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Operação de um 25 KWth cálcio loop planta-piloto com concentrações de oxigênio alta no calcinador

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

Summary

Este manuscrito descreve um procedimento para operar um planta-piloto para a captura de carbono pós-combustão com concentrações de oxigênio alta no calcinador a fim de reduzir ou eliminar a reciclagem do gás de conduto de loop de cálcio.

Abstract

Cálcio (CaL) de loop é uma tecnologia de captura de2 CO de pós-combustão é adequada para modernização de usinas existentes. O processo de CaL usa calcário como um barato e facilmente disponível CO2 adsorvente. Enquanto a tecnologia tem sido amplamente estudada, existem algumas opções disponíveis que poderiam ser aplicadas para torná-lo mais economicamente viável. Uma delas é aumentar a concentração de oxigênio no calcinador para reduzir ou eliminar a quantidade de gás reciclado (CO2, H2O e impurezas); Portanto, diminuir ou retirar a energia necessária para aquecer o fluxo de gás reciclado. Além disso, há um aumento resultante na entrada de energia, devido à mudança na intensidade da combustão; Esta energia é usada para permitir que a reação endotérmica calcinação ocorra na ausência dos gases de combustão reciclado. Este trabalho apresenta a operação e os primeiros resultados de uma planta piloto de CaL com combustão de oxigênio 100% do gás natural no calcinador. O gás entra o carbonator foi um gás de conduto simulado de uma usina termelétrica a carvão ou a indústria do cimento. Várias distribuições de tamanho de partículas de calcário são também testadas para explorar ainda mais o efeito desse parâmetro sobre o desempenho geral deste modo de funcionamento. A configuração do sistema do reator, os procedimentos operacionais e os resultados são descritos em detalhes neste documento. O reator mostrou boa estabilidade hidrodinâmica e captura de2 CO estável, com eficiência de captura de até 70% com uma mistura de gás simulando o gás de conduto de uma usina de carvão.

Introduction

Emissões de CO2 e o resultante aquecimento global são problemas ambientais críticos que têm atraído uma grande quantidade de pesquisa nos últimos anos. Captura e armazenamento (CCS) tem sido reconhecida como uma tecnologia potencial para reduzir as emissões de CO2 para a atmosfera1,2. A parte mais desafiadora da cadeia de CCS é a captura de CO2, que também é o mais caro de fase3. Em consequência, houve um foco no desenvolvimento de novas tecnologias para captura de CO2 de usinas e outras instalações industriais.

CaL, como uma tecnologia de captura pós-combustão CO2 , foi proposto por Shimizu et al . 4 CO2 é capturado por um CaO-based adsorvente em 600-700 ° C em um reator chamado um carbonator e lançado pela calcinação subsequente a 850-950 ° C (em um calcinador) de acordo com a EQ. (1), para produzir um fluxo de2 CO alta pureza apropriado para o sequestro de5,6. O ciclo de CaL utiliza leitos fluidizados, que representam uma configuração ideal para este processo, uma vez que eles permitem grandes quantidades de sólidos para circular facilmente de um reator para os outros4,5,6 , 7 , 8.

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

Este conceito tem sido demonstrado em escala piloto, por vários grupos e com configurações diferentes e escalas, tais como o piloto de 0,2 MWth em Estugarda, a 1 MWth piloto em Darmstadt,, o piloto de 1,7 MWth em La Pereda e a unidade de MWth 1.9 em Taiwan9,10,11,12,13,14,15,16. Embora este processo tenha sido provado, ainda existem possibilidades para aumentar sua eficiência térmica, tais como, modificando as condições de funcionamento padrão e mudanças no design da configuração do reator.

O uso de tubos de calor entre o combustor e calcinador tem sido estudado em vez de oxi-combustão combustível no calcinador. Os resultados para o desempenho de captura do CO2 são comparáveis com os de uma planta piloto CaL convencional, no entanto, este processo tem maior eficiência de planta e menor evasão de CO2 custa17. Martínez et al . 18 investigou as possibilidades de integração de calor para pré-aquecer o material sólido, entrando o calcinador e para reduzir o calor necessário no calcinador. Os resultados mostraram redução de 9% do consumo de carvão, quando comparada com a aquela do caso padrão. Outras possibilidades estudadas para integração de calor também têm considerado de opções de integração interna e externa19.

