Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird die Forschung und Entwicklung von Calcium Looping Verfahren zur CO2-Abtrennung aus vollständigen und teilweise oxidierten Brennstoffen in Kraftwerksprozessen behandelt. CO2 ist das wichtigste Treibhausgas und zweifellos ein wesentlicher Faktor für die globale
Erderwärmung. Es wird geschätzt, dass mehr als ein Drittel der gesamten anthropogenen CO2-Emissionen aus auf fossilen Brennstoffen basierender Wärme-und Stromerzeugung kommen. Zudem ist unwahrscheinlich, dass fossile Brennstoffe in naher Zukunft ersetzt werden können, da die Entwicklung alternativer Energiequellen nicht nur Zeit, sondern auch enorme Investitionen und neue Infrastruktur erfordern. Ein alternativer Weg, um die Emissionen in einem mittelfristigen Rahmen zu reduzieren, ist, CO2 in fossil befeuerten Kraftwerken abzuscheiden, zu speichern und nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen. Die hierfür notwendige Prozesskette kombiniert eine Reihe von Technologien
und wird Carbon Capture and Storage (CCS) genannt. Die CO2-Abscheidung ist ein wichtiger und kostspieliger Teil von CCS und eine Reihe von Technologien kommt hierfür in Betracht. Calcium Looping (CAL) ist ein solcher und scheint eine effektive und effziente CO2-Abtrennung aus Verbrennungsprozessen zu ermöglichen.
Der CaL-Prozess umfasst die Abtrennung von CO2 bei hohen Temperaturen (600-700°C) durch Kalzium-haltige Sorbentien (CaO). CO2 reagiert mit CaO in einem Karbonisierungsprozess und produziert CaCO3. In einer anschließenden thermischen Regeneration (>850°C), genannt Kalzinierung, wird das CO2 aus CaCO3 freigesetzt. Durch abwechselnde Karbonisierung und Kalzinierung über mehrere Zyklen wird CO2 aus einem Gasstrom getrennt. Darüber hinaus wird CaL im industriellen Maßstab mit Hilfe von Zwillings-Wirbelschichtreaktoren zur CO2-Abscheidung (Karbonator) und zur Sorbensregeneration (Kalzinator) realisiert. Da es sich um ein noch in der Entwicklung befindliches Verfahren handelt, ist noch Forschung hinsichtlich vieler Aspekte, von thermodynamischer Modellierung bis hin zu experimentellen Studien erforderlich. Forschungsarbeiten wurden im Bereich Prozess-Simulationen, Sorbensreaktivität und -optimierung, sowie in Laborversuchen durchgeführt. Zudem wurden bereits verfahrenstechnische Fragestellungen anhand einer kleinen CaL-Pilotanlage untersucht.
Im Rahmen von Systemsimulationen mit ASPEN Plus wurden CaL-basierte CO2-Abscheidungsverfahren im Kraftwerksmaßstab untersucht und mit anderen wichtigen konkurrierenden Verfahren verglichen. Die inhärenten Effizienzverluste sind bei CaL-Verfahren geringer als bei Verfahren auf Aminbasis, Oxyfuelprozessen und IGCC-Kraftwerken.
Untersuchungen zur Sorbensreaktivität waren der Schwerpunkt dieser Arbeit. Eine große Zahl von Sorbensproben wurde in verschiedenen Versuchsanordnungen untersucht. Zerfallskoeffizienten der Sorbentien und die Karbonisierungs, sowie Kalzinierungsraten wurden für jede der Proben bestimmt und verglichen. Es wurden Versuche durchgeführt, um die CaL-Prozessparameter, die die Sorbensdeaktivierung beeinflussen, zu identifizieren. Für ein gegebenes Sorbens mit einer bestimmten Anzahl von Karbonisierungs- und Kalzinierungszyklen (CCR), wurde herausgefunden, dass die Kalzinierungstemperatur der entscheidende Parameter ist, der direkten Einfluss auf die Reaktivität hat. Außerdem nimmt die Geschwindigkeit des Sorbenszerfalls mit steigender Kalzinierungstemperatur zu. In dem Bemühen zur Minimierung des Sorbenszerfalls wurde ein alternatives Kalzinatordesign vorgeschlagen, um die Kalzinatortemperatur zu senken.
Eine parametrische Studie wurde an einer kleinen Zwillings-Wirbelschicht Pilotanlage (DFB) am Institut für Feuerungs-und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart durchgeführt. Ein für den CO2-Abscheidegrad eines CaL Reaktorsystem entscheidender Parameter, die aktive Karbonator Raum-Zeit, wurde anhand von thermogravimetrischen Analysen von Sorbensproben bestimmt, die jeweils während des Regelbetriebs entnommen wurden. Eine spezifische TGA experimentelle Verfahren wurde für dieses parametrische Studie angewendet. In einer weiteren Studie wurden die Reaktivitäten von DFB-Proben
mit ungenutzten Proben in einer Thermowaage analysiert und verglichen. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine teilweise Hydrierung des Sorbensstroms vorgeschlagen, um die Reaktivität des Karbonators zu erhalten. Weitere TGA-Untersuchungen der Karbonisierung wurden bei Anwesenheit von SO2 durchgeführt, um die CO2-Abscheidung in Gegenwart von SO2 zu optimieren. Das Karbonisierungs- zu Sulfatisierungsverhältnis wurde in Abhängigkeit der Aufenthaltsdauer verglichen und ergab eine klare Indikation zur Minimierung des Effekts der Sulfatisierung auf die CO2-Abscheidung.
Weiterhin wurden TGA-Versuche hinsichtlich CaL für partielle Oxidation von synthetischen Prozessgasen unter Druck durchgeführt. Das Verhalten der Sorbentien bei variierenden Temperaturen und CO2-Konzentrationen wurden dabei untersucht. Unter diesen Bedingungen hatten weder die reduzierende Atmosphäre, noch die Anwesenheit von H2 und CH4 einen negativen Einfluss auf die Reaktivität des CO2 und des CaO. In einer weiteren Studie wurde der Zerfall der Sorbentien aufgrund von Hochtemperatursinterungsprozessen experimentell untersucht und diskutiert. Anschließend zeigten Experimente zur unvollständigen (Teil-)Karbonisierung eine verbesserte Sorbensreaktivität für eine gegebene Anzahl von CCR-Zyklen im Vergleich einer gleichhohen Zahl kompletter Zyklen.
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Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird die Forschung und Entwicklung von Calcium Looping Verfahren zur CO2-Abtrennung aus vollständigen und teilweise oxidierten Brennstoffen in Kraftwerksprozessen behandelt. CO2 ist das wichtigste Treibhausgas und zweifellos ein wesentlicher Faktor für die globale
Erderwärmung. Es wird geschätzt, dass mehr als ein Drittel der gesamten anthropogenen CO2-Emissionen aus auf fossilen Brennstoffen basierender Wärme-und Stromerzeugung kommen. Zudem ist unwahrscheinlich,...
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