Betrieb einer 25 KWth Calcium Looping Pilot-Anlage mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Calcinator

Zusammenfassung

Dieses Manuskript beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eine Pilotanlage für post-Combustion-CO2-Abscheidung mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Calcinator zur Verringerung oder Beseitigung der Rauchfang Gas Recycling Schleife Kalzium.

Zusammenfassung

Calcium looping (CaL) ist eine Nachverbrennung CO₂ -Capture-Technologie, die für die Nachrüstung bestehenden Anlagen geeignet ist. Der CaL-Prozess nutzt Kalkstein als billig und überall verfügbar CO₂ Sorbens. Während die Technologie umfassend untersucht worden, gibt es ein paar Möglichkeiten, die angewendet werden könnte, um wirtschaftlich rentabel zu machen. Dazu gehört, erhöhen die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator zur Verminderung oder Beseitigung der recycelten Gasmenge (CO-₂, H₂O und Verunreinigungen); Daher verringern oder entfernen die notwendige Energie, um die recycelten Gasstrom zu erhitzen. Darüber hinaus gibt es eine daraus resultierende Zunahme der Energieeintrag durch die Änderung in der Intensität der Verbrennung; Diese Energie wird verwendet, um die endothermen Kalzinierung Reaktion in der Abwesenheit von recycelten Rauchgase auftreten zu ermöglichen. Dieser Beitrag stellt den Betrieb und die ersten Ergebnisse einer CaL-Pilotanlage mit 100 % Sauerstoff Verbrennung von Erdgas in den Calcinator. Das Gas kommt in der Karbonator war ein simulierter Rauchgas aus einem Kohle-Kraftwerk oder Zementindustrie. Mehreren Kalkstein Partikelgrößenverteilungen sind auch getestet, um die Wirkung dieses Parameters auf die Gesamtleistung dieser Betriebsart weiter zu erforschen. Die Konfiguration das Reaktorsystem, die Betriebsabläufe und die Ergebnisse sind in diesem Dokument ausführlich beschrieben. Der Reaktor zeigte gute hydrodynamische Stabilität und stabile CO₂ -Abscheidung mit Capture Wirkungsgrade von bis zu 70 % mit einem Gasgemisch, das Rauchgas von einem Kohlekraftwerk zu simulieren.

Einleitung

CO₂ -Emissionen und die daraus resultierende globale Erwärmung sind kritische Umweltprobleme, die eine große Menge an Forschung in den letzten Jahren angezogen haben. Kohlenstoffabscheidung und-Speicherung (CCS) als eine mögliche Technologie zur Verringerung der CO₂ -Emissionen in die Atmosphäre^1,2anerkannt. Der schwierigste Teil der CCS-Kette ist die Erfassung von CO₂, das ist auch der teuerste Stufe³. In der Folge gab es ein Schwerpunkt auf die Entwicklung neuer Technologien für CO₂ -Abscheidung aus Kraftwerken und anderen Industrieanlagen.

CaL als eine Nachverbrennung CO₂ Capture-Technologie wurde zuerst von Shimizu Et Al. vorgeschlagen ⁴ CO₂ wird durch eine CaO-basierte erfasst Sorbens auf 600-700 ° C in einem Reaktor eine Karbonator genannt, und veröffentlicht durch nachfolgende Kalzinierung bei 850-950 ° C (in einem Calcinator) gemäß GL. (1), einen hochreinen CO₂ Strom produzieren geeignet für Sequestrierung^5,6. Die CaL-Zyklus nutzt fluidisierte Betten, die eine optimale Konfiguration für diesen Prozess darstellen, da sie große Mengen an Feststoffen ermöglichen leicht aus einem Reaktor verbreitet werden, die anderen^{4,5,6 , 7 , 8}.

