Hydrodynamic studies of the dual fluidized bed reactor systems for high temperature solid looping cycles

Dissertation von Ajay Bidwe
Universität Stuttgart, 2017

Der High Temperature Solid Looping Cycle (HTSLC) ist ein Prozess, der mit einer Zweibettwirbelschicht ausgeführt wird. Die heißen Feststoffpartikel werden vom ersten Reaktor in einen zweiten Reaktor überführt und umgekehrt. Das Ziel der Überführung der Feststoffpartikel ist die Bereitstellung der Wärme und der erforderlichen Prozessbedingungen, um die gewünschte Reaktion auszuführen. In einigen Verfahren ist der Feststofftransport für beide Ziele notwendig. Das Calzium-Looping-Verfahren, die Wasserdampfvergasung von Biomasse und der Chemical-Looping-Prozess sind Beispiele für HTSLC-Prozesse. Alle diese Verfahren können als CO2-Abscheide-Verfahren eingestuft werden und basieren auf der Nutzung eines Zweibettwirbelschichtsystems.

Diese HTSLC-Prozesse werden gegenwärtig im Pilotmaßstab untersucht bzw. befinden sich im großtechnischen Einsatz. Eine 200 kWth Pilotanlage ist an der Universität Stuttgart aufgebaut worden, um den Calzium-Looping- und den Sorptions-Enhanced-Reforming-Prozess zu untersuchen.

In Rahmen dieser Dissertation wurden fluiddynamische Studien in einem Kaltmodell einer Zweibettwirbelschichtanlage durchgeführt. In dieser Arbeit werden die Grundlagen des Reaktorprinzips, sowie das Erreichen der prozesstechnischen Zielwerte präsentiert. In einzelnen Fällen wurden Modifikationen vorgeschlagen, um die angestrebten Werte zu erreichen. Verschiedene Kombinationen wurden untersucht. Eine Kombination von zwei zirkulierenden Wirbelschichten wird für den Calzium-Looping-Prozess vorgeschlagen. Um den Feststoffkreislauf zwischen den Reaktoren zu steuern, werden sogenannte Spießventile eingesetzt. Für den Prozess der sorptionsunterstützten Reformierung wird eine Kombination aus stationärer Wirbelschicht und zirkulierender Wirbelschicht verwendet. Von einem vorläufigen Konzept für eine Pilotanlage ausgehend wurde ein im Maßstab 1:2,5 skaliertes Kaltmodell erstellt, an dem die Untersuchungen durchgeführt wurden. Die Skalierung erfolgte nach Glicksman. Die Ergebnisse aus dem Kaltmodell in Bezug auf Druckverlust, Partikelinventar und Umlaufrate können somit auf die realen Prozessbedingungen umgerechnet werden.

Für den Calzium-Looping-Fall zeigen die Ergebnisse, dass die wichtigsten erforderlichen Prozessbedingungen in der Pilotanlage erfüllt sind, wie z.B. Druckprofile und Partikelinventar. Die Feststoffumlaufrate war zunächst nicht ausreichend. Durch entsprechende Modifikationen konnte dieser Engpass überwunden werden.

Im Falle der sorptionsgestützten Reformierung konnten die prozesstechnischen Zielgrößen erreicht werden. Es konnte ferner die Eignung der Vergaserauslegung im Hinblick auf die interne Strömungsverteilung bestätigt werden.

Eine Schlüsselkomponente im Wirbelschichtsystem stellt der Siphon dar. Dieser dient zur Überwindung der Druckdifferenz bei der Feststoffrückführung in den Reaktorunterteil. Des Weiteren soll der Siphon die Gasatmosphären in den beiden Reaktoren sicher trennen. Der Verteilung der Fluidisierungsgasströme im Siphon kommt daher eine hohe Bedeutung zu. Des Weiteren ergibt sich eine erhebliche Abhängigkeit der Strömungsformen von der Fluidisierung.

Die genaue Kenntnis des Feststoffinventars in einer Wirbelschicht ist für den hier behandelten Prozess von großer Bedeutung. Üblicherweise wird die Druckdifferenz im Reaktor als Maß für das Feststoffinventar verwendet. Reibungs- und Beschleunigungsdruckverluste sowie weitere Strömungseffekte werden dabei naturgemäß vernachlässigt. Durch Auswiegen des Feststoffinventars war es möglich, diese Effekte zu quantifizieren. Dabei zeigte sich, dass neben den Reibungsdruckverlusten insbesondere durch die Feststoffströmung im Reaktor –nämlich eine Aufwärtsströmung des Feststoffes im Innenbereich und gleichzeitige Abwärtsströmung im Randbereich – sich signifikante Abweichungen ergeben.

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