Operación de una 25 KWth calcio bucle-planta piloto con altas concentraciones de oxígeno en el calcinador
Summary
Este manuscrito describe un procedimiento para el funcionamiento de un bucle de la planta piloto de captura de carbono de la combustión con altas concentraciones de oxígeno en el horno de calcinación con el fin de reducir o eliminar el reciclaje del gas de chimenea de calcio.
Abstract
Calcio (CaL) de bucle es una tecnología de captura de2 de CO de postcombustión que es conveniente para la reconversión de las centrales existentes. El proceso de CaL utiliza caliza como un barato y fácilmente disponible CO2 absorbente. Mientras que la tecnología ha sido ampliamente estudiada, hay algunas opciones disponibles que podrían aplicarse para que sea más rentable. Una de ellas es aumentar la concentración de oxígeno en el calcinador para reducir o eliminar la cantidad de gas reciclado (CO2, H2O y las impurezas); por lo tanto, disminuyendo o eliminando la energía necesaria para calentar la corriente de gas reciclado. Por otra parte, hay un aumento en el aporte de energía debido al cambio en la intensidad de la combustión; esta energía se utiliza para permitir la reacción de calcinación endotérmico ocurrir en la ausencia de gases de escape reciclados. Se presenta la operación y primeros resultados de una planta piloto de CaL con la combustión de oxígeno de 100% de gas natural en el calcinador. El gas que entra en el carbonatador fue un humo simulado de una central eléctrica con carbón o la industria del cemento. Varias distribuciones de tamaño de partículas de piedra caliza también se prueban para explorar el efecto de este parámetro sobre el desempeño general de este modo de funcionamiento. La configuración del sistema del reactor, los procedimientos de operación y los resultados se describen en detalle en este documento. El reactor mostró buena estabilidad hidrodinámica y estable CO2 captura, con eficiencias de captura de hasta un 70% con una mezcla de gas que simula el humo de una planta de energía de carbón.
Introduction
Las emisiones de CO2 y el consiguiente calentamiento global son temas ambientales críticos que han atraído una gran cantidad de investigación en los últimos años. Captura de carbono y almacenamiento (CCS) ha sido reconocida como una tecnología potencial para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera1,2. La parte más difícil de la cadena de CCS es la captura de CO2, que es también la más costosa etapa3. En consecuencia, ha habido un enfoque en el desarrollo de nuevas tecnologías para la captura de CO2 de las centrales eléctricas y otras instalaciones industriales.
CaL como una tecnología de captura de postcombustión CO2 , primero fue propuesto por Shimizu et al. 4 CO2 es capturado por un CaO base solvente en 600-700 ° C en un reactor de llama un carbonatador y lanzado por calcinación posterior a 850-950 ° C (en un horno de calcinación) según la ecuación (1), para producir un flujo de alta pureza CO2 conveniente para la captura de5,6. El ciclo de la CaL utiliza lechos fluidizados, que representan una configuración óptima para este proceso, ya que permiten grandes cantidades de sólidos que se pueda circular fácilmente de un reactor a los otros4,5,6 , 7 , 8.
CaO (s) + CO2 (g) ⇔ CaCO3 (s) ΔH25 ° C =-178.2 kJ/mol (1)
Este concepto ha sido demostrado a escala piloto por diversos grupos y con diferentes configuraciones y escalas, como el piloto 0,2 MWth Stuttgart, el 1 piloto MWth Darmstad, el piloto MWth 1,7 en La Pereda y el 1,9 MWth en Taiwán9,10,11,12,13,14,15,16. Aunque este proceso ha sido comprobado, todavía hay posibilidades para aumentar su eficiencia térmica, como por ejemplo mediante la modificación de las condiciones de funcionamiento estándar y cambios en el diseño de la configuración de reactor.
Se ha estudiado el uso de pipas de calor entre la cámara de combustión y calcinación en vez de combustible de oxi-combustión en el calcinador. Los resultados obtenidos para el rendimiento de captura de CO2 son comparables con los de una piloto-planta de CaL convencional, sin embargo, este proceso tiene una mayor eficiencia de la planta y menor CO2 evitación cuesta17. Martínez et al. 18 investiga las posibilidades de integración de calor para precalentar el material sólido en el calcinador y reducir el calor necesario en el calcinador. Los resultados demostraron reducción del 9% en el consumo de carbón en comparación con la de la caja estándar. Otros estudiaron posibilidades de integración de calor también han considerado la integración interna y externa opciones19.
Uno de los principales problemas del ciclo de la CaL desde el punto de vista económico es suministrar la energía necesaria en el calcinador por medio de la combustión de combustible20. Aumento de la concentración de oxígeno en la entrada del calcinador se propone con el fin de reducir o incluso evitar la necesidad de reciclaje de CO2 en el calcinador. Esta alternativa reduce los costes de capital (tamaño reducido de unidades de separación de calcinador y aire (ASU)), que pueden mejorar significativamente la competitividad de este proceso. El cambio drástico en las condiciones de combustión puede ser logrado mediante la explotación de la reacción endotérmica de la calcinación y el gran CaO/CaCO3 flujo circular de la carbonatación operan a temperaturas más bajas (ni ventaja está disponible con la tecnología de oxicombustión).
Este trabajo pretende desarrollar un procedimiento de funcionamiento de estándar para el funcionamiento de una planta piloto de CaL con una carbonatación cama de fluidizado circulante (CFB) y un calcinador de cama de estrato fluidificado burbujeante (BFB) con concentración de 100% O2 en la entrada de los calcinadores. Han realizado varias campañas experimentales durante la puesta en marcha de la planta piloto para asegurar el funcionamiento correcto como el oxígeno concentración aumentado. También, distribución de tamaño de partículas de tres piedra caliza (100-200 μm, 200-300 μm, 300-400 μm) fueron estudiados para investigar cómo este parámetro afecta la elutriación de partículas y captura de eficiencia en este modo de funcionamiento.
Protocol
Representative Results
Discussion
La operación del calcinador con entrada de oxígeno al 100% vol es factible, basado en explotar la naturaleza endotérmica de la reacción de calcinación, así como el hecho de que los sólidos que circulan entre los dos reactores a distintas temperaturas. Este modo de operación tiene como objetivo hacer el proceso de CaL más económicamente prometedor por reducción de capital y los costos de operación. Como el reciclado de humos gas (CO2, vapor de agua y sin reaccionar O2) es reducido o inclu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La investigación conduce a estos resultados ha recibido financiación del fondo de investigación de la Comunidad Europea de carbón y acero (RFC) en otorgar acuerdo n ° RFCR-CT-2014-00007. Este trabajo fue financiado por la captura de carbono del Reino Unido y centro de investigación de almacenamiento (UKCCSRC) como parte de proyectos llamada 2. UKCCSRC es apoyado por la ingeniería y el Consejo de investigación de ciencias físicas (EPSRC) como parte del programa de energía de Reino Unido del Consejo de investigación, con financiación adicional del Departamento de comercio, energía y estrategia Industrial (BEIS – anteriormente DECC). Los autores también desean agradecer a Sr. Martin Roskilly por su enorme ayuda durante el curso de este trabajo.
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).