CaO (s) + CO₂ (g) ⇔ CaCO₃ (s) ΔH_{25 ° C} =-178.2 kJ/Mol (1)

Dieses Konzept wurde im Pilotmaßstab von verschiedenen Gruppen und mit unterschiedlichen Konfigurationen und Skalen, wie z. B. 0,2 MW_th -Pilot in Stuttgart, der 1 MW-_th -Pilot in Darmstadt_, der 1,7 MW-_th -Pilot in La Pereda nachgewiesen und dem 1,9 MW_th Gerät in Taiwan^{9,10,11,12,13,14,15,16}. Obwohl dieser Prozess erwiesen hat, gibt es noch Möglichkeiten zur Steigerung ihrer thermischen Wirkungsgrad, wie z. B. durch Ändern der standard Betriebsbedingungen und Änderungen in der Gestaltung der Reaktor-Konfiguration.

Die Verwendung von Heatpipes zwischen Brennkammer und Calcinator wurde anstelle von Sauerstoff verbrennen Kraftstoff in den Calcinator untersucht. Die Ergebnisse für die CO₂ Capture Performance sind vergleichbar mit denen einer herkömmlichen CaL Pilot-Anlage, jedoch dabei hat höhere Pflanze Wirkungsgrade und niedrigere CO₂ Vermeidung kostet¹⁷. Martínez Et al. ¹⁸ untersucht die Integrationsmöglichkeiten von Wärme, um das feste Material in den Calcinator vorheizen und reduzieren Sie die Hitze in den Calcinator benötigt. Die Ergebnisse zeigten 9 % Reduktion der Kohleverbrauch verglichen mit derjenigen der Standardfall. Weitere untersuchten Möglichkeiten Wärmeintegration haben auch interne und externe Integration Optionen¹⁹berücksichtigt.

Eines der Hauptprobleme des Kreislaufs CaL aus wirtschaftlicher Sicht ist die Energieversorgung in den Calcinator mittels Kraftstoff Verbrennung²⁰benötigt. Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in den Calcinator Bucht wird vorgeschlagen, um zu verringern oder sogar zu vermeiden die Notwendigkeit der CO₂ -Recycling zu den Calcinator. Diese Alternative reduziert die Investitionskosten (reduzierte Größe der Calcinator und Trennung Lufteinheiten (ASU)), die die Wettbewerbsfähigkeit dieses Prozesses deutlich verbessern können. Die drastische Veränderungen in die Verbrennungsbedingungen durch Nutzung der endothermen Kalzinierung Reaktion und den großen CaO/CaCO₃ Fluss im Umlauf aus dem Karbonator Betrieb bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden kann (weder Vorteil gibt es mit der Oxy-Verbrennungstechnik).

Diese Arbeit soll eine Betriebsanweisung für den Betrieb einer Pilotanlage CaL mit einer zirkulierenden fluidisiert Bett (CFB) Karbonator und einem sprudelnden fluidisiert Bett (BFB) Calcinator mit 100 % O₂ -Konzentration in den Calcinator Einlass zu entwickeln. Verschiedene experimentelle Aktionen ausgeführt wurden während der Inbetriebnahme der Pilotanlage zur ordnungsgemäßen Betrieb als der Sauerstoff Konzentration erhöht. Auch wurden drei Kalkstein Partikelgrößenverteilungen (100-200 µm, 200-300 µm, 300-400 µm) untersucht, um zu untersuchen, wie dieser Parameter wirkt sich auf die Sammelnetzwerk von Partikeln und Effizienz in dieser Betriebsart zu erfassen.

Protokoll

1. Material Vorbereitung

1. Sieb der Kalkstein (~ 50 kg Rohstoff) die gewünschte Korngrößenverteilung (300-400 µm oder eine andere Distribution abhängig von dem Experiment) mit einem mechanischen Schüttler. Setzen Sie das gesiebte Material in Töpfen neben den Calcinator für die Fütterung während dem Test
2. Bereiten das Material in Chargen in den Reaktor eingebracht werden. Die Stapel sind in der Regel 0,5 L oder 1 L (1 L aus Kalkstein ist etwa 1,5 kg), aber dies hängt von den Betriebsparametern.

