Negative CO2-emissions with oxygen carriers in experimental comparison

Abstract

Um die Emission von Treibhausgasen zu verringern und eine Zukunft ohne fossile Brennstoffe zu erreichen, werden Technologien entwickelt, die CO2 aus der Atmosphäre oder aus Verbrennungsprozessen abscheiden. Eine dieser Technologien, die zunehmend an Aufmerksamkeit gewinnt, ist „Chemical Looping Combustion“ (CLC). Der CLC-Prozess ist in der Lage, einen hochreinen CO2-Strom mit einem geringeren Energieaufwand als herkömmliche Methoden der Kohlenstoffabscheidung zu erzeugen. In Kombination mit Biomasse als Brennstoff erzeugt CLC negative CO2 Emissionen, wodurch die Gesamtkonzentration, der bereits in der Luft vorhandenen Treibhausgase verringert werden kann. Charakteristisch für diesen Prozess ist, dass der Brennstoff niemals direkt mit der Luft in Kontakt kommt; stattdessen wird der Sauerstoff über einen sogenannten Sauerstoffträger (OC) in den Reaktor eingebracht. Die Sauerstoffträger sind das Kernelement des CLC-Prozesses und der Hauptfokus dieser Arbeit. Die Sauerstoffträger bestehen aus Metalloxiden, die aus natürlichen Erzen gewonnen oder synthetisch hergestellt werden. Anforderungen an die Sauerstoffträger sind eine hohe Sauerstofftransportkapazität, hohe Reaktivität, hohe Abriebfestigkeit sowie niedrige wirtschaftliche und ökologische Kosten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sechs verschiedene synthetische Sauerstoffträger im Labor der Technischen Universität Wien getestet und bewertet. Der vielversprechendste dieser Materialen wurde anschließend in einem Langzeitexperiment erneut detailliert untersucht. Der Sauerstoffträger, der die besten Ergebnisse erzielte, war ein Metalloxid bestehend aus Mangan, Eisen und Kupfer (MIC). Es zeigte hohe Kohlenstoffumwandlungsraten, CO2 Ausbeuten sowie Sauerstofftransportfähigkeiten. Der Hauptnachteil von MIC war, wie während des Charakterisierungstests gezeigt wurde, dass es aufgrund seines Kupfergehalts zur Agglomeration neigt. Auch während des Langzeitexperiments zeigte MIC weiterhin hohe CO2 Ausbeuteraten, es wurden durchgängig Werte für für die CO2 Selektivität von 95% gemessen. Des Weiteren wurde eine Analyse der Lebenszweit erstellt, welche auf 1920h geschätzt wurde. Diese Studie dient als Grundlage für weitere Versuche an synthetischen Sauerstoffträgern.

To mitigate the emission of greenhouse gases and to reach a future without the use of fossil fuels, technologies are being developed that capture CO2 from the atmosphere or from combustion processes. One of those technologies gaining more attention is chemical looping combustion (CLC). The CLC process is capable of producing a highly pure CO2 stream with a lower energy penalty than conventional carbon capture methods. In combination with biomass as fuel CLC produces negative CO2-emission, reducing the total concentration of greenhouse gases already present in the air. The characteristic of this process is that the fuel never comes into direct contact with the air; instead, the oxygen is fed into the reactor through a so-called oxygen carrier (OC). The OCs are the core element of the CLC process and the main focus of this study. The OC consists of metal oxides derived from natural ores or synthetically produced. Requirements for the OCs are high oxygen carrying capability, high reactivity, low attrition rate as well as low economic and environmental costs. In the scope of this work, six different synthetic OCs were tested in the laboratory at TU Wien and evaluated. The most promising of those OCs wasthen again tested in more detail during long-term experiments. The OC that performed the best was a metal oxide comprised of manganese, iron and copper (MIC). It displayed high carbon conversion rates, CO2 yield, as well as oxygen transport capabilities. The main drawback of MIC was, as shown during the characterisation test, because of its copper content the tendency to form agglomerations. During the long-term experiment, MIC was still showing high rates of CO2 yield, as well as values of above 95% for the CO2 selectivity. Finally, the lifetime of about 1920 h was determined. This study provides a framework for future experiments and investigations of synthetic OCs.