Commissioning and operation of a scaled cold flow model of a 10MW chemical looping combustion demonstration unit

Abstract

Die Menschheit hat in den nächsten Jahrzehnten eine wichtige Aufgabe, die Ausstoßung von Treibhausgasen und allen voran CO2 zu reduzieren. Diese Maßnahme ist unumgänglich, um den Klimawandel zu reduzieren bzw. zu stoppen. Da die alleinige Energieversorgung mit regenerativen Verfahren zum heutigen Zeitpunkt und in den nächsten Jahrzehnten nicht möglich sein wird, ist es notwendig, vorhandene Konzepte zur CO2 Reduzierung in Hinblick auf eine großtechnische Anwendung zu erforschen. Eines dieser Konzepte ist 'carbon capture and storage', kurz CCS. Hierbei wird das bei einer Verbrennung entstehende CO2 konzentriert und anschießend gespeichert. Unter den Technologien, die dieses Konzept anwenden, hat 'chemical looping combustion' (CLC) einen besonderen Stellenwert, da es eine besonders energieeffiziente Abtrennung von CO2 ermöglicht. Diese Technologie wendet eine getrennte Verbrennung an, um die Verbrennungsluft nicht mit dem, in den Abgasen enthaltenen CO2 zu mischen. Um den Sauerstoff, welcher für die Verbrennung notwendig ist, bereit zu stellen, wird ein fester Sauerstoffträger eingesetzt. Dieser Sauerstoffträger wird mittels zirkulierender Wirbelschichten zwischen den Reaktoren transportiert. Dieses Reaktordesign wird zweifach zirkulierende Wirbelschicht genannt und im Technikumsmaßstab (140kW) erfolgreich betrieben. Um das Risiko, welches ein Scale-up auf 10MW mit sich bringt, zu reduzieren wurde ein Kaltmodell entworfen. Dieses Kaltmodell wurde dahingehend skaliert, die Strömungszustände in einer Heißanlage abzubilden und auftretende Phänomene untersuchen zu können. Die vorliegende Studie befasst sich mit der Inbetriebnahme dieses 10MW Kaltmodells einer CLC Anlage und ersten fluiddynamischen Untersuchungen. Dazu wurde ein Druckmesssystem aufgebaut, welches ermöglicht, die Druckprofile im Modell aufzuzeichnen. Diese Druckprofile geben Aufschluss über vorherrschende Strömungszustände und lassen Rückschlüsse auf Druckverluste in der Heißanlage zu. Des Weiteren wurde der Bettmaterialaustrag der vorhandenen Zyklone optimiert, um einen stabilen Messbetrieb zu gewährleisten. Durch Anpassung der Positionen der Gasauslässe und Installation von Tauchrohren wurde eine Reduktion des Bettmaterialaustrages um den Faktor 45 erreicht. Um den Aufwand an Betriebsstoffen (Luft, Dampf) im Betrieb der Heißanlage reduzieren zu können, wurde die Fluidisierung der Siphone im Kaltmodell variiert. Durch diese Variation konnte ein optimaler Betriebspunkt gefunden werden, welcher bei verringerter Fluidisierung die Bettmaterialzirkulation konstant halten konnte. Durch diese Optimierung konnten im unteren Siphon die eingesetzten Gasmengen um 15 % und im oberen Siphon um 30% reduziert werden. Der Einfluss der Fluidisierungsluft in den Reaktoren, auf den Bettmaterialumlauf wurde mittels einer Sensitivitätsanalyse ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die primären Fluidisierungsstufen den großen Einfluss auf den Umlauf haben. Den größten Einfluss auf den Umlauf hat jedoch das vorhandene Bettmaterial im Reaktorverbund.

The reduction of greenhouse gases, in particular CO2, is one of the main tasks of mankind in this century. To deplete or stop the effects of climate change it is inevitable to decrease CO2 concentration in the atmosphere. As an exclusive energy supply based on renewable sources will not be achievable in the next years, it is necessary to improve available concepts for CO2 reduction and develop them with regard to commercial applications. One of these concepts is carbon capture and storage (CCS). In this concept CO2 formed in combustion process is concentrated and stored. One of the energy efficient ways to separate CO2 from a combustion process is chemical looping combustion (CLC). This technology uses an unmixed combustion, which means that the formed CO2 is not mixed with the depleted combustion air. To provide the necessary oxygen for the combustion process, a solid oxygen carrier is used. This solid oxygen carrier is transported between two reactors by a circulating fluidized bed. The so called dual circulating fluidized bed (DFB) is a rector design, which is successfully tested for pilot plant scale (140kW). To reduce the risks coming up with an up-scaling to 10MW, a cold flow model was designed. This model was scaled up to depict the flow pattern of a full scale plant and to show occurring phenomena. The study focuses on the commissioning of this 10MW cold flow model of a CLC plant and the first fluid dynamics investigations. For this reason a pressure transmitting system was set up, which opens the possibility to record and display the pressure profiles in the model. These pressure profiles are characteristic for different flow patterns and help to calculate the pressure drops in the full scale plant. Moreover the solids discharge of the recirculation cyclones were optimized to ensure a stable measurement. The bed material discharge could be reduced by a factor of 100, by installing a vortex tube and optimization of the gas outlet position. To reduce the consumption of materials (steam, air) in the operating full scale plant, fluidization of the loop seals was varied in the cold flow model. This variation leads to an optimal operating point with a reduced fluidization, whereby bed material circulation is held constant. The reductions reached are 15% in the lower loop seal and 30% in the upper loop seal. To investigate the influence of the fluidization in the reactors on the bed material circulation, a sensitivity analysis was accomplished. The results of this analysis show that the primary fluidization air has the highest impact on the solids circulation rate. The only parameter which has an even higher influence is the inventory in the reactor system.