Title: Assessment of the scale-up and operational design of the fuel reactor in chemical looping combustion
Language: English
Authors: Schöny, Gerhard
Qualification level: Diploma
Keywords: Wirbelschicht/ Modellierung/ Chemical looping combustion/ CLC
Fluidized bed/ Modeling/ Chemical looping combustion/ CLC
Advisor: Hofbauer, Hermann
Assisting Advisor: Pröll, Tobias
Issue Date: 2011
Number of Pages: 98
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Chemical Looping Combustion (CLC) wird ein großes Potential als zukünftige Technolo- gie für CO2 Trennung und Speicherung (engl.: Carbon Capture and Storage CCS) zuge- sprochen, da im Gegensatz zu anderen Technologien keine parasitären Energieaufwändungen für Gas-Trennverfahren anfallen und daher theoretisch der Gesamtwirkungsgrad einer An- lage nur durch die Kompression des anfallenden CO2 Stromes reduziert wird. Nachdem die Funktion des Verfahrens in Laboranlagen mit Leistungen bis zu 120 kWth nachgewiesen wurde, steht man vor der Herausforderung der Entwicklung des Prozesses im großtechnis- chen Maßstab. Im Gegensatz zu Versuchen in Laboraufbauten die großteils zur Entwicklung der Technologie selbst dienten, ergeben sich beim Versuch der Vergrößerung der Anlage verschiedenste Problemstellungen, wie z.B. limitierte horizontale Mischung gasförmiger und fester Stoffe, modifizierte Festkörper-Strömungsmuster oder erhöhte Aufenthaltszeiten inner- halb des Brennstoffreaktors.
Eine dem CLC-Prozess sehr verwandte Technologie ist die (Doppel-) Wirbelschichtver- brennungstechnologie, von der bereits langjährige Betriebserfahrungen als auch validierte Simulationsmodelle vorliegen, welche sich wiederum als besonders hilfreiche Werkzeuge für die Entwicklung industrieller CLC-Systeme eignen.
In dieser Arbeit wird die erste Version eines Brennstoffreaktor-3D-Modells einer großtech- nischen CLC Anlage vorgestellt. Die Simulationen basieren auf in der Literatur über großtech- nischeWirbelschichtverbrennungsanlagen validierten Modellen für Feststoff-Gas Fluiddynamik, Feststoff-Gas Mischung undWärmetransport . In diese Modelle werden die aus CLC Laborver- suchen erhaltenen Kinetikdaten für Sauerstoffträger-Gaskonvertierung implementiert, um ein Gesamtmodell eines Brennstoffreaktors zu erhalten.
Mit Hilfe dieses Modells soll die Funktion verschiedener Brennstoffreaktor- Konfigurationen und die Einflüsse unterschiedlicher Eingabeparameter, wie Position des Feststoffeintrages im Reaktor (Brennstoff, Sauerstoffträger), fluid-dynamische Eigenschaften frisch zugeführter Feststoffe, allgemeine Betriebsparameter der Wirbelschicht (Fluidisierungsgeschwindigkeit, Druckverlust entlang des Reaktors, durchschnittliche Reaktortemperatur) oder Reaktordesign untersucht werden. Ziel der Arbeit ist es, geeignete großtechnische Brennstoffreaktordesigns bzw. Betriebsstrategien zu finden, insbesondere solche bei denen eine Aufbereitung des Abgasstromes aufgrund unverbrannter gasförmiger Rückstände entfällt.

Chemical looping combustion is expected to play a major role as Carbon Capture and Storage technology due to its intrinsic separation of the flue gas stream from the nitrogen contained in the fed air, thus avoiding the energy and capital cost penalty deriving from the presence of any gas separation unit. Having been successfully tested in units ranging up to 120 kWth in the last decade, chemical looping combustion starts to face the challenge of scale-up to commercial scale. While results obtained at lab-scale units are relevant to the initial development of the technology, scale-up implies the appearance of new key phenomena such as limited lateral gas and solids mixing, modified solids flow patterns and increased residence times. Having this, experience from large-scale fluidized bed units is highly valuable for further development of the chemical looping combustion technology through scale-up and is an essential resource to get a more complete understanding of the process.
This work presents the first version of a 3-dimensional model for the fuel reactor of a large- scale chemical looping combustion unit. The model is based on validated models available in literature for combustion in large-scale fluidized beds. Thus, expressions for the fluid dynamics of the solids and gas phases, gas-solids contact and heat transfer derived from investigations in large-scale fluidized bed boilers are combined with kinetic data obtained from chemical looping experiments at lab-scale. From this, a model is obtained that is able to describe the performance trends of a large-scale fuel reactor upon variation of different inputs and operational strategies, such as feeding points for fuel and oxygen carriers, physical properties of these, operational conditions (fluidization velocity, pressure drop over the reactor, average operation temperature) and design of the reactor. Such a modeling tool is used to obtain suitable large-scale designs and operational strategies for the fuel reactor, which are presented in this work.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-47793
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12670
Library ID: AC07811619
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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