Untersuchung zur Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen zwischen Versuchsanlagen verschiedener Größe

Abstract

Mit Chemical Looping Combustion (CLC) wird eine effiziente CO2-Abscheidetechnologie erforscht. Durch eine atmosphärische Trennung der Luft und des Brennstoffes über ein Metalloxid, auch genannt der Sauerstoffträger, finden kaum Wirkungsgradverluste statt. Obwohl die Technologie mit gasförmigen Brennstoffen schon weit entwickelt ist, steht CLC mit festen Brennstoffen noch vor verschiedensten Herausforderungen. Hierbei spielt das Metalloxid eine zentrale Rolle. Dieses transportiert über ein Zweibettwirbelschichtsystem den benötigten Sauerstoff für eine Verbrennung von der Verbrennungsluft zum Brennstoff. Das Produkt der Reaktion enthält je nach Brennstoff ausschließlich CO2 und Wasserdampf. Durch das Auskon-densieren von Wasser wird hochkonzentriertes CO2 gewonnen. In dieser Arbeit wurden Versuche an einer Laborwirbelschicht durgeführt, welche größentechnisch das Bindeglied zwischen Pilotanlagen und kleineren Laboreinheiten bilden soll. Das schnelle Testen neuer Brennstoffe und Sauerstoffträger erweist sich in großen Anlagen als teuer und aufwendig. So ist der verwendete Reaktor im Batchbetrieb als einfache Wirbelschicht ausgeführt und es ist möglich das Zweibettwirbelschichtsystem zu simulieren. Hier können Versuchsparameter und Eigenschaften von Sauerstoffträgern kostengünstiger erforscht werden. Zu diesem Zweck werden bei dem Batchreaktor Adaptionen durchgeführt und geeignete Betriebsbedingungen ermittelt, die eine Übertragung der Ergebnisse auf größere Anlagen zulassen. Die Versuche zeigen unter anderem, dass die Fluidisierung, die Temperatur sowie die Wahl des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers den größten Einfluss auf den Reaktionsverlauf haben. Mit den verwendeten Sauerstoffträgern Braunit (Manganerz) und Ilmenit (Eisen-Titan-erz) werden ohne Nachverbrennung bis zu 80% des Kohlenstoffs im Brennstoff zu CO2 umgesetzt. Über die Versuchsergebnisse im Batchreaktor werden Trends auf eine 80kW-Pilotanlage für feste Brennstoffe umgelegt. Im Zuge dieser Arbeit wurden in über 200 Betriebsstunden des Batchreaktors die wichtigsten Einflussparameter und deren Auswirkungen untersucht. Ein Umlegen der Ergebnisse auf eine größere Anlage ist möglich, jedoch sind für ein genaues Scale-up mehr Versuchsdaten notwendig.

Chemical Looping Combustion (CLC) is an efficient CO2 capture technology. There is hardly any efficiency penalty, because of the atmospheric separation of air and combustion via metal oxides. Although the gas-fuelled technology is high developed, there are still major challenges with solid-fuels. The metal oxide, which is also called the oxygen carrier, is at the centre of interest. He delivers oxygen through a dual-fluidized bed, which is required for combustion free of interfering gases. The product of the reaction contains only CO2 and water vapour de-pending on the fuel. While condensing the water vapour, highly concentrated CO2 could be generated. In terms of size, the experimental reactor for CLC treated in this work, forms the missing link between pilot plants and smaller laboratory units. Rapid testing of new fuel and oxygen carri-ers proves to be expensive and costly in large plants. The adopted reactor is running in batch mode as a simple fluidized bed. Experimental parameters and characteristics of oxygen carriers can be researched at lower costs. For this purpose, there will be adaptations for the new operating Batch-reactor and also research for suitable operating conditions to approximate the results to large-scale units. The experiments show that the fluidization and the choice of fuel and oxygen carriers are most influencing to the progress of the reaction. There are CO2 conversion rates up to 80% achieved by using Braunit and Ilmenite as oxygen carriers. The experimental results in the Batch-reactor allow trends to be transferred to an 80kW solid fuel plant. In summary, in over 200 operating hours, the most important parameters and their effects can be identified. A transfer of results to a large plant is possible, but for an exact scale-up more experimental data is necessary.