Funzionamento di una 25 KWth calcio loop-impianto pilota con elevate concentrazioni di ossigeno nel calcinatore
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.
Protocol
Representative Results
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 addirittur…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| Longcal limestone | Loncliffe | Longcal SP52 | n/a |
| Mechanical Shacker | SWECO | LS24S544+C | Mechanical siever to separate particles |
| Oxygen | BOC | n/a | BOC cylinders |
| Nitrogen | BOC | n/a | BOC tank |
| Carbon dioxide | BOC | n/a | BOC tank |
| Natural gas | n/a | n/a | Taken from the line |
References
- Bernstein, L., Lee, A., Crookshank, S. Carbon dioxide capture and storage: a status report. Climate Policy. 6 (2), 241-246 (2011).
- Boot-Handford, M. E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environmental Science. 7 (1), 130-189 (2014).
- Herzog, H. J. Scaling up carbon dioxide capture and storage: from megatons to gigatons. Energy Economics. 33 (4), 597-604 (2011).
- Shimizu, T., Hirama, T., Hosoda, H., Kitano, K., Inagaki, M., Tejima, K. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustion processes. Chemical Engineering Research and Design. 77 (1), 62-68 (1999).
- Blamey, J., Anthony, E. J., Wang, J., Fennell, P. S. The calcium looping cycle for large-scale CO2 capture. Progress in Energy and Combustion Science. 36 (2), 260-279 (2010).
- Masnadi, M. S., Grace, J. R., Bi, X. T., Ellis, N., Lim, C. J., Butler, J. W. Biomass/coal steam co-gasification integrated with in-situ CO2 capture. Energy. 83, 326-336 (2015).
- Abanades, J. C., Anthony, E. J., Lu, D. Y., Salvador, C., Alvarez, D. Capture of CO2 from combustion gases in a fluidized bed of CaO. AIChE Journal. 50 (7), 1614-1622 (2004).
- Hughes, R. W., Lu, D. Y., Anthony, E. J., Macchi, A. Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustion system for in situ CO2 capture using high-temperature sorbents. Fuel Processing Technology. 86 (14), 1523-1531 (2005).
- Lu, D. Y., Hughes, R. W., Anthony, E. J. Ca-based sorbent looping combustion for CO2 capture in pilot-scale dual fluidized beds. Fuel Processing Technology. 89 (12), 1386-1395 (2008).
- Hawthorne, C., et al. CO2 capture with CaO in a 200 kWth dual fluidized bed pilot plant. Energy Procedia. 4, 441-448 (2011).
- Sánchez-Biezma, A., et al. Postcombustion CO2 capture with CaO. Status of the technology and next steps towards large scale demonstration. Energy Procedia. 4, 852-859 (2011).
- Dieter, H., Hawthorne, C., Zieba, M., Scheffknecht, G. Progress in calcium looping post combustion CO2 capture: successful pilot scale demonstration. Energy Procedia. 37, 48-56 (2013).
- Arias, B., et al. Demonstration of steady state CO2 capture in a 1.7 MWth calcium looping pilot. International Journal of Greenhouse Gas Control. 18, 237-245 (2013).
- Ströhle, J., Junk, M., Kremer, J., Galloy, A., Epple, B. Carbonate looping experiments in a 1MWth pilot plant and model validation. Fuel. 127, 13-22 (2014).
- Bidwe, A. R., Hawthorne, C., Dieter, H., Dominguez, M. A., Zieba, M., Scheffknecht, G. Cold model hydrodynamic studies of a 200kWth dual fluidized bed pilot plant of calcium looping process for CO2 Capture. Powder Technology. 253, 116-128 (2014).
- Chang, M. H., et al. Design and experimental testing of a 1.9 MWth calcium looping pilot plant. Energy Procedia. 63, 2100-2108 (2014).
- Reitz, M., Junk, M., Ströhle, J., Epple, B. Design and operation of a 300kWth indirectly heated carbonate looping pilot plant. International Journal of Greenhouse Gas Control. 54, 272-281 (2016).
- Martínez, A., Lara, Y., Lisbona, P., Romeo, L. M. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control. 7, 74-81 (2012).
- Perejón, A., Romeo, L. M., Lara, Y., Lisbona, P., Martínez, A., Valverde, J. M. The calcium-looping technology for CO2 capture: on the important roles of energy integration and sorbent behavior. Appl Energy. 162, 787-807 (2016).
- Mantripragada, H. C., Rubin, E. S. Calcium looping cycle for CO2 capture: Performance, cost and feasibility analysis. Energy Procedia. 63, 2199-2206 (2014).
- . . ASTM C1271-99(2012), Standard Test Method for X-ray Spectrometric Analysis of Lime and Limestone. (2012), C1271-C1299 (2012).
- . . ASTM C25-11e2, Standard Test Methods for Chemical Analysis of Limestone, Quicklime, and Hydrated Lime. , C25-C11 (2011).
- Alonso, M., Rodríguez, N., Grasa, G., Abanades, J. C. Modelling of a fluidized bed carbonator reactor to capture CO2 from a combustion flue gas. Chem Eng Sci. 64 (5), 883-891 (2009).
- Manovic, V., Anthony, E. J. Parametric study on the CO2 capture capacity of CaO-based sorbents in looping cycles. Energy Fuels. 22 (3), 1851-1857 (2008).
- Duhoux, B., Mehrani, P., Lu, D. Y., Symonds, R. T., Anthony, E. J., Macchi, A. Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture: Process Simulation and Sensitivity Analysis. Energy Technol. 4 (10), 1158-1170 (2016).
- Erans, M., Manovic, V., Anthony, E. J. Calcium looping sorbents for CO2 capture. Appl Energy. 180, 722-742 (2016).
- Basu, P. A study of agglomeration of coal-ash in fluidized beds. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 60 (6), 791-795 (1982).
