GR1009502B

GR1009502B - Method and arrangement for the improvement of fluidized bed ractors capturing carbon dioxide by spatial distribution of the solid sorbent injection

Info

Publication number: GR1009502B
Application number: GR20170100513A
Authority: GR
Inventors: Νικολαος Παναγιωτη Ιωαννη Νικολοπουλος
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-04-04

Abstract

The invention relates to the improvement of fluidized bed reactors (e.g. carburization reactors) used for the capture of carbon dioxide derived from exhausts. The new method aims at increasing the capture rate of the carbon dioxide by distribution of the revitalized sorbent current entering the carburization reactor from multiple openings and from the same or multiple or combinational height what leads to the better mixing of the above revitalized sorbent with the carbon dioxide to be captured. Said method may be applied even to other carbon dioxide capture technologies based on the fluidized bed technology with use of solid granular particles.

Description

Περιγραφή Description

Μέθοδος και διάταξη βελτιστοποίησης αντιδραστήρων ρευστοποιημένης κλίνης που δεσμεύουν διοξείδιο του άνθρακα με παράμετρο τη χωρική κατανομή της έγχυσης του στερεού δεσμευτή Method and device for optimizing carbon dioxide sequestering fluidized bed reactors parameterized by the spatial distribution of solid sequestrant injection

Η εφεύρεση αφορά ένα τρόπο αύξησης της απόδοσης αντιδραστήρων ρευστοποιημένων κλινών που χρησιμοποιούνται για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από βιομηχανικά καυσαέρια (π.χ. ατμοηλεκτρικούς σταθμούς, τσιμεντοβιομηχανία κ.α.) που βασίζονται σε κάποιο στερεό δεσμευτή (π.χ. οξείδιο του ασβεστίου). The invention concerns a way of increasing the efficiency of fluidized bed reactors used for the capture of carbon dioxide from industrial exhaust gases (e.g. steam power plants, cement industry, etc.) based on a solid binder (e.g. calcium oxide ).

Οι τεχνολογίες δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα με στερεό δεσμευτή έχουν προταθεί εδώ και πολλά χρόνια (π.χ. τεχνολογία ενανθράκωσης - ασβεστοποίησης 1999) ως λύση για την δραστική μείωση των αντίστοιχων εκπομπών από ατμοηλεκτρικούς σταθμούς αλλά και άλλων ενεργοβόρων βιομηχανιών. Solid binder carbon dioxide capture technologies have been proposed for many years (eg carbonization - calcification technology 1999) as a solution to drastically reduce the corresponding emissions from steam power plants and other energy-intensive industries.

Η τεχνολογία της δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα (CO ) μέσω επαναληπτικών κύκλων ασβεστοποίησης - ενανθράκωσης χρησιμοποιεί την ικανότητα του οξειδίου του ασβεστίου να δεσμεύει και να απελευθερώνει το διοξείδιο του άνθρακα, σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Η δέσμευση και η απελευθέρωση του αερίου γίνεται σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες, τον ενανθρακωτή (δέσμευση) και τον ασβεστοποιητή (απελευθέρωση του διοξειδίου του άνθρακα και αναζωογόνηση του δεσμευτή). Ο σωστός σχεδιασμός ενός ενανθρακωτή επιτρέπει την δέσμευση ενός μεγάλου ποσοστού του εισερχόμενου διοξειδίου του άνθρακα. Λόγω της δέσμευσης από τους κόκκους οξειδίου του ασβεστίου (CaO) παράγεται στερεός κοκκώδης ασβεστόλιθος (CaCO3), ο οποίος αναζωογονείται στον αντιδραστήρα ασβεστοποίησης με την πρόσδοση θερμότητας. The technology of capturing carbon dioxide (CO ) through repeated cycles of calcination - carbonation uses the ability of calcium oxide to bind and release carbon dioxide, under different conditions of pressure and temperature. The capture and release of the gas takes place in two different reactors, the carbonator (capture) and the calciner (release of carbon dioxide and regeneration of the binder). Proper design of a carbonator allows a large percentage of the incoming carbon dioxide to be captured. Due to the sequestration by the calcium oxide (CaO) grains, solid granular limestone (CaCO3) is produced, which is regenerated in the calcination reactor by providing heat.

