Einer der wettbewerbsfähigsten Postcombustion-Prozesse ist das Calcium Looping-Verfahren, bei dem in einer dualen Wirbelschichtanlage kontinuierlich CaO zwischen zwei Wirbelschichtreaktoren zirkuliert. Das System besteht aus einem Karbonator, in dem CO2 aus dem Abgas entfernt wird, und einem Regenerator, in dem das CO2 wieder in hoher Konzentration freigesetzt wird. Am Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart wurde eine 10 kWth Wirbelschicht-Anlage gebaut und betrieben. Diese besteht aus einer zirkulierenden und einer stationären Wirbelschicht. Die Versuche zeigten die Machbarkeit des Calcium Looping-Prozesses. Die Charakterisierung der fluiddynamischen und reaktionstechnischen Abhängigkeiten erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Instituto Nacional del Carbón des Spanischen Forschungsrats.
Die fluiddynamischen Abhängigkeiten sind mittels eines skalierten Kaltmodells der 10 kWth DFB-Anlage untersucht worden. Dabei wurden die unabhängigen Variablen, nämlich die Karbonator-Leerrohrgeschwindigkeit, die Feststoffmasse in der DFB-Anlage, der Reaktorüberdruck, die Siphon-Fluidisierung, die mechanische Ventilöffnung (welche die Feststoffzirkulation zwischen den Wirbelschichten reguliert) und die Partikelgrößenverteilung variiert. Für die Betriebszustände des Kaltmodell-Karbonators wurde ein Bereich mit stabilen Betriebszuständen festgestellt, welcher von zwei instabilen Bereichen begrenzt wird. Außerdem wurde der Einfluss der oben genannten unabhängigen Variablen auf wichtige abhängige Variablen abgeschätzt. Zu den abhängigen Karbonator-Variablen gehören der Druckverlust, die Bettmasse, das Strömungsprofil, der Feststoffaustrag und die Feststoffzirkulation zwischen den beiden Calcium Looping-Reaktoren.
Die reaktionstechnischen Abhängigkeiten wurden experimentell untersucht. Mittels der Versuchsergebnisse kann überprüft werden, inwieweit sich die CO2-Massenbilanz des Karbonators zwischen (i) dem CO2, welches aus der Gasphase entfernt wurde, (ii) dem CaCO3,welches zwischen den Reaktoren zirkuliert und (iii) dem CaCO3, welches im Karbonatorbett entsteht, schließt. Die Massenbilanz bestätigt die Qualität der Messungen und zeigt, dass ein überstöchiometrisches Angebot aus aktivem Calcium benötigt wird, um einen bestimmten CO2-Abscheidungsgrad zu erreichen. Die Massenbilanz muss, bevor sie mit den experimentellen Daten abgeglichen werden kann, vereinfacht werden. Diese Vereinfachung wird durch zwei theoretische Herangehensweisen (A und B) bewerkstelligt und führt somit zu zwei verschiedenen Karbonatormodellen und verschiedenen aktiven Raumzeit-Ausdrücken. Die aktive Raumzeit, die das Verhältnis zwischen Karbonatorinventar, Sorbensaktivität und CO2-Molenstrom beschreibt, ist der Schlüsselparameter um die Ergebnisse des Karbonators zu interpretieren. Mit Hilfe dieser zwei Modelle und den zugehörigen aktiven Raumzeit-Ausdrücken kann das Verhalten abhängiger Variablen, die in den Modellen enthalten sind, analysiert werden. Dazu gehören (i) die Abnahme der maximalen Kapazität zur schnellen CO2-Einbindung, auch als Sorbens-Aktivität bezeichnet, (ii) die tatsächliche Karbonatisierung im beziehungsweise nach dem Regenerator und (iii) die Form des axialen CO2- und Druckprofils des Karbonators. Außerdem erklären die beiden Modelle den Effekt weiterer abhängiger Variablen auf den CO2-Abscheidungsgrad. Dabei handelt es sich um die Karbonator-Temperatur, die Ca-Looping Ratio und die Karbonator-Raumzeit. Modell B, das einen Reaktionsraten-Ausdruck benutzt, welcher unabhängig von der Differenz zwischen der maximalen und der tatsächlichen Karbonatisierung der Partikel ist, stimmt mit allen experimentellen Daten gut überein. Dies ist nicht der Fall für Modell A. Die Variation der aktiven Raumzeit-Parameter führt zu einem CO2-Abscheidungsgrad bis über 90 Prozent. Die hier gezeigten Ergebnisse bestätigen die Realisierbarkeit des Calcium Looping-Post-Combustion-CO2-Abscheidungsprozesses.