Performance of a copper-based oxygen carrier for chemical looping combustion of gaseous fuels

Abstract

Chemical Looping Combustion (CLC) ist eine Carbon Capture and Storage (CCS) Technologie, welche der zweiten Generation angehört. Das Ziel der CCS Technologien ist es, dass abgetrennte Kohlendioxid in unterirdischen Lagerstätten zu speichern. Das Besondere am CLC Verfahren ist, dass der Brennstoffund der Luftreaktor voneinander getrennt sind. Das bedeutet, dass es zu keiner Vermischung zwischen den Gasphasen kommt. Das gelingt durch den Sauerstoffträger, der zwischen den Reaktoren zirkuliert. Den Sauerstoff im Brennstoffreaktor bekommt man mithilfe des Sauerstoffträgers. Das heißt, der Sauerstoffträger wird im Luftreaktor oxidiert, dadurch wird der Sauerstoff zum Brennstoffreaktor befördert, und in diesem wird der Sauerstoffträger reduziert. Nach der Umsetzung des Brennstoffes mit Sauerstoff entsteht idealerweise nur Wasserdampf und Kohlendioxid im Brennstoffreaktor. Durch einen nachgeschalteten Kondensator wird der Wasserdampf vom CO2 getrennt, welches dann zum Speicherort befördert wird. In dieser Arbeit wird ein kupferbasierter Sauerstoffträger, namens Cu15 analysiert. Dieser basiert auf Kupfer und ist ein imprägniertes aus CuO/Al2O3 zusammengesetztes Material, das in einer 120kW Pilotanlage getestet wird. Die Resultate werden dann mit den vorherigen Ergebnissen verglichen. Die an der Technischen Universität Wien stehende 120kW Anlage arbeitet mit einem Dual Circulating Fluidizied Bed System. Bei den durchgeführten Versuchen wurden Feststoffproben des Sauerstoffträgers bei jedem konstanten Betriebspunkt genommen. Dies dient dem Bestimmen des Oxidationszustands des Sauerstoffträgers. Zusätzlich wurden eine Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) und eine Thermogravimetrische Analyse (TGA) durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Versuche und die Leistungsfähigkeit des Cu15 Sauerstoffträgers wurden in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Die Standardbedingungen für den Sauerstoffträger betrugen in dieser Arbeit 70kW und 800C. Als Standard Brennstoff (Erdgas) wurde das Gas vom Wiener-Gas-Netz genommen. Zusätzlich wurden höhere Kohlenwasserstoffe(Propan und Pentan) und Erdgas miteinander in verschieden Mixturen als Brennstoff verwendet und anschließend analysiert. Alle Brennstoffe wurden gasförmig in den Brennstoffreaktor geleitet. Alle Messungen der konstanten Betriebspunkte sind in das Simulationsprogramm IPSEpro übertragen und validiert worden. Weiters wurden mit einer Sensitivitätsanalyse Auswirkungen von kleinen Änderungen des Kupferoxidgehalts und der Feststoffprobenmasse dargelegt und erörtert. Dies wurde aufgrund der aufgetretenen Probleme bei der Messung des Oxidationszustandes vorgenommen. Im Allgemeinen war die Leistung des Cu15-Sauerstoffträgers gut. Bei höheren Temperaturen wurde eine vollständige Umwandlung erreicht. Höhere Kohlenwasserstoffe haben bei niedrigeren Brennstoffreaktor-spezifischen-Beständen eine bessere Verbrennungseffizienz als Erdgas-Betriebspunkte. Die Sensitivitätsanalyse ergab, dass der Einfluss der Parameteränderung für am höchsten war.

Chemical Looping Combustion (CLC) is a second-generation Carbon Capture. The aim of CCS is to store the separated carbon dioxide in underground deposits. The special feature of the CLC method is that the fuel and air are separated from each other. This means that there is no mixing between these gas phases. To achieve that, the required oxygen carrier is circulated between the reactors. The oxygen in the fuel reactor is obtained by the oxygen carrier. That means, that the oxygen carrier is oxidized in the air reactor, thereby the oxygen is transported to the fuel reactor, and reduced in the fuel reactor. After the reaction of the fuel with oxygen, only water vapour and carbon dioxide are produced in the fuel reactor. The water vapour is separated by a condenser and the remaining CO2 is transported to the deposit. In this thesis a copper based oxygen carrier, called Cu15, is analysed. This is an impregnated CuO/Al2O3 compound material and was tested at the Technischen Universität Wien (TUW) at a 120kW pilot plant. The results were compared with previous results. The 120kW system works with a Dual Circulating Fluidized Bed System. During the experiments solid samples of the oxygen carrier were taken at each operating point. This serves to determine the oxidation state of the oxygen carrier. In addition, X-ray fluorescents analysis (XRF) and Thermo gravimetric analysis (TGA) analyses were done. The results of the investigations of the various experiments and the performance of the Cu15 oxygen carrier were discussed in this thesis. The standard conditions for the oxygen carrier were 70kW and 800C. The fuel (natural gas) was taken from the Viennese-Gas-Grid. In addition to this fuel, higher hydrocarbons (propane, pentane) were used and analysed in various mixtures. Those fuels were passed into the fuel reactor in their gaseous phase. All measurements of the operating points were imported, validated and optimized in the simulation program IPSEpro. Furthermore, a sensitivity analysis of small changes of the copper oxide content and the solid sample mass was presented and discussed, because of measurement errors of the oxidation state. In general, the performance of the Cu15 oxygen carrier was good. Full conversion was achieved at higher temperatures. Higher hydrocarbons are having better combustion efficiency at lower fuel reactor specific inventories than natural gas operating points. The sensitivity analysis worked out that the influence of the parameter modification was the highest for the oxygen carrier to fuel ratio ().