Η σύζευξη των δύο μονάδων είναι συνεχής και αυτό επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλης σύνδεσης των δύο μονάδων διαμέσου μηχανικών ή πνευματικών βαλβίδων δημιουργώντας έτσι ένα ολοκληρωμένο σύστημα συζυγών κλινών. Τέτοια συστήματα έχουν επιτυχώς διερευνηθεί πειραματικά σε διατάξεις όπως αυτή των Πανεπιστημίων της Στουτγάρδης, του Ντάαρμσταντ και άλλες. The coupling of the two units is continuous and this is achieved through a suitable connection of the two units through mechanical or pneumatic valves thus creating an integrated system of coupled beds. Such systems have been successfully investigated experimentally in settings such as that of the Universities of Stuttgart, Darmstadt and others.

Με βάση το συμβατικό σχεδίασμά μονάδων ενανθράκωσης, η εισαγωγή του στερεού δεσμευτή γίνεται σε ένα και μοναδικό σημείο καθ' ύφος του αντιδραστήρα, ενώ τα καυσαέρια με το υπό δέσμευση CO εισέρχονται από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα διαμέσου κάποιου διασκορπαστήρα. Η αποδοτικότητα της δέσμευσης ορίζεται ως ο λόγος της δεσμευόμενης ποσότητας CO ανά μονάδα χρόνου που κατακρατείται από το δεσμευτή, προς τη συνολική παροχή του CO2που εισέρχεται στον εν λόγω αντιδραστήρα. Μέχρι στιγμής η βελτιστοποίηση της απόδοσης του αντιδραστήρα ενανθράκωσης σχετίζεται κυρίως με τον έλεγχο της θερμοκρασίας, την υδροδυναμική της κλίνης και την τροφοδοσία αναζωογονημένου δεσμευτή. Based on the conventional design of carbonation units, the solid binder is introduced at a single point in the style of the reactor, while the exhaust gases with the CO under capture enter from the bottom of the reactor through a diffuser. The capture efficiency is defined as the ratio of the captured amount of CO per unit time retained by the capture device to the total supply of CO2 entering the said reactor. So far optimization of carbonation reactor performance is mainly related to temperature control, bed hydrodynamics and regenerated binder feed.

Η νέα μέθοδος επιτυγχάνει να αυξήσει το ποσοστό δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα του αντιδραστήρα ενανθράκωσης χωρίς να είναι απαραίτητη προϋπόθεση η αύξηση της ποσότητας του εισερχόμενου αναζωογονημένου στερεού δεσμευτή ή της δραστικότητας του. Η αύξηση επιτυγχάνεται για τις ίδιες κύριες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και για την ίδια ποσότητα εισερχομένου διοξειδίου του άνθρακα και για την ίδια αρχική συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στα καυσαέρια. Αυτή η αύξηση επιτυγχάνεται με τη νέα μέθοδο μέσω της χωρικής διαμοίρασης της εισαγωγής του δεσμευτή. Διαμοιράζοντας τον αναζωογονημένο δεσμευτή που παράγεται στον αντιδραστήρα ασβεστοποίησης σε διαφορετικά ύψη / θέσεις στον αντιδραστήρα ενανθράκωσης, επιτυγχάνονται ευεργετικά αποτελέσματα όσον αφορά στην αποδοτικότητα της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα. Η ίδια τεχνική μπορεί να επιτευχθεί και σε άλλες τεχνολογίες δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα που χρησιμοποιούν στερεούς κοκκώδεις δεσμευτές. The new method succeeds in increasing the carbon dioxide capture rate of the carbonation reactor without the necessity of increasing the amount of incoming regenerated solid binder or its activity. The increase is achieved for the same main conditions of pressure, temperature and for the same amount of carbon dioxide input and for the same initial concentration of carbon dioxide in the exhaust gas. This increase is achieved with the new method through the spatial distribution of binder insertion. By distributing the regenerated binder produced in the calcining reactor at different heights/positions in the carbonation reactor, beneficial effects are achieved in terms of carbon dioxide capture efficiency. The same technique can be achieved in other carbon dioxide capture technologies that use solid granular binders.

Η βελτιστοποίηση της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα επιτυγχάνεται διαμοιράζοντας χωρικά καταλλήλως το εισερχόμενο ρεύμα του αναζωογονημένου δεσμευτή έτσι ώστε να εισάγεται στον αντιδραστήρα από πολλαπλά σημεία. Optimization of carbon dioxide capture is achieved by properly spatially partitioning the regenerated binder inlet stream so that it enters the reactor from multiple points.

