, che ha condotto al rilascio di calore di 18 kW in calcinatore e 6) la carbonatazione è stata avviata nel gasatore che inietta 15% di CO2. L'efficienza di carbonatazione (Figura 7) era il più alto ancora su questo design di reattore (~ 70%). 7) la velocità del gas che fluisce attraverso il BFB del calcinatore doveva essere abbassata a 0,30 m/s (richiesto dalla temperatura desiderata) per mantenere la temperatura di circa 930 ° C generato dalla combustione di gas naturale in puro O2 (pur mantenendo la concentrazione di O2 in off-gas ad un livello industrialmente accettabile inferiore a 5% vol).

Figure 6
Figura 6: temperatura di BFB del calcinatore e la temperatura e la composizione del gas alla sua uscita. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La temperatura in letto fluido è stata mantenuta costante durante il test regolando la portata di gas naturale e consecutivamente regolazione della portata di O2 per raggiungere una velocità di calcinatore di ~0.30 m/s. Durante l'operazione costante, è stato osservato il seguente equilibrio energetico: nel calcinatore, l'ossigeno è stato preriscaldato a 300 ° C soltanto per motivi di sicurezza; quindi, fornendo 0,5 kW a calore latente. Circa 15,5 kW è stata rilasciata dalla combustione di gas naturale in letto fluido, ma solo 5.3 kW era necessaria per una calcinazione continuo (quando è stato aggiunto nessun materiale fresco), 3.6 kW per coprire il calore latente di off-gas e ~ 7 kW per il riscaldamento la circolazione adsorbente e t o coprire le perdite di calore. Nel gasatore, 3.2 kW è stato fornito di preriscaldamento del gas (a350 ° C) e 5,4 kW è stato rilasciato dal processo di carbonatazione. Quasi 5 kW, fu trasportato il gasatore come calore latente della off-gas e 3,6 kW necessari per essere dissipata dalle perdite di calore per coprire il calore liberato dalla reazione esotermica mantenendo la temperatura a 650 ° C. Quando il processo di carbonatazione inizia (ed è efficace), la temperatura nel gasatore si avvicina a 700 ° C, che sposta la concentrazione di equilibrio termodinamico raggiungibile del gas outlet a valori più elevati. Questa concentrazione minima teorica, dipenda dalla temperatura del gasatore, è raffigurata a fianco la concentrazione misurata durante la prova in Figura 7.

Il processo di carbonatazione è stato avviato con ~6.7 L di calcare presenti nel rig. Un ulteriore 0,54 L all'inizio della carbonatazione (13:45 in Figura 7) ha provocato la diminuzione del residuo di CO2 nel gas sotto 5% vol, e questo livello è stato mantenuto durante tutta la prova da aggiunte di 0,5 L calcare batch (quando il concentrazione di CO2 all'uscita del gasatore superiore al 5%). Gli intervalli di tempo tra le aggiunte di roccia calcarea fresco a calcinatore erano 15, 20, 50, 45 e 50 min. Di conseguenza, abbiamo concluso che un funzionamento stabile richiede l'aggiunta di fresco sorbente corrispondente a 0,5 L (750 g) di calcare circa ogni 50 min, che è equivalente a un rapporto di make-up (F0/fCO2) del 6%, come descritto altrove25 . Il rapporto di make-up in questi esperimenti è stato influenzato principalmente dal calcare (decadimento di reattività e classificazione mediante veicolo fluido). Il valore di questo parametro è stato scelto sulla base della concentrazione di CO2 all'uscita del gasatore, vale a dire, aggiungendo più calcare quando raggiunse un vol 5% CO2.

Basato sull'analisi setacciatura, concludiamo che la frazione di calcare originale è stata conservata per la maggior parte principalmente nella circolazione rig, mentre le particelle < 250 µm sono stati riportati al ciclone calcinatore. Queste particelle è derivato principalmente dalla rottura/logorio delle particelle più grosse.

Frazione Calcare in Gasatore Calcinatore Calcinatore a ciclone Carbonatore a ciclone
Massa 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%
150-212 µm 0% 3% 1% 35% 14%
63-150 µm 0% 5% 0% 41% 46%
0-63 µm 0% 0% 0% 12% 38%

Tabella 3: Bilancio di solidi di massa e setacciatura degli ingressi (calcare) e uscite (altre) per 300-400 µm calcare con 100% O2.

Frazione Calcare in Gasatore Calcinatore Calcinatore a ciclone Carbonatore a ciclone Differenza (fuori-in)
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

Tabella 4: Stima di equilibrio molare (10% di umidità del calcare crudo, 75% in peso dell'output in stato calcinato) per 300-400 µm calcare con 100% O2.

