Limestone Reactions in a Fluidized Bed Heat Exchanger of an Oxy-fuel Circulating Fluidized Bed Boiler
Karttunen, Reetta (2013)
Tiivistelmä
Oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed (CFB) boiler appears to be a promising option for capturing CO2 in power plants. Oxy-fuel combustion is based on burning of fuel in the mixture of oxygen and re-circulated flue gas instead of air. Limestone (CaCO3) is typically used for capturing of SO2 in CFB boilers where limestone calcines to calcium oxide (CaO). Because of high CO2 concentration in oxy-fuel combustion, calcination reaction may be hindered or carbonation, the reverse reaction of calcination, may occur. Carbonation of CaO particles can cause problems especially in the circulation loop of a CFB boiler where temperature level is lower than in the furnace.
The aim of the thesis was to examine carbonation of CaO in a fluidized bed heat exchanger of a CFB boiler featuring oxy-fuel combustion. The calculations and analyzing were based on measurement data from an oxy-fuel pilot plant and on 0-dimensional (0D) gas balance of a fluidized bed heat exchanger. Additionally, the objective was to develop a 1-dimensional (1D) model of a fluidized bed heat exchanger by searching a suitable pre-exponential factor for a carbonation rate constant.
On the basis of gas measurement data and the 0D gas balance, it was found that the amount of fluidization gas decreased as it flew through the fluidized bed heat exchanger. Most likely the reason for this was carbonation of CaO. It was discovered that temperature has a promoting effect on the reaction rate of carbonation. With the 1D model, a suitable pre-exponential factor for the equation of carbonation rate constant was found. However, during measurements there were several uncertainties, and in the calculations plenty of assumptions were made. Besides, the temperature level in the fluidized bed heat exchanger was relatively low during the measurements. Carbonation should be considered when fluidized bed heat exchangers and the capacity of related fans are designed for a CFB boiler with oxy-fuel combustion. Happipolttoon perustuvaa kiertoleijukattilaa pidetään lupaavana vaihtoehtona CO2:n talteenotolle voimalaitoksissa. Happipoltto perustuu polttoaineen polttamiseen ilman sijasta hapen ja kierrätetyn savukaasun seoksessa. Kalkkikiveä (CaCO3) käytetään tavallisesti SO2:n sitomiseen kiertoleijukattiloissa, missä kalkkikivi kalsinoituu kalsiumoksidiksi (CaO). Happipoltossa CO2-pitoisuus on korkea, minkä vuoksi kalsinointi voi estyä tai karbonointia eli kalsinoinnin käänteisreaktioita voi esiintyä. CaO-partikkeleiden karbonointi voi aiheuttaa ongelmia erityisesti kiertoleijukattilan kiertoloopissa, jossa lämpötilataso on alhaisempi kuin tulipesässä.
Työn tavoitteena oli tutkia CaO:n karbonointia happipolttoon perustuvan kiertoleijukattilan leijupetilämmönsiirtimessä. Laskelmat ja analyysi perustuivat happipolttopilottilaitokselta saatuun mittausdataan sekä leijupetilämmönsiirtimen 0-dimensionaaliseen (0D) kaasutaseeseen. Lisäksi tavoitteena oli kehittää leijupetilämmönsiirtimen 1-dimensionaalista (1D) mallia etsimällä eräälle karbonoinnin reaktionpeusvakiolle sopivaa etukerrointa.
Kaasumittausdatan ja 0D kaasutaseen perusteella havaittiin, että leijutuskaasun määrä väheni leijupetilämmönsiirtimen läpi kulkiessaan. Tämä johtui hyvin todennäköisesti CaO:n karbonoinnista. Tuloksista havaittiin lämpötilan edistävä vaikutus karbonoinnin reaktionopeuteen. Reaktionopeusvakion eksponenttiyhtälölle löydettiin 1D mallilla sopiva etukerroin. Mittauksissa esiintyi kuitenkin paljon epävarmuutta ja laskelmissa tehtiin monia oletuksia. Myös lämpötilataso oli leijupetilämmönsiirtimessä mittausten aikana suhteellisen matala. Karbonointi tulisi ottaa huomioon happipolttoon perustuvan kiertoleijukattilan leijupetilämmönsiirtimiä ja niihin liittyvien puhaltimien kapasiteetteja suunniteltaessa.
The aim of the thesis was to examine carbonation of CaO in a fluidized bed heat exchanger of a CFB boiler featuring oxy-fuel combustion. The calculations and analyzing were based on measurement data from an oxy-fuel pilot plant and on 0-dimensional (0D) gas balance of a fluidized bed heat exchanger. Additionally, the objective was to develop a 1-dimensional (1D) model of a fluidized bed heat exchanger by searching a suitable pre-exponential factor for a carbonation rate constant.
On the basis of gas measurement data and the 0D gas balance, it was found that the amount of fluidization gas decreased as it flew through the fluidized bed heat exchanger. Most likely the reason for this was carbonation of CaO. It was discovered that temperature has a promoting effect on the reaction rate of carbonation. With the 1D model, a suitable pre-exponential factor for the equation of carbonation rate constant was found. However, during measurements there were several uncertainties, and in the calculations plenty of assumptions were made. Besides, the temperature level in the fluidized bed heat exchanger was relatively low during the measurements. Carbonation should be considered when fluidized bed heat exchangers and the capacity of related fans are designed for a CFB boiler with oxy-fuel combustion.
Työn tavoitteena oli tutkia CaO:n karbonointia happipolttoon perustuvan kiertoleijukattilan leijupetilämmönsiirtimessä. Laskelmat ja analyysi perustuivat happipolttopilottilaitokselta saatuun mittausdataan sekä leijupetilämmönsiirtimen 0-dimensionaaliseen (0D) kaasutaseeseen. Lisäksi tavoitteena oli kehittää leijupetilämmönsiirtimen 1-dimensionaalista (1D) mallia etsimällä eräälle karbonoinnin reaktionpeusvakiolle sopivaa etukerrointa.
Kaasumittausdatan ja 0D kaasutaseen perusteella havaittiin, että leijutuskaasun määrä väheni leijupetilämmönsiirtimen läpi kulkiessaan. Tämä johtui hyvin todennäköisesti CaO:n karbonoinnista. Tuloksista havaittiin lämpötilan edistävä vaikutus karbonoinnin reaktionopeuteen. Reaktionopeusvakion eksponenttiyhtälölle löydettiin 1D mallilla sopiva etukerroin. Mittauksissa esiintyi kuitenkin paljon epävarmuutta ja laskelmissa tehtiin monia oletuksia. Myös lämpötilataso oli leijupetilämmönsiirtimessä mittausten aikana suhteellisen matala. Karbonointi tulisi ottaa huomioon happipolttoon perustuvan kiertoleijukattilan leijupetilämmönsiirtimiä ja niihin liittyvien puhaltimien kapasiteetteja suunniteltaessa.