Fluid dynamic evaluation of dual fluidized bed systems

Abstract

Kürzlich wurde damit begonnen Möglichkeiten zu untersuchen, um die globale Erderwärmung, welche auf vorindustrielle Zeiten bezogen aktuell bereits 1 °C erreicht hat, auf 1.5 °C zu beschränken. Es besteht Einigkeit, dass hierfür ein Portfolio notwendig sein wird, welches sich aus verschiedensten Technologien zusammensetzt. Dieses Portfolio wird sich grundsätzlich aus Technologien zur Verwertung von erneuerbaren Energieträgern und der Verhinderung des Ausstoßes von CO2, welches am meisten von allen Treibhausgasen zum Klimawandel beiträgt, an die Atmosphäre zusammensetzen. Wirbelschichtsysteme repräsentieren eine Möglichkeit, innovative Energieumwandlungsprozesse zu verwirklichen, und könnten daher dazu beitragen, den Klimawandel einzuschränken. Als Beispiele können hier unter anderem „chemical looping combustion“, „chemical looping reforming“, “dual fluidized bed gasification” und “sorption enhanced reforming” genannt werden. Diese stellen Technologien zur Verhinderung des CO2‐Ausstoßes an die Atmosphäre, der Verwertung von Biomasse sowie der Produktion von Synthesegas dar. Das Ziel dieser Arbeit war das Auffinden von fluiddynamischen Möglichkeiten, um den Ablauf der chemischen Prozesse, welche in solchen Wirbelschichtsystemen realisiert werden, zu verbessern. Grundsätzlich wurde die Arbeit im Rahmen von Untersuchungen bezüglich „chemical looping combustion“ (CLC) durchgeführt, allerdings sollten auch weitere chemische Prozesse, welche in Wirbelschichten realisiert werden, davon profitieren. Die untersuchten Wirbelschichtsysteme wurden nach dem so genannten „dual circulating fluidized bed“ (DCFB) Konzept konstruiert. Der Fokus der Arbeit war dabei das Auffinden von Möglichkeiten zur Beeinflussung von wichtigen Prozessparametern wie beispielsweise den Feststoffumlauf, die Reaktorfeststoffinventare und der Feststoffanteilverteilung über die Höhe der Reaktoren, mittels Design der Reaktoren oder der Optimierung von Betriebsparametern. Die Arbeit beinhaltet Ergebnisse von Experimenten in Wirbelschichtsystemen von deutlich verschiedener Größe. Weiters wurden die Experimente sowohl unter Umgebungsbedingungen als auch unter für die untersuchten Prozesse typischen Temperaturen durchgeführt. Untersuchungen bezüglich des Designs des Reaktorausgangs ermöglichten die Bestimmung der Mechanismen, welche zur Reflektion von Partikeln am Reaktorausgang führen. Dadurch konnten in weiterer Folge Modelle zur Bestimmung des Feststoffumlaufs in Wirbelschichtsystemen mittels des Druckverlustes im oberen Bereich eines Reaktors entwickelt werden. Außerdem wurde für das DCFB System ein Zusammenhang zwischen Feststoffinventar des primären Reaktors und Feststoffumlauf sowie mittlerer Partikelverweilzeit im primären Reaktor gefunden. Experimente bezüglich der Fluidisierung des “lower loop seal” (LLS) im DCFB System zeigten, dass sich die Feststoffreaktorinventare der Reaktoren mittels der Menge an Fluidisierungsgas beeinflussen lassen. Diese Auswirkung auf die Feststoffinventare ist auch mit einer Einflussnahme der LLS Fluidisierung auf den Feststoffumlauf verbunden. Um einen Gasaustausch zwischen den beiden Reaktoren des DCFB Systems überprüfen zu können, wurde ein Spürgas in die Fluidisierung der „loop seals“ gemischt. Hierbei zeigte sich, dass sich bei Verwendung eines LLS mit der Möglichkeit der Aufteilung der gesamten LLS Fluidisierung auf verschiedene Fluidiserungszonen die Gefahr eines Gasaustausches deutlich reduzieren lässt. Besonders mit einem hohen Anteil jener Zone, welche sich direkt unter der „supply zone“ des LLS befindet, wurde die Gefahr eines Gasaustausches signifikant reduziert. Mittels Querschnittsänderungen im sekundären Reaktor des DCFB Systems konnte auf die Feststoffanteilverteilung über die Höhe desselben Reaktors Einfluss genommen werden. Hier wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Verwendet wurde ein Design mit einem deutlich größeren Durchmesser im unteren Bereich des sekundären Reaktors, als dem schmalen oberen Bereich. Dies sollte zwei Dinge bewirken, einen Zuwachs des Feststoffinventars und gleichzeitig einen möglichst hohen Feststoffanteil im oberen Bereich des Reaktors. Das andere Design verwendete gleichmäßig über die Höhe des sekundären Reaktors verteilte Einbauten, welche dessen Querschnittsfläche lokal reduzierten. Dieses Design hatte als Ziel den Feststoffanteil im oberen Bereich des sekundären Reaktors signifikant zu erhöhen und dadurch eine möglichst gleichmäßige Feststoffverteilung über die Höhe zu erreichen. Hierbei konnte der Feststoffanteil im oberen Bereich des Reaktors sowohl mittels des Designs der Einbauten als auch den Betriebsbedingungen beeinflusst werden. Allerdings zeigte sich, dass diese Einschnürungen der Querschnittsfläche des sekundären Reaktors zu fluiddynamischen Limitierungen des Betriebsbereichs führten. Durch die Bestimmung der Mechanismen, welche zu selbigen führen, ist es gelungen, mittels des Designs des sekundären Reaktors auf diese Betriebsgrenzen Einfluss zu nehmen. In weiterer Folge wurden die Ergebnisse dieser Untersuchungen verwendet, um Vorschläge für Adaptierungen des Designs für den sekundären Reaktor und dem Design der „loop seals“ im DCFB System auszuarbeiten.