Figure 7
Figura 7: CO2 concentrazione presso l'entrata del gasatore e uscita e l'efficienza di cattura corrispondente (Ecarb) per 300-400 µm calcare con 100% O2.  Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Il funzionamento del calcinatore con un'insenatura di ossigeno 100% vol è realizzabile, basato sullo sfruttamento della natura endotermica della reazione di calcinazione, come pure il fatto che i solidi circolano tra i due reattori a diverse temperature. Questa modalità di funzionamento mira a rendere il processo di CaL più economicamente promettente riducendo il capitale e i costi operativi. Come il riciclo dei fumi gas (principalmente CO2, vapore acqueo e non reagiti O2) è ridotti o addirittura eliminati, il calore consumato per il preriscaldamento di questo flusso è inferiore. Di conseguenza, meno ossigeno è necessaria e un ASU più piccoli sarebbero necessari. Come il flusso di gas sarebbe inferiore in questa configurazione, è possibile che la dimensione del calcinatore sarebbe più piccola per la stessa velocità di fluidizzazione.

Una metodologia standard è stata sviluppata per garantire il funzionamento sicuro della concentrazione alta-ossigeno nel calcinatore. I risultati hanno mostrato un'efficienza di cattura fino al 70% in alcuni esperimenti eseguiti. Inoltre, distribuzioni di dimensione delle particelle differenti sono stati usati in questa configurazione del reattore (gasatore come un CFB; calcinatore come un BFB). Le distribuzioni erano: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. Per la distribuzione più piccola (100-200 µm), tuttavia, ci sono stati problemi di classificazione mediante veicolo fluido e la maggior parte dell'inventario letto è stata trovata nel contenitore di raccolta del calcinatore ciclone. I migliori risultati sono stati ottenuti con la distribuzione di dimensione delle particelle più grande (300-400 µm): un Ecarb di ~ 70% è stato mantenuto in tutto l'esperimento con un rapporto di make-up di circa il 6%.

Questo protocollo è stato migliorato riducendo al minimo il riscaldamento elettrico fornito per il gas e la calcinazione in quando il gas naturale viene bruciato, al fine di proteggere i tubi da scariche elettriche causate da elementi riscaldanti. Inoltre, è stato notato che l'aumento di concentrazione di O2 può essere raggiunto più rapidamente che in iniziale campagne sperimentali, da vol 20% a 60% vol e 100% vol. È importante evidenziare che le fasi più critiche in questo processo sono l'inizio della combustione e l'aumento della concentrazione dell'ossigeno, che può causare aumento delle temperature che si spegne la fonte di gas naturale, se la temperatura va supera 980 ° C. Inoltre, il materiale make-up è una preoccupazione, come si può abbassare la temperatura del reattore e interrompere il processo di combustione, e pertanto, dovrebbe essere aggiunto in piccoli lotti.

Con questa metodologia applicata a questo impianto sperimentale, è possibile testare nuovi materiali sintetici, anche come materiali migliorati tramite drogaggio, pre-trattamento termico, pre-trattamento chimico, ecc.26 questo protocollo permette questi nuovi sorbenti per essere testato in condizioni reali, fornendo una metodologia standard per il confronto sorbente. Tuttavia, ci sono alcune sfide quando si applica questo concetto a scala più ampia, come l'uso del carbone nel calcinatore in queste condizioni di funzionamento. L'uso di combustibili solidi aumenterebbe la difficoltà nell'operazione calcinatore a causa delle alte temperature, che può portare a cenere agglomerazione e alla fine defluidizing fenomeni27. Questo ha bisogno di ulteriori studi al fine di determinare la fattibilità del presente protocollo; Tuttavia, il concetto è stato dimostrato successo al pilota in questo lavoro utilizzando gas naturale.

Un'altra limitazione derivante da questo studio è la durata dei test, con circa 3 h di funzionamento stazionario al test; Questo è dovuto al processo di riscaldamento della pianta, che è un processo lento. Il numero medio di cicli di carbonatazione/calcinazione esperti da una particella quando circola tra reattori non è noto. È possibile che la concentrazione di ossigeno ad alta aveva un effetto negativo, causando più di sinterizzazione nelle particelle di calcare. L'indagine successiva di queste sfide sarebbe utile per valutare l'idoneità del protocollo come un romanzo e la modalità di funzionamento fattibile per le piante di CaL a una scala superiore.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

La ricerca che porta a questi risultati ha ricevuto finanziamenti dal fondo di ricerca della Comunità europea del carbone e dell'acciaio (RFC) sotto concedere contratto n ° RFCR-CT-2014-00007. Questo lavoro è stato finanziato da la UK Carbon Capture and Storage Research Centre (UKCCSRC) nell'ambito di progetti di Call 2. UKCCSRC è supportato da ingegneria e scienze fisiche Research Consiglio (EPSRC) come parte del programma di ricerca del Consiglio UK Energy, con ulteriori fondi dal dipartimento di impresa, l'energia e la strategia industriale (BEIS - precedentemente DECC). Gli autori vorrei anche ringraziare il signor Martin Roskilly per il suo enorme aiuto durante tutto il corso di questo lavoro.

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

Scienze ambientali problema 128 calcio looping esperimenti di impianto pilota cattura di CO2 procedura operativa ossi-combustibile calcinazione l'efficienza di cattura.
Funzionamento di una 25 KW<sub>th</sub> calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore
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