Vysokoteplotní karbonátová smyčka moderní metoda odstraňování CO 2 ze spalin

Transkript

1 Vysokoteplotní karbonátová smyčka moderní metoda odstraňování CO 2 ze spalin Karel Ciahotný Marek Staf Tomáš Hlinčík Veronika Vrbová Viktor Tekáč Ivo Jiříček ICCT Mikulov 2015

2 shrnutí doposud získaných výsledků Obsah přednášky základy procesu vysokoteplotní karbonátové smyčky pracoviště zabývající se výzkumem procesu karbonátové smyčky používaná zařízení, jejich výhody a nedostatky základní problémy procesu karbonátové smyčky chování adsorbentů za různých podmínek sledování deaktivace sorbentu

3 Vysokoteplotní karbonátová smyčka způsob odstraňování CO 2 z plynů chemisorpcí na oxidech kovů nejčastěji se jako sorbent používá CaO (MgO) reakce probíhá za vysokých teplot ( C), je označována jako karbonatace regenerace sorbentu se provede zahřátím ta teploty C, při čemž dojde k termického rozkladu vzniklých uhličitanů; reakce je označována jako kalcinace

4 Základy procesu vysokoteplotní karbonátové smyčky odstraňování CO 2 ze spalin probíhá jeho chemickou reakcí s CaO (MgO) za vysokých teplot CaO + CO 2 CaCO 3 regenerace adsorpčního materiálu se provádí zahřátím nad teplotu rozkladu vápence CaCO 3 CaO + CO 2

5 Vedlejší reakce probíhající při použití této technologie k čištění spalin pokud je ve spalinách přítomen SO 2, reaguje obdobně, jako CO 2 CaO + SO 2 CaSO 3 CaSO 3 + ½ O 2 CaSO 4 CaSO 4 je termicky stabilní do teplot cca 1300 C a během kalcinace vápence se nerozkládá proces je možné využít k současnému odsíření spalin

6 Schématické znázornění procesu vysokoteplotní karbonátové smyčky

7 Technologické uspořádání procesu obvykle se používají dva fluidní reaktory, jeden pro karbonataci CaO a druhý pro kalcinaci vápence kalcinace spotřebovává velké množství tepla (jedná se o exothermní reakci) teplo se dodává spalováním dodatečného paliva v prostředí kyslíku (oxyfuel) uvolněný CO 2 má relativně vysokou čistotu, je znečištěn hlavně vodní parou vzniklou spálením vodíku z paliva teplo se dá využít k výrobě vodní páry o vysokých parametrech

8 Výhody fluidní vrstvy intenzivnější přestup tepla a hmoty ve srovnání se stacionární vrstvou menší velikost zařízení stejná teplota v celém prostoru reaktoru možnost separace těžších částic síranu vznikajících konkurenční reakcí SO 2 s adsorbentem

9 Nevýhody fluidní vrstvy složitější regulace procesu je nutné použít sorbent (katalyzátor, palivo) o požadované velikosti částic v malém rozmezí hodnot vyšší otěr částic sorbentu = vyšší nároky na mechanickou pevnost možnost únosu sorbentu ze zařízení (je nutné použít cyklony) cirkulující fluidní vrstva

10 Výzkumná pracoviště zabývající se problematikou vysokoteplotní karbonátové smyčky Canmet Energy, Kanada: 75 kw th, 2 fluidní reaktory, průměr 10 cm, výška 5 m Universita Stuttgart, Německo: 200 kw th, 2 fluidní reaktory, průměr 21/33 cm, výška 10/6 m Instituto Nacional del Carbón, Elektrárna La Pereda, Španělsko: 1,7 MW th, 2 fluidní reaktory, průměr 70 cm, výška 15 m Universita Darmstadt, Německo: 1 MW th, 2 fluidní reaktory, průměr 60/40 cm, výška 8,6/11,4 m

