Detailed fluid dynamic investigations of the fuel reactor of a novel DUAL FLUID reactor concept for Chemical Looping Combustion for solid fuels

Abstract

Seit Anbeginn der Industriellen Revolution hat der Energiebedarf und damit der Ausstoß von CO2 stark zugenommen. Da CO2 jenes Treibhausgas mit dem größten Einfluss auf den Treibhauseffekt, welcher die Temperatur der Erdoberfläche beeinflusst, bemerkbar ist dies auch an einem Anstieg der mittleren globalen Temperatur. Da in naher Zukunft nicht mit einer CO2-neutralen Energieproduktion gerechnet werden kann, wird es notwendig sein Lösungen für die Reduzierung des Austoß von CO2 zu finden. Eine Übergangslösung stellt das Konzept der CO2 Abscheidung und Speicherung (Carbon Capture and Storage - CCS) dar. Dabei wird CO2 an Stellen, an denen es in großen Mengen anfällt abgeschieden und danach zu Lagerstätten weitertransportiert. Eine energieeffiziente Methode für die Abscheidung von CO2 für Verbrennungsprozesse ist Chemical Looping Combustion (CLC). Die Grundidee dabei ist die Aufteilung des Verbrennungsprozesses in zwei Schritte, welche in zwei verschiedenen Zonen stattfinden, sodass Luft und Brennstoff nie vermischt werden. Ein Sauerstoffträger, ein Metalloxid, transportiert den Sauerstoff von dem sogenannten -Air Reactor- (AR) in den -Fuel Reactor- (FR) wo die Oxidation des Brennstoffes stattfindet. Der Abgasstrom des FR besteht dabei idealerweise nur aus H2O und CO2, wobei das H2O danach einfach mittels Kondensation abgeschieden werden kann. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung eines Kaltmodells (Cold Flow Model - CFM) eines Wirbelschichtsystems, welches nach dem novel DUAL FLUID Reaktorkonzept arbeitet. Dieses neue Reaktorkonzept, mit simplen geometrischen Einschnürungen im FR, stellt eine Weiterentwicklung des Dual Circulating Fluidized Bed (DCFB) dar. Der Grundgedanke hinter den periodischen Einschnürungen ist eine Erhöhung des Feststoffanteils über die gesamte Höhe des FR, sowie eine Verbesserung des Kontaktes zwischen Feststoff und Fluid. Um den Einfluss der Einschnürungen auf das Verhalten des CFM zu untersuchen wurde ein Druckmesssystem verwendet, um den Druck an 40 Positionen am Kaltmodell aufzuzeichnen. Zusätzlich wurde ein mathematisches Modell erstellt, basierend auf Massenbilanz und Bewegungsgleichung, um den Einfluss der Einschnürungen zu simulieren. Zur Bestimmung der Feststoffmassenströme des CFM wurden der globale sowie der interne Umlauf bestimmt. Sowohl die Druckmessungen am CFM als auch das mathematische Modell bestätigen eindeutig den erwarteten Anstieg des Feststoffanteils über die Höhe des FR. Dies ist ersichtlich an einem starken Anstieg des Druckgradienten über die Einschnürungen im Vergleich zu jenem zwischen den Einschnürungen (mehr als 100 mal größer). Zusätzlich konnte der höchste Feststoffkonzentration im oberen Teil der Einschnürungen identifiziert werden. Die Feststoffverteilung über die Höhe des FR kann mittels der AR als auch der FR Fluidisierungsrate beeinflusst werden, wobei jener Anteil im oberen Teil des FR mit der Fluidisierungsrate ansteigt. Im Gegensatz zur Feststoffverteilung im gesamten FR lässt die Druckverteilung zwischen zwei Einschnürungen vermuten, dass die Feststoffverteilung nicht von den AR und FR Fluidisierungsraten beeinflusst wird. Während den Untersuchungen wurden Einschränkungen des Betriebsbereiches des CFM festgestellt werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass diese Einschränkungen von einem Verhältnis zwischen AR zu FR Fluidisierungsrate abhängig sind. Desweiteren konnten die Mechanismen welche zu diesen Einschränkungen des Betriebsbereiches führen, mittels des mathematischen Modells identifiziert werden. Untersuchungen der letzten möglichen stabilen Betriebspunkte zeigen, dass der FR an den Betriebsgrenzen immer einen ähnlichen Feststoffanteil enthält. Zusätzlich wurde ersichtlich, dass sich die Feststoffverteilung zwischen den Einschnürungen, im Gegensatz zum normalen Betrieb, bei einem Betrieb nahe den Betriebsgrenzen verändert.

Since the beginning of the industrial revolution, the demand for energy and consequently the CO2 emissions have strongly increased. As CO2 represents the greenhouse gas with the strongest influence on the greenhouse effect, which influences the Earth-s temperature, this is also recognizable at an increase of the mean global temperature in the last centuries. Since a CO2 neutral energy production cannot be expected in the near future, it will be necessary to develop solutions for the reduction of CO2 emissions. A mid-term solution represents the concept of carbon capture and storage (CCS), which means to capture CO2 from large point sources and transport it to storage sites. An energy efficient method for the separation of CO2 in a combustion process is chemical looping combustion (CLC). The main idea is to divide the combustion process into two steps which take place in two different zones, so that air and fuel are never mixed. An oxygen carrier, a metal oxide, transports the oxygen from the so called air reactor (AR) to the fuel reactor (FR) where the oxidation of the fuel takes place. Thereby the exhaust gas stream of the FR consists ideally only of H2O and CO2. Afterwards the CO2 can be easily separated by condensation. The objective of this thesis is the investigation of a cold flow model (CFM) of a fluidized bed system which operates according to the novel DUAL FLUID reactor concept. This new reactor concept constitutes an advanced development of the Dual Circulating Fluidized Bed technology (DCFB), with simple geometrical constrictions inside the FR. The main idea behind these periodic constrictions is to increase the solid fraction over the entire height of the FR as well as to improve the contact between the solid and fluid. To investigate the influence of the constrictions on the behavior of the CFM, a pressure measuring system was used, recording the pressure at 40 positions of the CFM. In addition, a mathematical model based on the conservation of mass and equation of motion, was developed to simulate the influence of the constrictions. For the determination of the solid mass flows in the CFM, measurements of the global and internal circulation were performed. Both, the pressure observations at the CFM and the mathematical model clearly confirm the expected increase of the solid fraction over the height of the FR. This can be seen at a dramatically increasing pressure gradient over the constrictions compared to that between the constrictions (up to more than 100 times). Further, the highest particle concentration could be identified in the upper part of the constrictions. The solid distribution over the height of the FR can be influenced by AR and FR fluidization rate, whereby the share of the solid distribution of the upper parts increases with increasing fluidization rates. In contrast to the solid distribution of the whole FR, the investigated pressure distribution between two constrictions indicates that the solid distribution is not influenced by the AR and FR fluidization rates. During the experiments limitations of the operating range of the CFM could be observed. This limitation of the operating range depends on the ratio of the AR to FR fluidization rate. Further, the mechanisms which lead to these limitations could be identified using the mathematical model for the simulation of the influence of the constrictions. Investigations at the last stable operating points showed that the FR contains always similar amount of solid particles at the transition to unstable operation. Further, it shows that at the solids distribution initially changes for an operation near to unstable operation.