Chemical looping combustion : simulation of the fuel oxidation reactor

Abstract

Pläne für die Dämpfung klimatischer Veränderungen konzentrieren sich auf die Reduktion von Treibhausgasen. Ein wesentlicher Teil der Treibhausgase, die von der Industrie in die Atmosphäre emittiert werden, stammt aus Kraftwerken, die fossile Brennstoffe in fester, flüssiger oder gasförmiger Form verbrennen. Das wichtigste Treibhausgas -- Kohlendioxid -- kann mit verschiedenen Mitteln aus den Abgasströmen von Kraftwerken abgetrennt und danach in geeigneten geologischen Formationen gespeichert werden. Die Abtrennung vermindert jedoch die Effizienz der Kraftwerke signifikant und zieht steigende Energiekosten nach sich.<br />Chemical Looping Combustion ist ein Verfahren, das darauf abzielt, die Kosten für die Abtrennung von Kohlendioxid bei der Energiegewinnung aus gasförmigen Brennstoffen zu senken. Der Prozess arbeitet mit einem Metalloxid, das dazu benutzt wird den Sauerstoff zum Brennstoff zu transportieren. Das Oxid wird reduziert und Kohlendioxid kann aus dem Abgasstrom einfach dadurch abgetrennt werden, indem man Wasser, das das zweite Reaktionsprodukt der Verbrennung ist, auskondensiert. Dieses Schema wird in einem Wirbelschichtsystem realisiert; ein Wirbelschichtreaktor -- fluidisiert mit Luft -- dient als Regenerationsreaktor für das Metall (Luftreaktor), der andere dient als Verbrennungsreaktor für den Brennstoff (daher: Brennstoffreaktor). Der metallische Sauerstoffträger wird also im Luftreaktor oxidiert, die resultierend thermische Energie genutzt, dann über einen Siphon, der die Gasvermischung zwischen den beiden Reaktoren möglichst klein hält, in den Brennstoffreaktor transportiert, wo er endotherm unter Entstehung von Kohlendioxid und Wasser reduziert wird um schließlich über einen zweiten Syphon zurück in den Luftreaktor transportiert zu werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine kombinierte Methode zur Charakterisierung von möglichen, billigen Sauerstoffträgern unter Verwendung einer Thermogravimetrieapparatur und eines Massenspektrometers entwickelt. Die Methode wird anhand der Analyse von einem kommerziell erhältlichen Kupfer-basiertem Material einerseits und einem gebräuchlichen, billigen Eisenerz andererseits demonstriert. Die beiden Material werden über verschiedene Temperaturen und Methangehalte (als Ersatz für Erdgas) getestet um ihr Verhalten bezüglich der Reduktion im Brennstoffreaktor zu bestimmen. Nachdem die Reduktion beträchtlich langsamer läuft als die Oxidation, ist sie der durchsatzbestimmende Schritt des Systems.<br />Basierend auf früheren Arbeiten wurde ein Simulationsmodell des Brennstoffreaktors entwickelt, um den Zusammenhang zwischen chemischer Kinetik und Hydrodynamik des Brennstoffreaktors studieren und optimieren zu können. Unter Verwendung dieses Modells wurde schließlich eine Voraussage über die zu erwartende Gaskonversion für einen Brennstoffreaktor getroffen, der sich zur Zeit in Planung befindet.<br />Messungen an der heißen Anlage können dann dazu benutzt werden, das Modell weiter zu verbessern.

Plans for the mitigation of climatic changes currently focus on the reduction of greenhouse gases. The significant part of greenhouse gases that are industrially emitted originates from power plants burning fossil fuels in solid, liquid of gaseous form. The most important greenhouse gas -- carbon dioxide -- can be removed from the exhaust streams of powerplants by various means and subsequently stored in suitable geologic formations. The removal however significantly lowers the efficiency of the power generation and entails rising costs for energy. Chemical looping combustion is a process that aims at reducing costs for the capture of carbon dioxide during power generation from gaseous fuel. The process uses a metal oxide to transport oxygen to the fuel. The oxide is reduced and carbon dioxide can be removed form the exhaust gas stream by simply condensing the water, that is the second product of the combustion process. This scheme is realised in a fluidised bed-system, the one fluidised bed reactor -- operated with air -- serving as regeneration reactor for the metal (the so called air reactor), the other serving as combustion reactor for the fuel (hence:<br />fuel reactor). The metal oxygen carrier is oxidised in air reactor, the resulting heat can be used for power generation, then transported to the fuel reactor via a loop seal, that minimises the gas mixing between the reactors, where it is endothermally reduced under formation of carbon dioxide and water, and then transported back to the air reactor via a second loop seal. For this work, a combined method of characterising possible cheap oxygen carrier materials with the use of a thermobalance and a mass spectrometric analyses of the reaction gases has been developed. The method is demonstrated using a commercially available copper-based bed material on one hand a cheap, common iron ore on the other hand. Both materials were tested across a range of temperatures and with varying contents of methane, which served as a substitute for natural gas, in order to determine their reaction characteristics with respect to the reduction in the fuel reactor. Since this reaction is slower than the oxidation in the air reactor it is the determining step for the throughput of the system. Based on earlier work, a simulation model for the fuel reactor was developed in order to study the interdependence of chemical kinetics and fuel reactor hydrodynamics in order to optimise the process. Using this model, the expected gas conversion for a fuel reactor, that is currently in planning, is predicted. Measurement results of the hot unit will further help to optimise the model.