Design, Errichtung und Inbetriebnahme einer Versuchsanlage für innovative Wirbelschichtprozesse

Abstract

Unter Carbon capture and storage (CCS) werden unterschiedliche Technologien zusammengefasst, welche alle dasselbe Ziel verfolgen, nämlich CO2-Emissionen zu reduzieren. Chemical looping combustion (CLC) gehört zu diesen Technologien und ermöglicht die Abscheidung von CO2 ohne erhebliche Energieeinbußen. Im Gegensatz zu einer normalen Verbrennung wird bei CLC der Brennstoff nicht mit der Verbrennungsluft in Kontakt gebracht, sondern es wird ein Sauerstoffträger verwendet, welcher den Transport des Sauerstoffs von Verbrennungsluft zu Brennstoff übernimmt. Dies gewährleistet ein Abgas, welches hauptsächlich aus CO2 und Wasserdampf besteht. Die Verwendung von Biomasse als Brennstoff mit anschließender CO2-Speicherung ermöglicht dadurch sogar negative CO2-Emissionen. In dieser Arbeit wird eine Versuchsanlage im Labormaßstab vorgestellt, mit welcher die Prozesse der CLC-Technologie untersucht werden können. Diese Anlage besteht aus einem Wirbelschichtreaktor, welcher im Batch-Betrieb abwechselnd mit Luft und mit Dampf fluidisiert wird. Dadurch können Versuche im Heißbetrieb, mit unterschiedlichen Sauerstoffträgern und Brennstoffen, bei verschiedenen Betriebszuständen durchgeführt werden. Es ist die Verwendung von festen wie auch gasförmigen Brennstoffen vorgesehen, wobei der Fokus auf der Verwendung von biogenen Festbrennstoffen liegt. Der Versuchsstand besteht aus einem Gasvorwärmer, dem Reaktor, der Festbrennstoffdosierung, einer Entnahmevorrichtung für Feststoffproben und der Abgasstrecke mit Post-Oxidationskatalysator. Um Aussagen über die Vorgänge im Reaktor treffen zu können, wird Abgas entnommen und deren Zusammensetzung analysiert. Der Test der elektrischen Heizungen stellte den ersten Schritt der Inbetriebnahme der Versuchsanlage dar. Bei weiteren Testläufen wurde der Druckverlust des Düsenbodens sowie der Wirbelschicht inkl. Düsenboden gemessen. Die ersten Versuche im CLC-Betrieb wurden mit Ilmenit als Sauerstoffträger und Holzpellets als Brennstoff durchgeführt. Dabei konnte ein Kohlenstoffumsatz von ca. 70-80% erreicht werden. Die Oxidationsrate des Sauerstoffträgers wurde bei einem Versuch ermittelt und beträgt ca. 95%. Zusammenfassend ermöglicht der Versuchsstand umfassende Untersuchungen von unterschiedlichen Sauerstoffträgern und Brennstoffen und kann somit einen Beitrag zur weiteren Forschung im Bereich CLC beitragen.

Carbon capture and storage (CCS) summarizes different technologies that all pursue the same goal of reducing CO2 emissions from industrial processes. One of these promising carbon capture technologies is chemical looping combustion (CLC), which combines a combustion process with inherent CO2 separation and therefore almost no energy penalty. Unlike normal combustion, in CLC the fuel is never in contact with the combustion air. Instead, an oxygen carrier is used to transport the oxygen form the combustion air to the fuel. This is resulting in an exhaust gas stream, which consists mainly of CO2 and water vapor. The use of biomass as a fuel in CLC with subsequent CO2 storage even allows negative CO2 emissions. In this work, a laboratory-scale pilot plant will be presented, which allows the investigation of ongoing processes in CLC. This plant consists of one fluidized bed reactor which is operated in batch mode. Which means, that alternately air and steam is used for fluidization and thus simulates the processes of a circulating fluidized bed plant. As a result, experiments can be carried out with different oxygen carriers and fuels at different operating conditions. Both solid and gaseous fuels can be used, in which the focus is on the use of solid biofuels. The main parts of the testing facility are a gas preheater, a fluidized bed reactor, a solid fuel dosing system, a solid sampling device and the post-oxidation catalyst. For the investigation of ongoing processes, the exhaust gas is being analyzed. Testing the electric heaters represented the first step of the commissioning. In further test runs the pressure loss of the nozzle plate as well as the fluidized bed including the nozzle plate have been measured. The first CLC experiments were carried out with ilmenite as an oxygen carrier and wood pellets as a fuel. A carbon conversion of about 70-80% has been achieved. The oxidation rate of the oxygen carrier was determined in one experiment and is about 95%. Concluding, this pilot plant allows a wide range of studies of different oxygen carriers and fuels and can thus contribute to further research in the area of CLC.