Um dos principais problemas do ciclo da CaL, do ponto de vista económico é fornecer a energia necessária no calcinador através de de combustão de combustível20. Aumentando a concentração de oxigênio na entrada do calcinador a propõe-se a fim de reduzir ou mesmo evitar a necessidade de reciclar de CO2 para o calcinador. Esta alternativa reduz os custos de capital (tamanho reduzido das unidades de separação calcinador e ar (ASU)), que podem melhorar significativamente a competitividade deste processo. A mudança drástica nas condições de combustão pode ser alcançada através da exploração da reação endotérmica calcinação e o grande fluxo de3 CaO/CaCO circulando desde o carbonator operando a baixas temperaturas (nem vantagem está disponível com o tecnologia de oxi-combustão).

Este trabalho tem como objetivo desenvolver um procedimento padrão para a execução de uma planta piloto de CaL com um carbonator cama de leito fluidizado circulante (CFB) e um calcinador cama de leito fluidizado borbulhando (BFB) com concentração de 100% O2 na entrada do calcinador a. Várias campanhas experimentais foram executadas durante o comissionamento da planta piloto para garantir um funcionamento adequado como o oxigênio concentração aumentada. Além disso, distribuições de tamanho da partícula do calcário do três (100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm) foram estudadas para investigar como este parâmetro afeta a elutriation de partículas e capturar a eficiência deste modo de funcionamento.

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Protocol

1. preparação de material

  1. peneira o calcário (~ 50 kg de matéria-prima) para a distribuição de tamanho de partícula desejado (300-400 µm ou outra distribuição dependendo da experiência) utilizando um agitador mecânico. Colocar o material peneirado em uns potenciômetros ao lado do calcinador para alimentação durante o teste
  2. Preparar o material em lotes a ser introduzido no reator. Os lotes são geralmente 0,5 L ou L 1 (1L de calcário é aproximadamente 1,5 kg), mas isso pode variar dependendo dos parâmetros de funcionamento.

2. Processo de arranque

atenção: extremamente altas temperaturas são alcançadas aqui. EPI adequado como luvas, óculos, sapatos de segurança e casaco de laboratório são necessários.

  1. Aquecimento rápido dos reactores
    1. começar o baixo fluxo de N 2 no carbonator (60 L/min) e calcinador (20 L/min), assim como os laço-selos (10 L/min) nos rotâmetros.
    2. Ligar os transformadores carbonator manualmente. Definir a temperatura de todos os preheaters elétricas do carbonator a 600 ° C.
    3. Iniciar a aquisição de dados (para pressões e temperaturas de gás, use o botão de gravação no software). Os dados incluem temperaturas, pressões e composição do gás de ambos os reatores. Na Figura 1 e Figura 2, são mostradas imagens do sistema de aquisição de dados.
    4. Ativar o calcinador preheaters de gás. Ligar o aquecedor em torno do calcinador a 600 ° C, medido dentro o BFB através de um termopar.
      Nota: Dados tais como composição de temperatura, pressão e gás já estão sendo adquiridos como indicado no passo 2.1.3.
    5. Colocar o BFB no calcinador 3L da pedra calcária peneirada. Primeiro abra a válvula de topo, introduzir o material no tubo de baixo e fechar a válvula de topo, depois abra a válvula de fundo, para que o material flui para o reator.
    6. Aqueça o material na BFB para acima de 650 ° C (pelo aquecedor elétrico em torno do calcinador).
      Nota: Isto geralmente leva ~ 1 h, durante essa verificação de tempo a aquisição de dados e as pressões nas leitos fluidizados.

