oxyfuel combustion in bfb. experiences and simulations romeo.pdf · international energy agency ‐...

22
International Energy Agency Fluidized Bed Conversion Ponferrada, November 2011 Oxyfuel combustion in BFB. Experiences and simulations Luis M Romeo, Luis I Diez, Isabel Guedea, Irene Bolea Carlos Lupiañez, Pilar Lisbona, Yolanda Lara, Ana Martinez CIRCE (Research Centre for Energy Resources and Consumption) 1

Upload: hoangque

Post on 07-Jul-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel combustion in BFB. Experiences  and simulations

Luis M Romeo, Luis I Diez, Isabel Guedea, Irene Bolea            Carlos Lupiañez, Pilar Lisbona, Yolanda Lara, Ana Martinez 

CIRCE (Research Centre for Energy Resources and Consumption)

1

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

CIRCE

CIRCE 

Non‐profit private organization, sponsored by the University of Zaragoza, the 

Government of Aragón and Spanish industry

R&D in energy and thermal and electrical engineering, focus on efficiency and 

renewable energy

Thermal division (~ 30 people): 

Coal & biomass combustion, plant tests & monitoring, laboratory work, simulation, 

CFD, conventional (PF) and advanced (FBC, IGCC, co‐firing) systems

CO2

capture: BFB Oxyfuel laboratory, Solid looping systems based on

CFB (mainly 

Calcium looping) and studies about reduction of energy penalties

in CO2

capture

2

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

BFB Oxyfuel test rig

Test facility description–

90 kWt O2

/CO2

bubbling fluidized bed

2.5 m height, 20 cm i.d. FB water‐

cooled

2 x 200 litres hoppers for fuel feeding 

(coal, sorbent, biomass)

CO2

/O2

mixer and flue gas 

recirculation

Preheating of fluidising gas

Gas cleaning: settling chamber, 

cyclone and fabric filter 

Recycling ratio: from 0% to 60%

O2

in the mixture: from 20% to 60%

3

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

BFB Oxyfuel test rig

4

Preheating system/ Propane burner

Fuel feeder equipment

Air supply/ RFG

Gas supplyBubbling fluidized bed reactor

High efficiency cyclone

Heat exchangerFabric bag filter

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

First tests

Fluidization problems and control (pressure) of flue gas recirculation

SINTERING

Only in oxyfuel, maximum temperatures around 1000ºC

Bed agglomeration. Broken in small pieces

Bed sintering. Harder and larger than agglomerate.

5

Oxyfuel BFBC. Experimental

First tests

6

CaSO4Layer

O (15.2%)Ca (11.0%)Si (9.6%)K (3.0%)Al (4.5%)Fe (2.6%)

O (15.5%)Al (7.5%)Si (9.1%)Ca (9.4%)O (13.8%)

Si (21.2%)

2 mm

SEM3‐2

0

24

68

10

1214

16

O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe

SEM3‐1

02468

1012141618

O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

7

Air Firing Ca/S= 2.5

CO2

/O2

= 65/35 –

60/40O2

= 3‐12% flue gases30 kW air 50‐70 kW oxy

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

8

Oxy FiringCa/S= 2.5CO2

/O2

= 65/35 –

60/40O2

= 3‐12% flue gases30 kW air 50‐70 kW oxy

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

SO2

emissions. Conclusions

As expected, in AF:

SO2

emissions increases with bed temperature (t > 830ºC)

Indirect sulfation

Sulfur capture remains around 90% with bed temp of 830‐860ºC

For OF

SO2

emissions are slightly higher than in AF

Sulfur capture remains near 90% with bed temperature of 860‐890ºC

Direct sulfation has been observed 

Increasing bed temperature under OF conditions enhances SO2

capture, towards an 

optimum temperature higher than in the case of air firing. 

9

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

10

Air Firing

Oxy Firing

Ca/S= 2.5CO2

/O2

= 65/35 –

60/40O2

= 3‐12% flue gases30 kW air 50‐70 kW oxy

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

NOx emissions. Conclusions

As expected, in AF:

NOx concentration has showed a high dependence on O2

excess‐CO formed and coal 

rank. 

N‐fuel in lignite coal is lower than bituminous. This difference leads to lower NOx 

emissions. Differences are shortened when expressed per energy unit

For OF

NOx concentration has showed a high dependence on O2

excess‐CO formed and 

coal rank. 