11 Výzkum procesu vysokoteplotní karbonátové smyčky na VŠCHT Praha probíhá v rámci řešení projektu NF-CZ08-OV Výzkum vysokoteplotní sorpce CO 2 ze spalin s využitím karbonátové smyčky financovaného z prostředků Norských fondů partnery při řešení projektu jsou FS ČVUT a ÚJV Řež, a.s. cílem projektu je posouzení vhodnosti vápenců z českých lokalit k využití v daném procesu a dále návrh fluidního pilotního zařízení pro proces vysokoteplotní karbonátové smyčky, které by zvládlo čištění spalin ze spalovacího kotle o výkonu 200 kw th

12 Výzkumné aktivity řešené na VŠCHT Praha posouzení reaktivity sorbentů získaných z vápenců z různých českých lokalit při odstraňování CO 2 a SO 2 z modelových plynů obsahujících CO 2 a SO 2 sledování deaktivace sorbentu vlivem opakování více cyklů karbonatace kalcinace sledování reaktivity vápence vůči SO 2 za různých teplot

13 Použité laboratorní techniky analýza složení vápenců metodou rentgenové fluorescence měření BET povrchů sorbentů sledování chování materiálů za různých teplot pomocí termické analýzy měření vysokoteplotní sorpce CO 2 a SO 2 z modelových plynů na laboratorní průtočné aparatuře sledování chování sorbentů ve fluidním laboratorním zařízení

14 Vápence vybrané k testování Velkolom Čertovy schody, a.s. Lafarge Cement, a.s. Českomoravský cement, a.s. Holcim, a.s. Cement Hranice, a.s. Vápenka Vitošov, s.r.o. Lomy Mořina, spol. s r.o. Kotouč Štramberk, spol. s r.o. OMYA, a.s. Hasit Šumavské vápence a omítkárny, a.s.

15 Ukázka chování reálného vápence měření na termovahách

16 Sledování deaktivace vápence na termovahách Vzorek: Hasit a.s. Šumavské vápence, Velké Hydčice Předúprava: Hasit kalcinovaný: kalcinace při teplotě 1000 C. Doba ohřevu v muflové peci 60 minut. Hasit dehydratovaný: Žíhání při teplotě 550 C. Doba ohřevu v muflové peci 60 minut. Po termické předúpravě byla sítováním pro další testování vybrána frakce mm.

17 Složení vzorku Hasit analýzy XRF označení vzorku Hasit původní vzorek Hasit dehydratovaný Hasit kalcinovaný podmínky tepelné úpravy CaO, % MgO, % C, 60 min C, 60 min

18 Podmínky testů test cyklování karbonatace a kalcinace byl proveden na termovahách s navážkou cca 15 mg v atmosféře N 2 (Kalcinace) o průtoku 100ml/min a CO 2 (karbonatace) o průtoku 100ml/min. Nastavení režimu činnosti termováh: 1. proplach dusíkem 2. přepnutí na CO 2 3. zahřívání 20K/min na 950 C 4. přepnutí na dusík 5. isoterma 5 min 6. chlazení na 400 C 7. opakování bodů 2 až 6

19 Grafické znázornění výsledků testů sorbent žíhaný při 1000 C

20 Grafické znázornění výsledků testů - sorbent dehydratovaný při 550 C

21 Deaktivace sorbentu po několika cyklech karbonatace - kalcinace

22 Změna vnitřního povrchu vápence při zahřívání na vysoké teploty

23 Shrnutí výsledků testů chemisorpční kapacita vápence v procesu vysokoteplotní karbonátové smyčky není zcela využita, což se přičítá tvorbě spatně propustné vrstvy vápence na povrchu zrn materiálu, která brání průchodu CO 2 do nitra jednotlivých zrn adsorpčního materiálu opakováním cyklů karbonatace / kalcinace dochází k poklesu chemisorpční kapacity materiálu pro CO 2 pokles je způsoben působením vysoké teploty v procesu kalcinace, která vede k sintraci povrchu materiálu

24 Řešitelé projektu upřímně děkují norské straně za finanční podporu poskytnutou na řešení projektu