Chemical looping combustion for 100% carbon capture - Design, operation and modeling of a 120kW pilot rig

Abstract

Chemical looping combustion (CLC) ist eine neuartige Technologie mit inhärenter CO2 Abscheidung. Es handelt sich dabei um einen zweistufigen Verbrennungsprozess bei dem Brennstoff und Luft nicht miteinander gemischt werden. Das Reaktorsystem besteht aus zwei separaten Reaktoren, einem Brennstoff-Reaktor und einem Luft-Reaktor.<br />Ein Sauerstoffträger zirkuliert zwischen diesen beiden Reaktoren und transportiert den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff.<br />In dieser Arbeit wird ein neues Reaktorkonzept, das Dual Circulating Fluidized Bed (DCFB) Reaktorsystem, für chemical looping Prozesse vorgestellt. Dieses Konzept zeichnet sich durch hohe Feststoffzirkulation sowie optimierten Gas-Feststoffkontakt aus und ist für chemical looping combustion und reforming sehr gut einsetzbar. Der Aufbau und die bestimmenden Gleichungen dieses Systems werden am Beispiel der 120kW CLC Versuchsanlage an der Technischen Universität Wien erläutert und diskutiert. Zusätzlich werden das eingesetzte Kühlsystem und verschiedene Hilfsaggregate vorgestellt.<br />Im ersten Betriebsjahr wurden verschiedene Sauerstoffträger in der Versuchsanlage eingesetzt. Ilmenit, ein Mineral mit der chemischen Formel FeTiO3, weist ein großes Potenzial für die Verbrennung von Synthesegasen (CO- und H2-reiche Gase) auf. Für die Verbrennung von CH4 wird allerdings ein katalytisch aktives Material benötigt. Experimente mit zwei verschiedenen Partikeln auf Ni-Basis zeigen, dass mit diesen Partikeln H2 und CO Umsätze erzielt werden, die sehr nah am thermodynamischen Gleichgewicht liegen. Der CH4 Umsatz ist ebenfalls fast vollständig (99%) und die CO2 Ausbeute erreicht Werte bis 95%. Eine weitere Steigerung dieser Werte wird durch eine Erhöhung des Reaktors erwartet. Im Gegensatz zu Ergebnissen von kleineren CLC Versuchsanlagen weisen die Partikel einen niedrigen Oxidationsgrad im gesamten Reaktorsystem auf. Dies scheint sich jedoch nicht negativ auf die Verbrennung auszuwirken.<br />Neben der Auslegung und den Versuchsergebnissen wird in dieser Arbeit ein Ansatz zur Modellierung von zirkulierenden Wirbelschichtanlagen mit reagierendem Feststoff präsentiert. Das Modell konzentriert sich auf die im System auftretenden chemischen Reaktionen (Gas-Feststoffreaktionen) und verwendet ein einfaches hydrodynamisches Modell. Trotz des einfachen Modells können verschiedene Aspekte der CLC Versuchsanlage, wie zum Beispiel der sehr niedrige Oxidationsgrad der Partikel, vorausgesagt werden. Zusätzlich zur Modellierung werden auch die makroskopischen Vorgänge in den Partikeln während der Oxidation und der Reduktion erläutert sowie die Unterschiede zwischen Ergebnissen von Batch- und kontinuierlichen Versuchsanlagen diskutiert.<br />

Chemical looping combustion (CLC) is a novel technology with inherent separation of CO2. It is a two-step combustion process in which air and fuel are not mixed during combustion. The reactor system consists of two separate reactors, an air reactor and a fuel reactor. An oxygen carrier circulates between these two reactors and transports the necessary oxygen for combustion.<br />A new reactor concept called the dual circulating fluidized bed (DCFB) reactor system is proposed for chemical looping processes. This concept features high solids circulation as well as optimized gas-solids contact and is highly suitable for chemical looping combustion and reforming. In this thesis, the main set-up of this concept is presented and the governing equations for the design of chemical looping combustors are discussed with the example of the 120kW CLC pilot rig at Vienna University of Technology. Additionally, the cooling system and different auxiliary units of the pilot rig are presented.<br />In the first year of operation, different oxygen carriers have been applied to the pilot rig. Ilmenite, a natural mineral with the chemical formula FeTiO3, shows a high potential for the combustion of syngases (CO- and H2-rich gases). For the combustion of CH4, however, a catalytically active particle is required. Experiments with two different batches of Ni-based particles show H2 and CO conversions close to the thermodynamic maximum. The CH4 conversion is also almost complete (close to 99%) and the CO2 yield reaches values of up to 95%. Even greater improvement of these values is expected for increased reactor heights. Contrary to data reported for smaller continuous chemical looping units, the particles have a low degree of oxidation throughout the reactor system. This, however, does not seem to have a negative influence on combustion efficiency.<br />In addition to the design and operating results of the pilot rig, this work also includes a modeling approach for circulating fluidized bed reactors with reactive solids and their combination in the DCFB system.<br />The model mainly focuses on the chemical reactions taking place in the reactor system (gas-solid reactions) and applies a very simple hydrodynamic model. Despite the simplicity of the model, different aspects of the CLC pilot rig, such as the very low degree of particle oxidation, can be predicted. In the course of modeling, a discussion on the macroscopic progress of particle oxidation and reduction in the air and fuel reactors is included. This part focuses on the comparability as well as the fundamental differences of the results obtained from the two approaches to the investigation of CLC, i.e. batch reactor experiments and continuous looping experiments.<br />