Figure 1
Figura 1: captura de tela de aquisição de dados de temperatura e pressão para ambos os reactores. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Screenshot de aquisição de dados de temperatura para o sistema de pré-aquecimento. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: esquema dos 25 kW th CaL (carbonator CFB e calcinador BFB). 1: carbonator; 2: calcinador; 3: Baixe o laço-selo; 4: laço-selo superior; 5: ciclone carbonator; 6: ciclone calcinador. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. iniciar combustão no calcinador
    1. aumentar a concentração de oxigênio no calcinador de 0 a 40% vol, certificando-se que a concentração é estável antes de iniciar a combustão.
    2. Iniciar o fluxo estequiométrico de gás natural manualmente usando um rotâmetro certificando-se que a combustão é estável.
      Nota: O fluxo de gás natural deve ser aumentado com cuidado. Verifique que os dados mostram um nível adequado de reação de combustão.
    3. Aumentar a concentração de oxigênio no calcinador em incrementos de 20% vol, ajustando o rotâmetro de fluxo de gás natural para garantir a combustão estequiométrica.
      Nota: Este processo deve ser realizado com extremo cuidado. Se qualquer suspeita surge que a combustão não está ocorrendo como esperado dos cálculos preliminares, em seguida, interromper o fluxo de gás natural e mudar o fluxo de oxigênio para o nitrogênio para a operação segura. Identifica a origem desse descompasso. A duração total deste processo é de cerca de 1 h.
      4. Combustão de gás natural do atingir 100% oxigênio concentração de
    4. .
      Nota: Os dados de composição do gás e a temperatura devem ser cuidadosamente seguidos ao longo de todos os testes, mas especialmente quando a combustão está ocorrendo em oxigênio a 100%.
    5. Adicionar calcário em incrementos de 0,5 L, até o leito fluidizado é o 7 eu. Calcine todo o material no leito fluidizado do calcinador (a temperatura de calcinação estimado é 800-850 ° C para o lote presente no calcinador e a temperatura do calcinador para os lotes a seguintes).
    6. Aumentar o fluxo de N 2 no carbonator para iniciar a circulação. Verifique a porta de vista circulação regularmente para assegurar a adequada circulação.
    7. Calcine todo o calcário disponível circulando na ambulância antes de iniciar a captura de 2 CO.

3. Operação estável

  1. alternar manualmente o gás de carbonatação de N 2 a 15% vol, CO 2, usando o rotâmetro, que permite que o calcário calcinado começar a captura de CO 2.
  2. Ajustar os fluxos do calcinador manualmente usando os rotâmetros para atingir uma temperatura estável de 930-950 ° C no calcinador regulando o fluxo de gás natural (GN) e oxigênio (dentro do regime de fluidização ideal). O fluxo de 2 O geralmente é 100% com bastante material de cama, mas ele é ajustado ao longo do experimento.
  3. Quando o material começa a declinar em atividade (concentração superior a 5% CO 2 na saída o carbonator, que é adquirido continuamente pelo software, conforme descrito na etapa 2.1.3), adicionar mais calcário.

4. Procedimento de desligamento

  1. manualmente desligar o fluxo de gás natural usando o rotâmetro e diminuir o fluxo de oxigênio e trocar os gases em ambos os reatores de N 2. Desligue todos os aquecedores (calcinador e carbonator).
  2. Permitir que a temperatura do inventário da plataforma para diminuir (normalmente durante a noite) e esvaziar os reatores quando estão à temperatura ambiente.
  3. Pesar os sólidos extraídos e realizar uma análise de peneira padrão. Caracterizar o material: porosimetria, composição (espectrometria de fluorescência de raios-x, XRF) 21 , 22 e estrutura microscópica (microscopia eletrônica, SEM).

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Representative Results

A montagem experimental é mostrada na Figura 3. A planta é composta por duas interligadas de leito fluidizado-camas. Ou seja, o carbonator é um CFB com 4,3 m de altura e 0,1 m de diâmetro interno (ID); enquanto o calcinador é uma BFB com altura de 1,2 m e m 0,165 ID. O transporte sólido de um reator para outro é controlado por dois selos loop de leito fluidizados com nitrogênio. Ambos os reatores são alimentados com uma mistura de gás através de uma linha de pré-aquecimento, e ambos são aquecidos electricamente; Além disso, o calcinador é alimentado com gás natural para produzir, por combustão, o calor necessário para a calcinação endotérmica e o adsorvente de circulação de calor. A placa de distribuidor carbonator tem 8 bicos, cada um com vinte furos de 2 mm, enquanto o calcinador tem 20 bocais com seis furos de 1 mm cada.

