Chemical looping combustion- Experimenteller Vergleich von Sauerstoffträgern

Abstract

Chemical Looping Combustion (CLC) ist eine effiziente CO2-Abscheidetechnologie, die in dieser Arbeit erforscht wird. Durch eine räumliche Trennung von Luft und Brennstoff, durch einen Sauerstoffträger finden kaum Wirkungsgradverluste statt. CLC ist mit gasförmigen Brennstoffen schon weit erforscht. Die Verbrennung fester Brennstoffe, wie zum Beispiel Biomasse steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Bei dieser Anwendung spielt das Metalloxid eine zentrale Rolle. Es transportiert über eine Zweibettwirbelschicht den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff aus der Luft zum Brennstoff. Das Produkt des Prozesses enthält in Abhängigkeit vom Brennstoff ausschließlich CO2 und Wasserdampf. Nach Trocknung des Produktgases enthält man reines CO2.In dieser Arbeit wurden Versuche an einer Laborwirbelschicht durchgeführt. Die Anlage stellt ein Bindeglied zwischen Pilotanlagen und kleineren Laboranlagen dar. Das schnelle Testen von Brennstoffen und Sauerstoffträgern ist in großen Anlagen sehr zeitaufwändig und teuer. Der verwendete Reaktor ist als einfache Wirbelschicht ausgeführt. Er wird im Batchbetrieb gefahren und simuliert so eine Zweibettwirbelschicht. Es können Versuchsparameter, Brennstoffe und Eigenschaften von Sauerstoffträgern kostengünstiger erforscht werden. Gewonnene Ergebnisse werden adaptiert und auf größere Anlagen übertragen.Im Zuge dieser Arbeit wurden in über 150 Betriebsstunden am Batchreaktor verschiedene Sauerstoffträger charakterisiert und Langzeitbeobachtungen unternommen. Außerdem wurde eine Übersicht zur einheitlichen Charakterisierung der Sauerstoffträger weiterentwickelt.

CO2 concentrations in the atmosphere have been steadily increasing from 280 ppm in pre-industrial times to more than 410 ppm today mainly due to anthropogenic emissions. It is common agreement among scientists that limiting the CO2 concentration in the atmosphere is necessary in order to stay within the 1.5 °C temperature increase limits. Therefore, the classical approach for CO2 capture is based on point source carbon capture, where the CO2 is separated from a CO2-rich flue gas stream. Chemical looping combustion with solid fuels is a CO2 capture technology with the potential to achieve negative CO2 emissions. The most important operating media for the technology are so-called oxygen carriers, metal oxides, which cause combustion into highly concentrated CO2 exhaust gas streams. Confronted with solid fuels, the oxygen carriers have to fulfil many conditions to be suitable for the process. High oxygen-carrying capacity, high reactivity, price and environmental compatibility are for example important and therefore the optimal oxygen carrier has not yet been discovered.In the context of the BioLoop research project, this thesis will compare and evaluate oxygen carriers of different origin, from natural ores, synthetic materials to waste materials. For this purpose, experiments will be carried out on a laboratory reactor available at the Vienna University of Technology. The most promising oxygen carrier will then be examined in detail in long-term tests and, if the results are good, will enable the operation of a pilot plant.