Auswirkungen von Schwefel- und Stickstoffverunreinigungen bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe mittels Chemical Looping Combustion unter Verwendung eines kupferbasierten Sauerstoffträgers

Abstract

Um den weltweiten Energiebedarf decken zu können, werden nach wie vor fossile Brennstoffe verwendet. Im Kampf gegen den Klimawandel und zur Reduktion der Treibhausgase haben sich viele Industriestaaten in unterschiedlichen Abkommen dazu verpflichtet ihre Emissionen zu reduzieren. Carbon Capture Storage (CCS) ist dabei ein Prozess zur Reduktion von CO2-Emissionen in die Atmosphäre, indem CO2 aus dem Rauchgas abgeschieden, in Lagerstätten transportiert und dort gelagert wird. Chemical Looping Combustion (CLC) stellt eine CCS Technologie zweiter Generation dar. Der Vorteil dieser nachhaltigen und innovativen Verbrennungstechnologie ist die, dass Luft und Brennstoff nicht vermischt werden und dadurch keine aufwendige Gas-Gas Trennung notwendig ist. Der zur Verbrennung nötige Sauerstoff wird durch das Bettmaterial, das zwischen zwei Wirbelschichteinheiten zirkuliert, übertragen. Dieser sogenannte Sauerstoffträger wird dabei in einem Luftreaktor (engl. air reactor; AR) oxidiert und im Brennstoffreaktor (engl. fuel reactor; FR) reduziert. Diese Methode ermöglicht eine Verbrennung des Brennstoffes, ohne diesen mit Luft vermischen zu müssen. Dadurch entsteht im FR idealerweise nur Wasserdampf, der durch einen nachgeschalteten Kondensator abgetrennt werden kann, und Kohlenstoffdioxid (CO2). Da fossile Brennstoffe, neben Kohlenwasserstoffen auch andere Verunreinigungen wie Schwefel oder Stickstoff enthalten können, ist deren Verbleib hinsichtlich Emissionen von besonderer Bedeutung. In der vorliegenden Diplomarbeit werden deshalb die Auswirkungen von Brennstoffverunreinigungen an der 120 kWth Pilotanlage der TU Wien untersucht und diskutiert. Die Versuche wurden unter Standardbedingungen bei einer Nennlast von 73 kW, einer FR Temperatur von 800 C und einer Luftzahl von 1,5 durchgeführt. Dabei wurde ein auf Kupfer basierender Sauerstoffträger, namens Cu15, verwendet, der durch Imprägnierung von CuO auf einem hochporösen Trägermaterial (Al2O3) hergestellt wurde. Als Brennstoff dient Erdgas aus dem Wiener Erdgasnetz, dem H2S in einer Konzentration von bis zu 2000 ppm und NH3 in einer Konzentration von bis zu 16200 ppm zu dosiert wurde, um den Einfluss von Schwefel und brennstoffgebundenem Stickstoff zu analysieren. Um die Auswirkungen und den Verbleib von Schwefel und brennstoffgebundenem Stickstoff auf die Partikel untersuchen zu können, wurde bei jedem Betriebspunkt eine Probe des Sauerstoffträgers genommen. Die Abgasströme des AR und FR wurden auf H2S, SO2 sowie NH3 und NOx analysiert. Bei allen Versuchen konnte ein Abfall des Methanumsatzes und der CO2-Ausbeute festgestellt werden, sobald H2S und NH3 in den Brennstoffstrom zu dosiert wurden. H2S konnte im FR vollständig in SO2 umgesetzt werden. NH3 wurde nahezu vollständig umgesetzt und zu N2 reduziert.

In order to cover the global energy demand, fossil fuels are still widely used. Many industrialized countries have committed themselves to prevent climate change and reduce greenhouse gases in various agreements by reducing their emissions. Carbon capture storage (CCS) is an important process to reduce CO2 emissions into the atmosphere by separating CO2 from the flue gas, transporting it to storage facilities and storing it there. Chemical Looping Combustion (CLC) is a second-generation CCS technology. The advantage of this sustainable and innovative combustion technology is that air and fuel are not mixed and therefore no energy intensive gas-gas separation is necessary. The oxygen needed for combustion is transferred through the bed material which circulates between two fluidized bed units. This so-called oxygen carrier is oxidized in the air reactor (AR) and reduced in the fuel reactor (FR). This method allows combustion of the fuel without having to mix it with air. As a result, in the FR ideally only water vapor, which can be separated by a condenser, and carbon dioxide (CO2) is formed. Since fossil fuels, in addition to hydrocarbons may also contain other impurities such as sulfur or nitrogen, their remaining regarding emissions is of particular importance. Therefore, within this diploma thesis the effects of fuel contamination at the 120 kWth pilot plant of the Vienna University of Technology are investigated and discussed. The tests were carried out under standard conditions at a nominal load of 73 kW, an FR temperature of 800 C and an air to fuel ratio of 1.5. A copper-based oxygen carrier called Cu15, which was prepared by impregnating CuO on a highly porous carrier (Al2O3) was used. Natural gas from the Viennese natural gas grid served as fuel. In order to analyze the influence of sulfur and fuel-bound nitrogen, H2S was added at a concentration of up to 2000 ppm and NH3 at a concentration of up to 16200 ppm. In order to examine the effects and the remaining of sulfur and fuel-bound nitrogen on the particles, a sample of the oxygen carrier was taken at each operating point. The exhaust gas flows of AR and FR were analyzed for H2S, SO2 and NH3 and NOx. In all experiments, a drop in the methane conversion and the CO2 yield could be detected as soon as H2S and NH3 was added to the fuel stream. H2S could be completely converted into SO2 in the FR. NH3 was almost completely converted and reduced to N2.