Modeling study of limestone reactions in fluidized bed conditions
Hiltunen, Salla (2011)
Tiivistelmä
Traditionally limestone has been used for the flue gas desulfurization in fluidized bed combustion. Recently, several studies have been carried out to examine the use of limestone in applications which enable the removal of carbon dioxide from the combustion gases, such as calcium looping technology and oxy-fuel combustion. In these processes interlinked limestone reactions occur but the reaction mechanisms and kinetics are not yet fully understood. To examine these phenomena, analytical and numerical models have been created.
In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results.
It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations. Kalkkikiveä on perinteisesti käytetty leijukattiloissa rikinsidontaan. Viimeaikoina on tutkittu intensiivisesti kalkkikiven käyttöä myös hiilidioksidin poiston mahdollistavissa sovelluksissa, kuten kalsiumkiertoprosessissa ja happipoltossa. Molemmissa prosesseissa kalkkikivi voi reagoida useilla toisiinsa kytkeytyneillä reaktioilla, joiden mekanismia ja kinetiikkaa ei ole vielä täysin ymmärretty. Ilmiöiden tutkimiseksi on kehitetty sekä analyyttisiä että numeerisia malleja.
Tässä työssä tutkittiin kalkkikiven reaktioita käyttämällä apuna yksiulotteista numeerista partikkelimallia. Malli kuvaa systeemissä olevaa yksittäistä kalkkipartikkelia ajan funktiona ja partikkelin sisällä tapahtuvaa aineen- ja energiansiirtoa. Mallin laskentatuloksia verrattiin kokeellisiin, laboratoriomittakaavan BFB -kattilalla saatuihin mittaustuloksiin.
Työssä havaittiin, että lämpötilan kasvattaminen 850 °C:sta 950 °C:een edisti erityisesti kalsinoitumisreaktiota, mutta ei enää parantanut sulfatoitumisastetta. Suurempi rikkidioksidipitoisuus kasvatti sulfatoitumisnopeutta ja mallinnuksen perusteella rikin kertaluku sulfatoitumisreaktiossa on yksi. Suurissa happipitoisuuksissa hapen määrällä ei näyttäisi olevan vaikutusta sulfatointireaktioon.
In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results.
It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations.
Tässä työssä tutkittiin kalkkikiven reaktioita käyttämällä apuna yksiulotteista numeerista partikkelimallia. Malli kuvaa systeemissä olevaa yksittäistä kalkkipartikkelia ajan funktiona ja partikkelin sisällä tapahtuvaa aineen- ja energiansiirtoa. Mallin laskentatuloksia verrattiin kokeellisiin, laboratoriomittakaavan BFB -kattilalla saatuihin mittaustuloksiin.
Työssä havaittiin, että lämpötilan kasvattaminen 850 °C:sta 950 °C:een edisti erityisesti kalsinoitumisreaktiota, mutta ei enää parantanut sulfatoitumisastetta. Suurempi rikkidioksidipitoisuus kasvatti sulfatoitumisnopeutta ja mallinnuksen perusteella rikin kertaluku sulfatoitumisreaktiossa on yksi. Suurissa happipitoisuuksissa hapen määrällä ei näyttäisi olevan vaikutusta sulfatointireaktioon.