Os resultados de três experimentos diferentes são discutidos nesta seção. Estes testes fornecem uma visão geral em relação à execução da planta piloto do ar (~ 20% vol. O2) para 100% vol. O2 , à entrada do calcinador. Este trabalho também explora os resultados do uso de distribuições de tamanho de partícula diferente nesse modo operacional para ver se este parâmetro tem um impacto sobre o desempenho geral do sistema. O calcário utilizado neste estudo tem um teor mínimo de 98.25% CaCO3.

Experimento 1: Gás de conduto (15% vol, CO2) com pedra calcária (200-300 µm) 30% vol O2

Este primeiro teste com a fração de calcário, 200-300 µm foi realizada para testar o equipamento com pedra calcária circulando entre os dois reatores dentro o equipamento como ponto de partida para otimização de desempenho. Durante este teste, uma eficiência de captura de 45% foi alcançada (Figura 4). Esta eficiência de captura, Ecarb, foi calculada usando a seguinte fórmula23: onde FCO2 é a taxa de fluxo molar de CO2 , entrando o carbonator e Fcarb é a taxa de fluxo molar de CO2 deixando o Carbonator.

Equation 2(2)

Figure 4
Figura 4: concentração de CO2 na entrada do carbonator e saída e a eficiência de captura (Ecarb) para 200-300 µm de calcário com 30% O2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A eficiência de captura inferiores durante esta execução experimental foi causada principalmente pela oferta insuficiente de calor para calcinar todo o calcário que residem no BFB. Isto causou uma diminuição do rácio CaO/CaCO3 na alimentação carbonator. Outra provável razão foi a desativação e reporte das partículas de calcário do calcinador, que reduziu o inventário de cama total e a quantidade de adsorvente presente no sistema. Após o experimento, foi realizado um balanço dos materiais do inventário do reator (tabela 1). Pode ser observada uma mudança para frações menores, por causa do atrito do material em ambos os leitos fluidizados.

Fração Calcário em Calcinador + Carbonator Calcinador ciclone Carbonator ciclone
Massa total (g) 9100 5000 500 20
250-300 µm 22% 24% 2% 0%
212-250 µm 47% 41% 6% 18%
212-150 µm 28% 34% 24% 18%
0-150 µm 3% 1% 69% 65%

Tabela 1: Peso de equilíbrio do materiais entradas e saídas para 200-300 µm de calcário com 30% O2.

Experimento 2: Gás de conduto (15% CO2) com pedra calcária (100-200 µm) 100% O2

Neste teste, o objectivo principal era usar das menores partículas de calcário para investigar seus eventuais efeitos benéficos sobre o desempenho do sistema. O objetivo secundário foi fornecer mais calor para o processo de calcinação em calcinador o BFB por combustão o gás natural em altamente concentrado de oxigênio, idealmente até 100% na entrada.

Neste experimento, testamos com sucesso a possibilidade de utilizar O puro2 na entrada do calcinador, que oferece a possibilidade de eliminar completamente a reciclagem do gás de escape necessária para um processo de oxi-combustível padrão. Isto é possibilitado através do consumo de calor sob a forma de um material de leito fluidizado circulante e a reação de calcinação contínua.

O uso de partículas menores não tem um efeito benéfico sobre o processo de carbonatação, provavelmente devido a maior área de contato entre as partículas e o gás. No entanto, existe alguma controvérsia neste assunto como partículas menores têm mostrado diminuição da reatividade devido ao maior teor de impurezas24. Quase todo o calcário adicionado que foi < 150 µm foi rapidamente elutriated partir do calcinador para o ciclone a jusante. Portanto, foi muito difícil manter o estoque necessário de cal no equipamento necessário para alcançar maior eficiência de captura. Os resultados a eficiência de captura são na Figura 5.

Figure 5
Figura 5: concentração de CO2 na entrada do carbonator e saída e a eficiência de captura correspondente (Ecarb) para 100-200 µm de calcário com 100% O2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O balanço das entradas e saídas dos sólidos foi realizadas após o teste (tabela 2), e foi descoberto que a maioria dos tmaterial introduziu para o equipamento durante o experimento acabou no ciclone calcinador. Isto foi provavelmente a principal causa da eficiência baixa captura medido durante este teste.

