Model-based study of a chemical-looping combustion process
Peltola, Petteri (2009)
Diplomityö
Peltola, Petteri
2009
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe200909092101
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe200909092101
Tiivistelmä
Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture.
The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel.
This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation. Kemikaalikiertoon perustuva polttoprosessi (chemical-looping combustion, CLC) on uudenlainen hiilidioksidin talteenottomenetelmä, missä CO2:n erottaminen savukaasuista tapahtuu luonnollisena osana itse prosessia. CLC-systeemi muodostuu tavallisesti kahdesta toisiinsa yhteydessä olevasta leijupetikattilasta, joiden välillä kiertää metallioksidipartikkeleita ns. hapenkantajina. Ilmareaktoriin syötettävä polttoilma hapettaa partikkelit, minkä jälkeen ne pelkistyvät polttoainereaktorissa luovuttaen hapen polttoaineeseen. Koska ilma ei sellaisenaan osallistu palamiseen, ei polttoainereaktorin jälkeinen savukaasuseos sisällä typpeä, mikä helpottaa huomattavasti hiilidioksidin talteenottoa. CLC nähdään yhtenä varteenotettavana CO2:n talteenottoteknologiana, koska sen avulla voidaan parantaa sekä palamisprosessin että talteenoton energiahyötysuhdetta.
Tässä työssä esitetään tärkeimmät tulokset kattavasta kirjallisuusselvityksestä, jossa pyrittiin luomaan laaja-alainen katsaus CLC-tutkimuksen nykytilaan. Lisäksi kehitettiin aine- ja energiataseisiin perustuva stationäärinen CLC-prosessimalli, jonka avulla määritettiin 100 MWth:n CLC-systeemin prosessiolosuhteet ja reaktorigeometria. Hapenkantajana prosessissa toimi bunseniitti (NiO).
Työ on tehty osana Hapen kuljetusmateriaalit ja niiden teollisuussovellukset – tutkimusprojektia (2008 – 2011), joka kuuluu Tekes – toiminnaliset materiaalit – ohjelmaan. Haluan kiittää Tekesiä sekä ohjelmaan osallistuvia yrityksiä rahoituksesta. Esitän myös kiitokseni hedelmällisestä yhteistyöstä niille tahoille, joiden kanssa sain olla tekemisissä projektin aikana.
The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel.
This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.
Tässä työssä esitetään tärkeimmät tulokset kattavasta kirjallisuusselvityksestä, jossa pyrittiin luomaan laaja-alainen katsaus CLC-tutkimuksen nykytilaan. Lisäksi kehitettiin aine- ja energiataseisiin perustuva stationäärinen CLC-prosessimalli, jonka avulla määritettiin 100 MWth:n CLC-systeemin prosessiolosuhteet ja reaktorigeometria. Hapenkantajana prosessissa toimi bunseniitti (NiO).
Työ on tehty osana Hapen kuljetusmateriaalit ja niiden teollisuussovellukset – tutkimusprojektia (2008 – 2011), joka kuuluu Tekes – toiminnaliset materiaalit – ohjelmaan. Haluan kiittää Tekesiä sekä ohjelmaan osallistuvia yrityksiä rahoituksesta. Esitän myös kiitokseni hedelmällisestä yhteistyöstä niille tahoille, joiden kanssa sain olla tekemisissä projektin aikana.