2. Start-up-Verfahren

Vorsicht: extrem hohe Temperaturen werden hier erreicht. Geeignete PSA wie Handschuhe, Brillen, Labor Mantel und Sicherheitsschuhe erforderlich sind.

1. Erwärmung der Reaktoren
   1. beginnen die low-Flow von N ₂ im Karbonator (60 L/min) und Calcinator (20 L/min) sowie die Schleife-Dichtungen (10 L/min) in der Rotametern.
   2. Die Karbonator Transformatoren manuell schalten. Stellen Sie die Temperatur alle elektrischen Vorwärmer von der Karbonator bei 600 ° c
   3. Datenerfassung starten (für Gastemperaturen und drücke, verwenden Sie die Schaltfläche "Aufnahme" in der Software). Die Daten enthalten, Temperaturen, Drücke und Gaszusammensetzung der beiden Reaktoren. In Abbildung 1 und Abbildung 2 sind Screenshots von das Datenerfassungssystem gezeigt.
   4. Schalten Sie den Calcinator Gas Vorwärmer. Schalten Sie die Heizung um den Calcinator auf 600 ° C gemessen innerhalb der BFB über ein Thermoelement.
      Hinweis: Daten wie Temperatur, Druck und Gas Zusammensetzung sind bereits erworben wird, wie in Schritt 2.1.3.
   5. 3 L aus dem gesiebten Kalkstein in der BFB in den Calcinator genommen. Zuerst das obere Ventil öffnen, stellen das Material im Down-Rohr und das obere Ventil zu schließen, dann unten Ventil öffnen, so dass das Material in den Reaktor fließt.
   6. Erhitzen des Materials in die BFB auf über 650 ° C (durch die elektrische Heizung um den Calcinator).
      Hinweis: Dies dauert in der Regel ~ 1 h, während dieser Zeit Überprüfung der Datenerfassung und der Druck in den verwirbelten Betten.

Abbildung 1: Screenshot von Temperatur und Druck Datenerfassung für beide Reaktoren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Screenshot des Temperatur-Datenerfassung für das Vorwärmen System. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Schematische von den 25 kW _th CaL (CFB Karbonator und BFB Calcinator). 1: Karbonator; 2: Calcinator; 3: senken Sie Schleife-Siegel; 4: obere Schleife-Siegel; 5: Karbonator Zyklon; 6: Calcinator Zyklon. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

2. Verbrennung im Calcinator starten
   1. die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator von 0, 40 % Vol, um sicherzustellen, dass die Konzentration stabil ist, bevor die Verbrennung erhöhen.
   2. Beginnen die stöchiometrische Strömung von Erdgas, die manuell über ein Rotameter dafür sorgen, dass die Verbrennung stabil ist.
      Hinweis: Die Erdgas-Strömung sollte vorsichtig erhöht werden. Überprüfen Sie, ob die Daten ein angemessenes Maß an Verbrennungsreaktion zeigen.
   3. Erhöhen die Sauerstoffkonzentration in den Calcinator in Schritten von 20 % Vol durch Anpassen der Erdgas Strom Rotameter zur stöchiometrischen Verbrennung gewährleisten.
      Hinweis: Dieser Vorgang sollte mit äußerster Vorsicht durchgeführt werden. Wenn Verdacht entsteht, dass die Verbrennung nicht erwartungsgemäß aus dem vorläufigen Berechnungen auftritt dann stoppen Sie die Strömung von Erdgas und wechseln Sie die Sauerstoffzufuhr zu Stickstoff für den sicheren Betrieb zu. Die Quelle dieser Diskrepanz zu identifizieren. Die Gesamtdauer dieses Prozesses ist etwa 1 h.
   4. Erreichen 100 % Sauerstoff Konzentration Erdgas Verbrennung.
      Hinweis: Die Temperatur- und Gas Zusammensetzung Daten sorgfältig befolgt werden während der Tests, aber vor allem bei die Verbrennung findet in 100 % Sauerstoff.
   5. Add Kalkstein in Schritten von 0,5 L bis 7 L gibt es in der Wirbelschicht. Das Material in der Wirbelschicht den Calcinator (geschätzte Kalzinierung Temperatur ist 800-850 ° C für den Batch in den Calcinator und Calcinator Temperatur für die folgenden Chargen vorhanden) Calcine.
   6. Erhöhen den Fluss der N ₂ in der Karbonator um die Durchblutung zu starten. Überprüfen der Zirkulation Viewport regelmäßig, um richtige Zirkulation sicherzustellen.
   7. Alle verfügbaren Kalkstein zirkuliert im Rigg vor Beginn der CO ₂-Abscheidung calcine.

