Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

A pressurized Internally Circulating Reactor (ICR) for cost-effective power production with integrated CO2 capture

Alternativ tittel: A pressurized Internally Circulating Reactor (ICR) for cost-effective power production with integrated CO2 capture

Tildelt: kr 9,7 mill.

Hovedresultatet fra ICR-prosjektet er labskala demonstrasjon av et nytt Internally Circulating Reactor (ICR) konsept, som vil forenkle bygging og oppskalering av chemical looping teknologier. Chemical looping har et stort potensial for ren og effektiv energikonvertering, men har betydelige utfordringer m.h.p. oppskalering. Store mengder av metalloksyd-pulver, en såkalt oksygenbærer, må sirkulere mellom to reaktorer som opereres med forskjellige kjemiske reaksjoner. Dette er vanskelig å oppnå i fullskala under realistiske trykkbetingelser. ICRen har oksygenbæreren i én enkelt reaktor, hvor den blir utvekslet mellom to reaktorseksjoner gjennom spesielt utformede porter. Reaktoren benyttes til å undersøke fire forskjellige chemical looping teknologier under trykk: chemical looping combustion (CLC), chemical looping reforming (CLR), chemical looping air separation (CLAS) og chemical looping water splitting (CLWS). En doktorgradsstudent og en postdoc fra NTNU arbeider i ICR prosjektet. Stipendiaten er ansvarlig for gjennomføring av demonstrasjons-eksperimenter ved hjelp av reaktoren, som er designet og bygget av SINTEF-forskere og NTNU-teknikere. Parallelt gjør postdocen teknisk-økonomiske vurderinger basert på modellerings-innspill fra SINTEF-forskerne. Prosjektet ledes av NTNU, med førsteamanuensis Shahriar Amini som prosjektleder. Reaktoren ble designet og bygget for en maksimal driftstemperatur og trykk på henholdsvis 1000 ° C og 10 bar. Eksisterende strømningstekniske modeller (CFD) ble brukt under reaktordesign ved å simulere sirkulasjonen av oksygenbærermaterialet mellom de to reaktorseksjonene. Reaktoren ble først testet ved lav temperatur. Lavtemperatursforsøkene utført av doktorgradsstudenten viste stabil sirkulasjon av oksygenbæreren mellom de to reaktorseksjonene. Deretter ble detaljerte studier utført for å bestemme operasjons- og reguleringsstrategier for de neste ICR eksperimentene under reaktive forhold. I 2017 ble reaktoren blitt gjort klar til reaktive forsøk. Prosjektet har demonstrert både CLC og CLR drift under atmosfærisk trykk. Reaktoren virket i stor grad som forventet, og oppnådde god oksygenbærer-sirkulasjon og god forbrenning. Disse kampanjene har gitt verdifull erfaring m.h.p. kontroll av oksygenbærer-sirkulasjon, maksimering av CO2 fangstgrad og renhet, samt å unngå segregering av katalysatoren. En dedikert eksperimentell kampanje under trykksatte betingelser ble utført i 2019 ved trykk opp til 3.7 bar uten problemer. De foreløpige testene viser meget lovende resultater. Ytterligere testing krevde en ekstra luftkompressor. Den nye lab-infrastrukturen er nå på plass, og nye forsøk er på gang for å kartlegge ICR-ytelsen ved høyere trykk. Postdoc-forskeren har anvendt modelleringsverktøy for å teknisk-økonomisk evaluering av trykksatt ICR anvendt i et naturgasskraftverk basert på CLC. Bruk av ekstra forbrenning etter CLC-reaktoren har blitt evaluert. Dette kan heve temperaturen utover reaktorens maksimum driftstemperatur, og dermed maksimere kraftverkets virkningsgrad. Denne strategien har potensial til å redusere energitapet forbundet med CO2-fangst til kun 1 %-poeng, mens dagens beste CO2-fangst teknologier har et energitap på 8 %-poeng. Simulering av flerfase strømning i reaktoren ble brukt til å designe en storskala ICR, og gjennomføre tekno-økonomiske beregninger av naturgass CLC-anlegget med ekstra fyring. Strømningsforhold og reaksjonskinetikk i storskalareaktoren ble simulert i detalj ved bruk av en filtrert tofluidmodell. Dette for å sjekke at faststoffsirkulasjonen var god og at CO2-fangstgraden var høy. For å få god nøyaktighet ble nyutviklede modeller implementert for de viktigste fysiske fenomenene: drag, spenningsforhold i partikkelfasen og reaksjonshastigheter. Den økonomiske vurderingen har vist at ekstra fyring med naturgass etter CLC-enheten nesten kan halvere kostnadene ved CO2-avoidance i forhold til tradisjonelle systemer. Fyring av naturgass etter CLC-enheten reduserer imidlertid CO2-fangsteffektiviteten til anlegget. Denne fyringen må dermed gjøres med hydrogen for å oppnå høy CO2-unngåelse.

The completed work in this project is in line with the strategies of Research Council of Norway and Norwegian industry for development of next generation cost effective capture technologies. This has been achieved through development of a novel concept and its feasibility demonstration for reducing technical and financial uncertainties. The ICR concept promises to significantly accelerate the commercial rollout of vitally important CO2 capture processes which will play a crucial role in ensuring the long term future of our modern society.

This project will demonstrate the technical and economic feasibility of a pressurized Internally Circulating Reactor (ICR) for energy conversion with integrated CO2 capture. The ICR concept is based on the principle of chemical looping and aims to significantly reduce the complexities surrounding solids circulation under pressurized conditions currently hampering the development of chemical looping systems. An Internally Circulating Reactor operates by circulating an oxygen carrier material between two reactor sections joined by two specially designed ports. Both reactor sections are operated as dense fluidized beds (bubbling or turbulent) and solids circulation is achieved by fluidizing the sections at different velocities. A small amount of gas leakage will occur through the ports, but simulation and experimental studies have confirmed that high CO2 separation efficiencies can still be achieved. The ICR concept has numerous advantages over conventional chemical looping. No external solids circulation is necessary, large solids recirculation rates can be achieved, instantaneous pressure differences between reactor sections can be better controlled, solids entrainment problems are reduced, and lower reactivities associated with cheap natural ore can be accommodated. These advantages will be experimentally demonstrated during the project for four different chemical looping technologies. In addition, the project will incorporate advanced modelling methodologies from partners in the United States and Germany. Princeton University will assist in the application of filtered multiphase flow models developed within the DOE-sponsored Carbon Capture Simulation Initiative for reactor sizing in the economic evaluation. Hamburg University of Technology will contribute to the techno-economic evaluation of the ICR concept based on established tools for the dynamic process simulation of solids processes. An industrial partner, ANDTRITZ AG, will ensure industrial relevance.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Aktivitet:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering