Experimental characterization of the calcium looping process for CO2 capture

Abstract

A competitive post-combustion CO2 capture process is Calcium looping. It requires a Dual Fluidized Bed (DFB) with continuous looping of CaO between the carbonator, where flue gas CO2 is removed, and the regenerator, where highly concentrated CO2 is released. A 10 kWth DFB has been built and operated at the Institute of Combustion and Power Plant Technology (IFK) of the University of Stuttgart, consisting of a riser and a Bubbling Fluidized Bed (BFB) to provide proof of principle and characterize fluid-dynamic and reactor performance interactions. Latter interactions have been studied in cooperation with the Instituto Nacional del Carbón (INCAR) of the Spanish Research Council (CSIC).

Fluid-dynamic interactions were mainly studied with use of a scaled cold model of the 10 kWth IFK DFB. The independent variables of carbonator superficial velocity, Total Solid Inventory, reactor overpressure, loop seal aeration, mechanical valve opening for solid looping control and the Particle Size Distribution were varied. A stable operating region, bordered by two unstable regions has been identified for the carbonator riser. Moreover, the influence of above independent variables on carbonator riser dependent variables, i.e. pressure drop, inventory, flow structure, entrainment and solid flow between the two beds has been assessed. The study of reactor performance interactions has taken place with use of the 10 kWth IFK DFB facility, utilizing its riser or BFB as the carbonator, and the 30 kWth INCAR-CSIC DFB facility. The design and results of the latter facility have been generated outside the thesis scope. Result analysis examines the closure of the CO2 carbonator mass balance expressions between (i) the CO2 that has disappeared from the gas phase (ii) the CaCO3 that is circulating between reactors and (iii) the CaCO3 that is formed within the carbonator bed. Through the first mass balance expression, the quality of measurements is confirmed. Through the second mass balance expression, results indicate that a slightly overstoichiometric flow of active Ca is needed for a given CO2 capture efficiency to be achieved. The third expression requires utilization of a carbonation rate term, prior to fitting to experimental data. Two theoretical approaches (A & B) utilized for this matter, lead to different carbonator models and active space time expressions. The active space time is the key parameter in both carbonator models since it is indicative of the CaO inventory per molar flow of CO2 participating in the carbonation reaction and of its reaction rate. Under the light of these approaches, the behaviour of dependent variables included in the models is analyzed i.e. that of the decay of the maximum carbonation conversion, the actual carbonation conversion in/after the regenerator and the form of the axial vol.-% CO2 & pressure drop profiles. In addition, the models explain the effect of further dependent variables, i.e. carbonator temperature & space time, the Ca looping ratio on the carbonator CO2 capture efficiency. Approach B, utilizing a reaction rate independent of the difference of the maximum and actual particle carbonation conversion fits all experimental data sets well contrary to approach A. Hence approach B, with its respective model and active space time expression, is considered as generic. Respective active space time variation leads to a CO2 capture efficiency variation between 30 % and greater than 90 %. The lab-scale unit results presented here confirm the technical viability of the Calcium looping process and have been used for the design of 20-50 times higher capacity pilot-scale units.

Einer der wettbewerbsfähigsten Postcombustion-Prozesse ist das Calcium Looping-Verfahren, bei dem in einer dualen Wirbelschichtanlage kontinuierlich CaO zwischen zwei Wirbelschichtreaktoren zirkuliert. Das System besteht aus einem Karbonator, in dem CO2 aus dem Abgas entfernt wird, und einem Regenerator, in dem das CO2 wieder in hoher Konzentration freigesetzt wird. Am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart wurde eine 10 kWth Wirbelschicht-Anlage gebaut und betrieben. Diese besteht aus einer zirkulierenden und einer stationären Wirbelschicht. Die Versuche zeigten die Machbarkeit des Calcium Looping-Prozesses. Die Charakterisierung der fluiddynamischen und reaktionstechnischen Abhängigkeiten erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Instituto Nacional del Carbón des Spanischen Forschungsrats.

Die fluiddynamischen Abhängigkeiten sind mittels eines skalierten Kaltmodells der 10 kWth DFB-Anlage untersucht worden. Dabei wurden die unabhängigen Variablen, nämlich die Karbonator-Leerrohrgeschwindigkeit, die Feststoffmasse in der DFB-Anlage, der Reaktorüberdruck, die Siphon-Fluidisierung, die mechanische Ventilöffnung (welche die Feststoffzirkulation zwischen den Wirbelschichten reguliert) und die Partikelgrößenverteilung variiert. Für die Betriebszustände des Kaltmodell-Karbonators wurde ein Bereich mit stabilen Betriebszuständen festgestellt, welcher von zwei instabilen Bereichen begrenzt wird. Außerdem wurde der Einfluss der oben genannten unabhängigen Variablen auf wichtige abhängige Variablen abgeschätzt. Zu den abhängigen Karbonator-Variablen gehören der Druckverlust, die Bettmasse, das Strömungsprofil, der Feststoffaustrag und die Feststoffzirkulation zwischen den beiden Calcium Looping-Reaktoren.

Die reaktionstechnischen Abhängigkeiten wurden experimentell untersucht. Mittels der Versuchsergebnisse kann überprüft werden, inwieweit sich die CO2-Massenbilanz des Karbonators zwischen (i) dem CO2, welches aus der Gasphase entfernt wurde, (ii) dem CaCO3,welches zwischen den Reaktoren zirkuliert und (iii) dem CaCO3, welches im Karbonatorbett entsteht, schließt. Die Massenbilanz bestätigt die Qualität der Messungen und zeigt, dass ein überstöchiometrisches Angebot aus aktivem Calcium benötigt wird, um einen bestimmten CO2-Abscheidungsgrad zu erreichen. Die Massenbilanz muss, bevor sie mit den experimentellen Daten abgeglichen werden kann, vereinfacht werden. Diese Vereinfachung wird durch zwei theoretische Herangehensweisen (A und B) bewerkstelligt und führt somit zu zwei verschiedenen Karbonatormodellen und verschiedenen aktiven Raumzeit-Ausdrücken. Die aktive Raumzeit, die das Verhältnis zwischen Karbonatorinventar, Sorbensaktivität und CO2-Molenstrom beschreibt, ist der Schlüsselparameter um die Ergebnisse des Karbonators zu interpretieren. Mit Hilfe dieser zwei Modelle und den zugehörigen aktiven Raumzeit-Ausdrücken kann das Verhalten abhängiger Variablen, die in den Modellen enthalten sind, analysiert werden. Dazu gehören (i) die Abnahme der maximalen Kapazität zur schnellen CO2-Einbindung, auch als Sorbens-Aktivität bezeichnet, (ii) die tatsächliche Karbonatisierung im beziehungsweise nach dem Regenerator und (iii) die Form des axialen CO2- und Druckprofils des Karbonators. Außerdem erklären die beiden Modelle den Effekt weiterer abhängiger Variablen auf den CO2-Abscheidungsgrad. Dabei handelt es sich um die Karbonator-Temperatur, die Ca-Looping Ratio und die Karbonator-Raumzeit. Modell B, das einen Reaktionsraten-Ausdruck benutzt, welcher unabhängig von der Differenz zwischen der maximalen und der tatsächlichen Karbonatisierung der Partikel ist, stimmt mit allen experimentellen Daten gut überein. Dies ist nicht der Fall für Modell A. Die Variation der aktiven Raumzeit-Parameter führt zu einem CO2-Abscheidungsgrad bis über 90 Prozent. Die hier gezeigten Ergebnisse bestätigen die Realisierbarkeit des Calcium Looping-Post-Combustion-CO2-Abscheidungsprozesses.