3. Stabilen Betrieb

1. manuell umschalten das Kohlensäure-Gas aus N ₂ bis 15 % Vol CO ₂ unter Verwendung der Rotameter, wodurch den kalzinierte Kalkstein mit der Erfassung der CO ₂ beginnen.
2. Stellen Sie die Ströme in den Calcinator manuell mithilfe der Rotametern, um eine stabile 930-950 ° C Temperatur in den Calcinator durch Regulierung der Erdgas (NG) und Sauerstoff (innerhalb des Regimes optimale Fluidisierung) zu erreichen. O ₂ läuft in der Regel 100 % mit genügend Bettmaterial vorhanden,, aber es wird während des Experiments angepasst.
3. Wenn das Material beginnt zu Rückgang der Aktivität (über 5 % CO ₂-Konzentration am Ausgang der Karbonator, die kontinuierlich von der Software erworben wird, wie in Schritt 2.1.3 beschrieben), fügen Sie mehr Kalkstein.

4. Abschaltung Verfahren

1. manuell schalten Sie den Erdgas-Fluss mit der Rotameter die Sauerstoffzufuhr zu verringern und die Gase in beiden Reaktoren, N ₂ zu wechseln. Schalten Sie alle Heizungen (Calcinator und Karbonator).
2. Ermöglichen die Temperatur des Inventars des Rigs (normalerweise über Nacht) zu verringern, und die Reaktoren zu leeren, wenn sie bei Raumtemperatur sind.
3. Wiegen die extrahierten Feststoffe und führen Sie eine standard Siebanalyse. Das Material zu charakterisieren: Porosimetrie, Zusammensetzung (Röntgen-Fluoreszenz-Spektrometrie, RFA) ^{21 , 22} und mikroskopische Struktur (Rasterelektronenmikroskopie, SEM).

Ergebnisse

Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 3dargestellt. Die Anlage besteht aus zwei miteinander verbundenen fluidisiert Betten. Es ist nämlich der Karbonator CFB mit 4,3 m Höhe und 0,1 m Innendurchmesser (ID); während die Calcinator BFB mit 1,2 m Höhe und 0,165 m-ID. Der solide Transport aus einem Reaktor zum anderen wird durch zwei Loop-Dichtungen mit Stickstoff fluidisiert gesteuert. Beide Reaktoren sind eine Mischung von Gas durch eine Vorwärmzeit Linie ...

Diskussion

Der Betrieb von den Calcinator mit einer Bucht des 100 % Vol Sauerstoff ist erreichbar, basierend auf der Nutzung der endothermen Natur der Kalzinierung Reaktion, sowie die Tatsache, die die Feststoffe zwischen den beiden Reaktoren bei unterschiedlichen Temperaturen zu zirkulieren. Diese Betriebsart zielt darauf ab, die CaL-Prozess wirtschaftlich aussichtsreiche durch Reduktion von Kapital und Betriebskosten. Als das Recycling des Rauchabzugs Gas (vor allem CO₂, Wasserdampf und nicht umgesetztes O₂)...

Materialien

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