Fração Pedra calcária Carbonator Calcinador Calcinador ciclone Carbonator ciclone
Massa 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%

Tabela 2: Equilíbrio de material recuperado e sua análise de peneira para 100-200 µm de calcário com 100% O2.

Para concluir, testamos com sucesso o uso de puro O2 na entrada do calcinador a fim de eliminar completamente a reciclagem do gás necessário para um processo de oxi-combustível padrão. Isso é possível devido o dissipador de calor fornecido sob a forma de circulação de material do leito fluidizado e a reação de calcinação contínua. No entanto, a distribuição de tamanho de partícula pequena (100-200 µm) não foi benéfica para o processo de captura, devido a elutriation das partículas. Foi extremamente difícil manter o inventário de cama é necessário para obter uma maior eficiência de captura. Por isso, decidimos investigar o uso de partículas maiores na próxima campanha experimental.

Experimento 3: Gás de conduto (15% CO2) com pedra calcária (300-400 µm) 100% O2

Durante este julgamento, o desempenho da fração 300-400 µm foi testado a fim de reduzir as perdas de material elevadas do leito fluidizado do calcinador como visto em corridas anteriores. Isso era esperado para permitir a retenção do estoque de cal ou calcário necessário necessário para a captura de carbono e circulação eficiente. Devido ao uso de uma quantidade adequada de adsorvente circulando no equipamento e suficiente calor fornecida pela combustão do gás natural em oxigênio puro (liberando 18 kW), uma eficiência de captura estável de ~ 70% foi alcançado por mais de 3 h; Este é um resultado muito bom quando se considera o tubo do reator carbonator relativamente curto e consequente curto tempo de contato entre o adsorvente e CO2. A concentração de CO2 , à saída do carbonator foi mantida abaixo de 5% vol, e pedra calcária fresca (em lotes de 0,5 L) foi adicionada para o calcinador quando a concentração de CO2 , à saída do carbonator excedido este valor. Um estábulo experimental executado foi alcançado com condições otimizadas.

O processo começou com o procedimento padrão; isto é, primeiro que o reator era aquecido até 700 ° C, em seguida, 2,9 L de calcário foi adicionado para o calcinador e aquecido. As temperaturas e as concentrações de gases no calcinador são mostradas na Figura 6. Observe que os números abaixo correspondem a esses passos na Figura 6. 1) o fluxo de ar foi substituído por uma mistura de fluxo de 40% O2 e 60% N2 e iniciou-se a combustão do gás natural no leito fluidizado (9,1 kW). O calcário no leito fluidizado foi aquecido acima de 800 ° C e 3 lotes mais de calcário (1 L) foram adicionados para o calcinador. 2) enquanto o calcário foi calcinação no leito fluidizado, a circulação do cal ou calcário foi iniciada por fluxo pré-aquecido N2 através do carbonator (a uma velocidade de 2,5 m/s a 650 ° C). Um 0.9 adicional foi adicionado calcário L e 3) um cilindro de2 O fresco foi conectado com a entrada do calcinador. 4) após reconectar o oxigênio, a combustão foi iniciado novamente, desta vez numa entrada O2 concentração de 70% e 30% N2, que levou a um consumo de 14 kW de gás natural para atingir uma concentração de O2 na saída de ~ 5% (em gás úmido). 5) O puro2 foi introduzido à entrada do calcinador, que levou para a liberação de calor de 18 kW para o calcinador e 6) a carbonatação foi iniciada no carbonator por injetar 15% de CO2. A eficiência da carbonatação (Figura 7) foi o mais alto ainda sobre este projeto do reator (~ 70%). 7) a velocidade do gás que circula o BFB do calcinador teve de ser reduzido a 0,30 m/s (exigido pela temperatura desejada) para manter a temperatura do cerca de 930 ° C gerado pela combustão do gás natural em puro O2 (mantendo a concentração de O2 , no gás de escape para um nível aceitável industrialmente abaixo de 5% vol).

