Untersuchung zu Chemical Looping Combustion biogener Reststoffe an einer Laborwirbelschicht

Abstract

Um den seit Beginn der industriellen Revolution rasant steigenden Bedarf an Primärenergie zu decken, werden bis heute größtenteils fossile Energieträger verwendet, was in der Atmosphäre zu einem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration auf über 400 ppm geführt hat. Durch die erhöhte Konzentration wird der Treibhauseffekt der Erde verstärkt, wodurch es zur globalen Erwärmung kommt. Im 2015 abgeschlossenen Übereinkommen von Paris haben sich die Mitgliedsstaaten der UNFCCC dazu verpflichtet, die globale Erwärmung gegenüber dem vorindustriellen Niveau auf deutlich unter 2 C zu beschränken. Da fossile Energieträger mittelfristig zur Deckung des weltweiten Energiebedarfs unverzichtbar sind, ist Carbon Capture and Storage eine wichtige Maßnahme zur Vermeidung neuer Emissionen. Soll die globale Erwärmung auf deutlich unter 2 C beschränkt werden, ist es jedoch nicht genug, nur neue Emissionen zu verhindern, sondern es muss in Zukunft auch aktiv Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch die Nutzung von Biomasse in Kombination mit Kohlendioxidabscheidung erfolgen. Chemical Looping Combustion ist ein vielversprechender Verbrennungsprozess mit integrierter Kohlendioxidabscheidung, bei dem der Brennstoff nicht in direkten Kontakt mit Luft gebracht wird. Der zur Verbrennung benötigte Sauerstoff wird stattdessen mit Hilfe eines Sauerstoffträgers aus der Luft zum Brennstoff transportiert. Das erzeugte Abgas besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf, welcher auskondensiert werden kann, wodurch eine energieaufwändige Gastrennung wie bei anderen Abscheidetechnologien entfällt. In der vorliegenden Arbeit wurden Versuche zur Chemical Looping Combustion von festen, biogenen Brennstoffen durchgeführt. Als Versuchsanlage wurde ein Batch-Reaktor im Labormaßstab verwendet. In Vorbereitung auf die Versuche wurde die Anlage mit einer einfach zu bedienenden, eigenständigen Gasversorgung ausgestattet. Die Bedienelemente wurden auf einem Bedienpanel zusammengefasst. Um die Probenentnahmevorrichtung für Feststoffproben auf eine etwaige Selektivität zu untersuchen, wurden an verschiedenen Versuchspunkten im kalten Betrieb Proben entnommen und deren Partikelgrößenverteilung mit der des Bettmaterials vor und nach dem Versuch verglichen. Aus den Ergebnissen dieses Versuchs konnte keinerlei Selektivität der Probenentnahmevorrichtung festgestellt werden. Als Nächstes wurde der Einfluss des Schneckenspülungsvolumenstroms auf die Brennstoffeinbringung untersucht. Es stellte sich heraus, dass der bislang verwendete Volumenstrom zu gering war, um den Brennstoff in das Bett der Wirbelschicht zu drücken, was sich in einer schlechten Umsetzung des Brennstoffs äußerte. Abschließend wurde ein Vergleich von Holz, Rinde und Hühnermist zu Braunkohle durchgeführt, bei dem die Eignung zur Anwendung in Chemical Looping Combustion untersucht wurde. Zwar stellte sich heraus, dass die Braunkohle am besten umgesetzt wurde, die Ergebnisse, die mit den biogenen Brennstoffen erreicht wurden, standen denen der Braunkohle jedoch nicht in viel nach.

Since the beginning of the industrial revolution, mainly fossil fuels were used to meet the rapidly increasing demand in primary energy, which led to an increase in carbon dioxide concentration to more than 400 ppm. The increase in carbon dioxide concentration in turn led to a reinforcement of the greenhouse effect, which caused global warming. In 2015 members of the UNFCCC committed to limit the increase in global temperature to well below 2 C above pre-industrial levels. Since fossil fuels will be essential to cover the global energy demand in the midterm, carbon capture and storage is an important tool to prevent new emissions to the atmosphere. To reach the goal of limiting global warming to well below 2 C, it is not enough to only prevent further emissions, but actions have to be taken to actively remove carbon dioxide from the atmosphere. This could be done for example by using biomass in combination with carbon dioxide capture. Chemical looping combustion is a promising combustion process with inherent carbon dioxide capture. Direct contact between the fuel and air is avoided by transporting the oxygen needed for the combustion by means of an oxygen-carrier. The produced flue gas consists mainly of carbon dioxide and water vapor, which can be easily separated by condensation and therefore avoiding an energy-intensive gas separation step present in other capture technologies. During the present thesis several experiments were made to research chemical looping combustion of solid, biogenic fuels using a bench-scale batch reactor. In preparation for the experiments the experimental plant was retrofitted with a standalone gas supply. All operating elements were mounted to an easy-to-handle control panel. To test the solid sampling device for any selectivity regarding the particle size that may arise, the particle size distributions of several solid samples have been compared to the particle size distributions of the bed material before and after the experiment. From the obtained results no selectivity whatsoever could be found for the solid sampling device. Next the impact of the volumetric flow rate of the screw-conveyor flush on the fuel insertion into the reactor was investigated. Turns out, the volumetric flow rate previously used was too low to push the solid fuel into the reactor bed, which resulted in poor fuel conversion. Last but not least, wood, bark and chicken manure were tested and compared with lignite regarding their viability in chemical looping combustion. The overall best conversion was reached using lignite as expected, but the conversion reached for biogenic fuels was not far behind.