Recently, possibilities are being investigated to limit global warming to 1.5 °C, which has already reached 1 °C above pre‐industrial levels. In general, there is agreement that a portfolio of Technologies will be needed in order to achieve this goal. Further, this portfolio will be based on technologies for the utilization of renewable energy sources and tools for the prevention of the release of CO2, representing the most important greenhouse gas, to the atmosphere. Fluidized bed systems represent a way to realize innovative energy conversion processes and therefore constitute a possibility to contribute to the mitigation of climate change. Among others, chemical looping combustion, chemical looping reforming, fluidized bed gasification, sorption enhanced reforming, and carbonate looping can be named. These represent technologies for the capture of CO2, the utilization of biomass, and the production of syngas. The objective of this thesis was to investigate the fluid dynamics of fluidized bed systems for possibilities to improve the performance of the chemical processes realized in it. The work was carried out in the course of a chemical looping combustion process (CLC), but further chemical processes realized in fluidized bed systems should also benefit from the results. The experiments were performed in fluidized bed systems designed according to the so‐called dual circulating fluidized bed System (DCFB). The investigations were focused on the reactor design and possibilities to influence important process parameters, such as solids circulation, reactor solids inventories, and solids fraction distribution over the height of the reactors via operating conditions. The thesis includes results of experiments of fluidized bed systems of significantly different scale. Further, the covered Experiments were performed under ambient conditions as well as hot conditions.Investigations concerning the design of riser exit‐configurations enabled to detect the mechanism leading to reflection of particles at the top of the riser. This made it possible to develop possibilities for the estimation of the solids circulation in fluidized bed systems via the pressure drop in the upper part of the riser and particle properties. Further, in case of the DCFB system, a correlation between primary reactor inventory, solids circulation between the reactors, and mean particle residence time in the reactor could be identified. Experiments concerning the fluidization of the lower loop seal (LLS) in the DCFB system showed the possibility to influence the reactor inventories via the amount of fluidization gas. This influence on the reactor inventories involved the opportunity to effect the solids circulation between the reactors via the LLS fluidization. Further, experiments concerning leakage between the reactors were performed. For this experiments, a tracer gas was mixed into the fluidization gas of the fluidized bed system. Investigations using a LLS with the possibility to distribute the total LLS fluidization gas to different fluidization zones showed that a high share of the zone located directly below the supply zone of the LLS on the total LLS fluidization gas reduced the risk of leakage between the reactors significantly. It was possible to influence the solid fraction distribution over the height of the secondary reactor in a DCFB system via changes in the cross sectional area of the reactor. Two different approaches were investigated experimentally. One design used a significantly wider bottom part than the upper part, which should allow to handle increased bed inventories and at the same time to preserve the solid fraction in the upper part at values similar to a straight reactor design. The other design used internals placed along the height of the secondary reactor, locally constricting it. This design was investigated with the aim to achieve a significantly higher solid fraction in the upper part of the secondary reactor, and in this way a more homogenous solid fraction. It was possible to increase the solid fraction in the upper part with both, the design of the internals and the operating conditions. However, for all designs with changes in the cross sectional area of the secondary reactor limitations in the operating range could be observed due to fluid dynamic effects. The detection of the mechanisms leading to them allowed to influence the operating range via the design of the secondary reactor. The results of the thesis were used to suggest adaptations in the design of the secondary reactor of the DCFB system, as well as the design of the loop seals.