NOx concentrations has been clearly higher than under AF due to the large O2

concentration in comburent gas (35‐40% OF vs. 21% AF) and higher density of OF 

exhaust gases

Differences are shortened when expressed per energy unit

11

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

Air in‐leakages in the facility during

oxy‐firing tests is detected: 7‐8 %, up to  15‐20% with RFG

NOx

concentrations are higher under

oxy‐firing conditions

CO2

concentrations in oxy‐firing cases are around 90% (d.b)

Combustion efficiencies are around 95 %

12

Romeo et al. 2011. Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 477–484

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

This ‘‘D‐shape’’

profile is  explained by the increase of 

heat rates due to char  combustion located near the 

splash zone

A different distribution of  heat release in the 

combustor, between the bed  and the free‐board is 

obtained with biomass:  volatiles released from the 

biomass are not completely  burned in the dense‐solid 

zone

13

Romeo et al. 2011. Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 477–484

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada,  November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

Lower minimum  fluidization velocities 

values where detected  under O2

/CO2

mixtures

The increase of the CO2

concentration in the 

mixture brings along a  increase of the bed 

porosity

Pressure drop through the  distributor change with 

different gases blends:   importance of the design 

14

Guedea et al. /2011. Chemical  Engineering Journal  doi:10.1016/j.cej.2011.10.026

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC. Experimental

Low primary fragmentation was detected for both sort 

of limestone

Oxy‐firing decreases primary fragmentation likely due 

to the absence of calcination

Other parameters as particle size or SO2

concentration 

do not seem to affect primary fragmentation

Limestone particle size distribution models under air‐

firing can be simplified to be used in oxy‐firing case 

15

C. Lupiáñez et al.  2011. Fuel Processing Technology, 92, 1449–1456

PRIMARY FRAGMENTATION UNDER OXY‐FIRING CONDITIONSIn collaboration with Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR,

and Università

di Napoli Federico II

Thermal shockGas releasing (steam and CO2

)Effective particle size Original particle size

Atmosphere compositionTemperatureLimestone

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC‐CFBC. Simulation

16

O2

+CO2

denser 

than O2

+ N2

Higher O2 

concentration

More compact boilers↓

Less available area for water 

wall heat exchanger

Higher particle combustion 

temperature

Need of additional heat transfer for controlling bed temperature

More intensity in transfering heat to 

the available water wallsHigher transfer in the External 

Heat Exchanger

By increasing Gs

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel BFBC‐CFBC. Simulation

1.5D large‐scale CFB simulation:

From air to oxy, boiler size may 

reduce up to 35% and recoverable

heat in EHE increases 15 points

For certain boiler size: higher Gs 

and thus, EHE heat transfer, allows 

wider range of power loads. 

EITHER increasing Gs OR cooling 

solids further ‐> EHE is essential

Conventionally EHE consists of a 

BFB but…how will it fluidized? ‐> 

proper conditions for re‐

carbonation of CaO

17

Oxyfuel CFBC. Simulation

Solid looping systems

Solid looping systems

650ºC at carbonator, exothermic reaction

925ºC at calciner, pure CO2

Additional fuel input and O2

necessities

Four sources of high temperature heat

Many integration schemes with supercritical steam 

power plants

Very competitive CO2

avoided cost, lower than 15 

€/tCO2

Cheaper sorbents for low quality fuels (high ash 

and sulphur content)

Expensive sorbents for high quality fuels (low ash 

and natural gas)

18

Romeo et al. 2009. Chemical Engineering Journal, 147, 252–258

Romeo et al. 2008. Energy Conversion and Management 49, 2809–2814

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel CFBC. Simulation

Solid looping systems

Lisbona et al. 2010. Energy Fuels, 24, 728–736

19

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Oxyfuel CFBC. Simulation

CLC EXERGETIC ANALYSIS

•Coal Thermal input : 550 MWth

•Net power output: 279.8 MWe

High efficiency CLC with coal as fuel 

(50.9%) (CO2

compression included)•

Steam turbine output, 119.8 (MWe

)•

Gas turbine output, 156.9 (MWe

)•

CO2

turbine output, 47.7 (MWe

)•

CO2

compression, 29.9 (MWe

)•

Net power output, 279.8 (MWe

)

Exergy efficiency was 64.2%•

The highest irreversibility was located in 

the reactors (83.9 MW)

Lowest exergy efficiency in CO2

heat 

exchangers (66.25%)

20

Guedea et al. 2011. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2, 35‐47

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, November 2011

Conclusions. Future work

On‐going experimental tests in oxy BFB–

High oxygen concentration, sulphur in coal, temperatures

Recirculation and secondary comburent

Coals and co‐firing with biomass

The role of EHE. Recarbonation. Influence in design

Opportunities for energy penalty reduction in CO2

captures based on FB–

Oxyfuel combustion

Looping systems

Chemical looping combustion

21

International Energy Agency ‐

Fluidized Bed Conversion

Ponferrada, 29‐30 November 2011

Oxyfuel combustion in BFB. Experiences and  simulations

Acknowledgements

R+D Spanish National Program from the Spanish Ministry of  Science and Innovation (MICINN, Ministerio de Ciencia e 

Innovación): projects ENE2005‐03286/ALT, ENE2008‐00440,  ENE‐2009‐08246, CIT‐440000‐2009‐26. 

Fundación CIUDEN is also acknowledged for the support to the  oxyfuel rig development

22