Figure 6
Figura 6: temperatura do BFB do calcinador e a temperatura e a composição do gás na sua saída. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A temperatura do leito fluidizado manteve-se constante durante o ensaio regulando a vazão de gás natural e consecutivamente, ajustando a taxa de fluxo de O2 para atingir uma velocidade de calcinadores de ~0.30 m/s. Durante a operação constante, observou-se o seguinte equilíbrio energético: no calcinador, o oxigênio foi pré-aquecido para apenas 300 ° C por razões de segurança; daí, fornecendo 0,5 kW de calor latente. Cerca de 15,5 kW foi lançado pela combustão do gás natural no leito fluidizado, mas apenas 5.3 kW era necessária para uma calcinação contínua (quando nenhum material fresco foi adicionado), 3.6 kW para cobrir o calor latente do gás de escape e ~ 7 kW para aquecimento a circulação adsorvente e t o cobrir as perdas de calor. No carbonator, 3.2 kW foi fornecido pelo pré-aquecimento o gás (para350 ° C) e 5,4 kW foi lançado pelo processo de carbonatação. Quase 5 kW foi levado fora o carbonator como calor latente do gás de escape e 3,6 kW necessário para ser dissipada por perdas de calor para cobrir o calor liberado pela reação exotérmica, mantendo a temperatura de 650 ° c. Quando o processo de carbonatação inicia (e é eficaz), a temperatura no carbonator aborda 700 ° C, que muda a concentração de equilíbrio termodinâmico atingível dos gases de saída para valores mais altos. Esta concentração mínima teórica, dependente da temperatura carbonator, é retratada ao lado a concentração medida durante o teste na Figura 7.

O processo de carbonatação foi iniciado com ~6.7 L de calcário presente na ambulância. Um adicional 0,54 L no início da carbonatação (13:45 na Figura 7) resultou na diminuição de residual de CO2 nos gases de abaixo de 5% vol, e este nível foi mantido durante todo o ensaio por adições de lotes de pedra calcária de 0,5 L (quando o concentração de CO2 na saída do carbonator excedeu 5%). Os intervalos de tempo entre as adições de calcário fresco para o calcinador eram 15, 20, 50, 45 e 50 min. Portanto, concluímos que uma operação estável requer a adição de fresco adsorvente correspondentes a 0,5 L (750 g) de calcário aproximadamente cada 50 min, o que equivale a uma proporção de maquiagem (F0fCO2) de 6%, conforme descrito em outro lugar25 . O rácio de make-up nestas experiências principalmente foi influenciado por pedra calcária (decaimento de reatividade e elutriation). O valor deste parâmetro foi escolhido baseado sobre a concentração de CO2 na saída carbonator, i.e., adicionando mais calcário quando chegou um vol 5% CO2.

Com base na análise da peneira, concluímos que a fração de calcário original foi mantida na maior parte em circulação o equipamento, enquanto partículas principalmente < 250 µm foram transferidas para o ciclone calcinador. Estas partículas resultaram predominantemente o ruptura/atrito de partículas maiores.

Fração Calcário em Carbonator Calcinador Calcinador ciclone Carbonator ciclone
Massa 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%
212-150 µm 0% 3% 1% 35% 14%
63-150 µm 0% 5% 0% 41% 46%
0-63 µm 0% 0% 0% 12% 38%

Tabela 3: Massa de equilíbrio dos sólidos e peneira análise dos insumos (calcário) e saídas (outras) para 300-400 µm de calcário com 100% O2.

Fração Calcário em Carbonator Calcinador Calcinador ciclone Carbonator ciclone Diferença (para fora-em)
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
212-150 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

Tabela 4: Estimativa de balanço molar (10% de umidade da pedra calcária cru, 75% do peso da saída em estado desagregado) para 300-400 µm de calcário com 100% O2.

Figure 7
Figura 7: CO2 concentração na entrada do carbonator e saída e a eficiência de captura correspondente (Ecarb) para 300-400 µm de calcário com 100% O2.  Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A operação do calcinador com uma entrada de oxigênio a 100% vol é alcançável, com base em explorar a natureza endotérmica da reação de calcinação, bem como o fato de que os sólidos que circulam entre os dois reatores em temperaturas diferentes. Neste modo de funcionamento tem como objectivo tornar o processo de CaL mais economicamente promissora reduzindo o capital e os custos operacionais. Como a reciclagem de combustão gás (principalmente CO2, vapor de água e não tenha reagido O2) é reduzida ou mesmo eliminada, o calor consumido para pré-aquecer a este fluxo é mais baixo. Portanto, menos oxigênio é necessário e um menor ASU seria necessária. Como o fluxo de gás seria inferior nesta configuração, o tamanho da calcinador seria menor para a mesma velocidade de fluidização.

