Study of the effect of CO2 on char particle temperature and conversion in oxy-fuel combustion in fluidized bed

Abstract

In the energy sector, carbon capture has emerged as a technical solution for reducing CO2 emissions, which are responsible for the greenhouse gas effect and global warming. Oxy-fuel combustion is one of the options for implementing carbon capture. The technology consists of combustion of a fuel with pure oxygen which results in a flue gas stream rich in CO2 that is suitable for storage. Due to the high temperatures reached inside the boiler, the O2 is partially dilute with the recycled flue gases, which mainly contents CO2 (dry recirculation) or CO2 and water vapor (wet recirculation). Oxy-fuel may be applied in existing power plants which are designed to operate with traditional air combustion (i.e. 1stgeneration). Alternatively, the design of newly built boilers may be improved to enable the operation with higher concentrations of oxygen, thereby reducing the size of the units as compared to the conventional boilers (i.e. 2nd generation). However, the construction of such oxy-fuel combustors requires further knowledge of the fuel conversion process in oxygen-rich environment. Recently a 3rd generation of oxy-fuel combustion has been proposed (i.e. oxy-steam combustion), where the water vapor is directly used as temperature moderator and it avoids the recirculation stream. The literature on oxy-fuel combustion in the presence of steam is still scarce and requires some efforts to clarify its influence on the combustion characteristics. An important aspect is the temperature of the fuel particles, as the high O2 concentrations in the combustor leads to fast conversion of the fuel, which can result in intolerable temperatures. In this work, the effect of CO2 and water vapor on the temperature and conversion of the char particles during the combustion process is investigated. A lab-scale fluidized bed reactor is used and the temperature of the char particles is quantified by means of a digital camera. Also, a one-dimensional model is developed to study the influence of H2O. The results show that the main difference in the temperature and conversion of the fuel particle between oxy-fuel, oxy-steam and air combustion relates to the different diffusivity of O2 in N2, CO2 and H2O, and the contribution of the gasification reaction under certain conditions.

La tecnología de captura de CO2 es en una de las vías hacia la reducción de las emisiones de CO2, causantes de la intensificación del efecto invernadero y del calentamiento global. La oxi-combustión es una de las alternativas que permiten implantar esta tecnología. Esta técnica consiste en realizar el proceso de combustión con oxígeno puro, dando lugar a una corriente de gases de combustión rica en CO2, y que por tanto puede ser capturado de forma viable. Para controlar la temperatura dentro de la caldera, esta corriente de oxígeno puro se diluye parcialmente con ayuda de los gases de combustión, los cuales contienen principalmente CO2 (recirculación seca) o CO2 y vapor de agua (recirculación húmeda). La tecnología de oxi-combustión puede instalarse en plantas de producción de energía eléctrica diseñadas para trabajar en combustión con aire (1ª generación), aunque se plantea mejorar esta técnica alimentando mayores concentraciones de oxígeno a la caldera (2ª generación) consiguiendo reducir el tamaño de esta y evitar en un alto grado el caudal de recirculación de gases con respecto a las convencionales. Sin embargo, aún existen una serie de factores que deben ser investigados antes de construir una caldera de 2ª generación. Asimismo, recientemente ha surgido una nueva alternativa (3ª generación) que consiste en utilizar directamente el vapor como moderador de la temperatura, evitando así los costes que supone realizar la recirculación de los gases de combustión. Aún existen pocos trabajos enfocados en estudiar la influencia del vapor en condiciones de oxi-combustión y, por tanto, es necesario profundizar en esta línea antes de implantar una caldera de 3ª generación. Uno de los factores más importantes de estudio es la temperatura de las partículas de combustible, ya que, debido a las altas concentraciones de O2 en la caldera, la velocidad de conversión de las partículas pude ser muy alta y llegar a un nivel de temperatura inadmisible en el interior de la caldera. En este trabajo se estudia el efecto del CO2 y el vapor sobre la temperatura y la conversión de partículas de carbonizado de haya. Para las pruebas experimentales se utilizó un reactor de lecho fluido bidimensional (a escala de laboratorio) equipado con una ventana de cuarzo, donde se realizó la combustión de partículas de char. Las medidas de la temperatura superficial de las partículas en combustión se realizan mediante pirometría óptica, utilizando una cámara digital que captura, a través de la ventana, el proceso de conversión. Por otro lado, se ha llevado a cabo un estudio teórico sobre el efecto de la presencia del vapor en oxi-combustión mediante simulaciones en las que, por un lado, el CO2 se sustituye parcialmente por vapor (recirculación húmeda) y por otro lado, la combustión se realiza en atmósfera de O2/H2O. Para ello, se ha desarrollado un modelo numérico, cuyos resultados han sido validados con resultados experimentales obtenidos en las pruebas de combustión del char en atmósfera de O2/CO2 y O2/N2. Los resultados muestran que las diferencias en la temperatura y conversión de las partículas de char entre los diferentes casos se deben principalmente (i) a la diferencia de difusividad del O2 en cada uno de los gases utilizados como moderadores de temperatura y (ii) la contribución de la reacción de gasificación del char en determinadas condiciones.