Uma metodologia padrão foi desenvolvida para garantir a operação segura da concentração de oxigênio de alta no calcinador. Os resultados mostraram uma eficiência de captura de até 70% em alguns dos experimentos realizados. Também, as distribuições de tamanho de partícula diferentes foram usadas nesta configuração do reator (carbonator como um CFB; calcinador como uma BFB). As distribuições foram: 100-200 µm; 200-300 µm; 300-400 µm. Para a distribuição menor (100-200 µm), no entanto, havia problemas de elutriation e a maioria do estoque de cama foi encontrada em ciclone captura-pot do calcinador. Os melhores resultados foram alcançados com a maior distribuição de tamanho de partícula (300-400 µm): um Ecarb de ~ 70% foi mantida ao longo do experimento com um rácio de make-up de cerca de 6%.

Este protocolo foi melhorado, minimizando o aquecimento elétrico fornecido ao gás e calcinador quando o gás natural está sendo queimado, a fim de proteger os tubos de descargas elétricas causadas por elementos de aquecimento. Além disso, tem-se observado que o aumento de concentração O2 pode ser alcançado mais rapidamente do que em inicial campanhas experimentais, de vol 20% a 60% vol e 100% vol É importante destacar que os passos mais importantes neste processo são o início da combustão e o aumento da concentração de oxigênio, que pode causar o aumento de temperaturas que desligará a fonte de gás natural, se a temperatura for superior a 980 ° C. Também, a composição do material é uma preocupação, como pode abaixar a temperatura do reator e parar o processo de combustão, e portanto, ele deve ser adicionado em pequenos lotes.

Com esta metodologia aplicada a este equipamento experimental, é possível testar novos materiais sintéticos, bem como materiais melhoraram através de doping, tratamento térmico prévio, pré-tratamento químico, etc.26 este protocolo permite que estes novos solventes para ser testado em condições realistas, proporcionando uma metodologia padrão para comparação adsorvente. No entanto, existem alguns desafios ao aplicar esse conceito em maior escala, tais como o uso de carvão no calcinador estas condições de utilização. O uso de combustíveis sólidos iria aumentar a dificuldade na operação do calcinador devido as altas temperaturas, o que pode levar a aglomeração de cinzas e defluidizing eventualmente fenômenos27. Isto precisa de um estudo mais aprofundado a fim de determinar a viabilidade do presente protocolo; no entanto, o conceito foi bem-sucedida em escala piloto neste trabalho usando gás natural.

Uma outra limitação decorrentes deste estudo é a duração dos testes, com ~ 3 h de operação de estado estacionário por teste; Isto é devido ao processo de aquecimento da planta, que é um processo lento. O número médio de ciclos de carbonatação/calcinação experientes por uma partícula quando circulam entre reactores não é conhecido. É possível que a concentração de oxigênio elevada teve um efeito negativo, causando mais de sinterização de partículas de calcário. Outras investigações desses desafios ajudará a avaliar a adequação do protocolo como um romance e o modo de operação viável para plantas de CaL em uma escala maior.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

A pesquisa que conduz a estes resultados recebeu financiamento do fundo de investigação da Comunidade Europeia do carvão e aço (RFCS) sob concessão acordo n ° RFCR-CT-2014-00007. Este trabalho foi financiado pelo UK captação e centro de pesquisa de armazenamento (UKCCSRC) como parte do Call 2 projetos. UKCCSRC é suportado pela engenharia e Conselho de pesquisa de ciências físicas (EPSRC) como parte do programa de energia do Conselho de pesquisa britânico, com financiamento adicional do departamento de negócios, energia e estratégia Industrial (ainda - anteriormente DECC). Os autores também gostaria de agradecer o Sr. Martin Roskilly pela sua enorme ajuda ao longo deste trabalho.

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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Ciências ambientais questão 128 cálcio loop experimentos de planta-piloto captura de CO2 procedimento operacional oxi-combustível calcinação eficiência de captura.
Operação de um 25 KW<sub>th</sub> cálcio loop planta-piloto com concentrações de oxigênio alta no 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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