Οπως φαίνεται και στο Σχήμα 1, ο αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης ανακυκλοφορίας τυπικά τροφοδοτείται μέσω ενός διασκορπιστήρα με καυσαέρια από τα οποία πρέπει να διαχωριστεί μέσω δέσμευσης το διοξείδιο του άνθρακα. Το εισερχόμενο καυσαέριο ρεύμα απεικονίζεται με το σύμβολο -1- στο σχήμα 1. Εντός της ρευστοποιημένης κλίνης ενανθράκωσης, που απεικονίζεται από το σύμβολο -3- αναδεύονται, εξαιτίας της ροής καυσαερίου, στερεά κοκκώδη σωματίδια με σύσταση οξειδίου του ασβεστίου και ασβεστόλιθου (CaO και CaCO3). Το οξείδιο του ασβεστίου δεσμεύει το διοξείδιο του άνθρακα και μετατρέπεται σε ασβεστόλιθο. Η μονάδα τροφοδοτείται συνεχώς από ένα ρεύμα αναζωογονημένου δεσμευτή. Το ρεύμα αυτό απεικονίζεται με το σύμβολο -2-. Η εισαγωγή του ρεύματος αυτού γίνεται διαμέσου ενός ανοίγματος ή περισσότερων υπο-ανοιγμάτων (ανοίγματα που βρίσκονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο και διαμοιράζουν ισόποσα την παροχή του εν λόγω ρεύματος) στον αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης (-3-). Το πρωτεύον αυτό ρεύμα προέρχεται από τον αντιδραστήρα ασβεστοποίησης. Το μείγμα στερεών CaO και CaCO3που βρίσκονται εντός του αντιδραστήρα, παρασύρεται εν μέρει από το αέριο και οδηγείται εκτός του αντιδραστήρα όπου διαχωρίζονται τα στερεά από τα αέρια (συνήθως μέσω ενός ή περισσότερων κυκλώνων), ενώ μέρος των στερεών επιστρέφεται μέσω του συστήματος ανακυκλοφορίας (εσωτερική ανακυκλοφορία στερεών που συμβολίζεται με το σύμβολο -4-) στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα. As can be seen in Figure 1, the recirculating fluidized bed reactor is typically fed through a diffuser with flue gases from which the carbon dioxide must be separated by capture. The incoming flue gas stream is represented by the symbol -1- in figure 1. Within the fluidized carbonization bed, represented by the symbol -3-, due to the flue gas flow, solid granular particles with a composition of calcium oxide and limestone (CaO and CaCO3) are stirred ). Calcium oxide binds carbon dioxide and turns into limestone. The unit is continuously fed by a stream of regenerated binder. This current is represented by the symbol -2-. The introduction of this current is through an opening or more sub-openings (openings that are very close to each other and equally divide the supply of said current) in the fluidized bed reactor (-3-). This primary stream comes from the calcination reactor. The mixture of CaO and CaCO3 solids inside the reactor is partially entrained by the gas and led outside the reactor where the solids are separated from the gases (usually through one or more cyclones), while part of the solids is returned through the recirculation system (internal recirculation of solids denoted by the symbol -4-) at the bottom of the reactor.

Το ρεύμα κοκκωδών στερεών που έρχεται από τον αντιδραστήρα ασβεστοποίησης ενώ συμβατικά εισέρχεται στον αντιδραστήρα ενανθράκωσης μέσω ενός ανοίγματος, με τη νέα μέθοδο προτείνεται η διαμοίρασή του σε περισσότερα ρεύματα. Η διαμοίραση αυτής της ποσότητας σε περισσότερα του ενός ανοίγματα [πρωτεύον (-2- ) και δευτερεύον (-2'-) ρεύματα] εισαγωγής στην μονάδα οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης όσον αφορά στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα σε σύγκριση με την εφαρμοζόμενη τακτική που αναφέρεται στη στάθμη προηγούμενης τεχνικής, όπου η εισαγωγή γίνεται αποκλειστικά από ένα άνοιγμα. Η μέτρηση της αποτελεσματικότητας ενός τέτοιου σχεδιασμού διακριβώθηκε με ακριβή ως προς τις προλέξεις τους αριθμητικά εργαλεία για την περίπτωση ενός ενανθρακωτή (carbonator) δυναμικότητας 1MWth. Σε αυτή την περίπτωση για το σενάριο αναφοράς όπου όλος ο αναζωογονημένος δεσμευτής εισέρχεται από ένα σημείο προλέγεται ποσοστό δέσμευσης 87.03%, ενώ η νέα μέθοδος της χωρικής διαμοίρασης του αναζωογονημένου δεσμευτή επιτυγχάνει σημαντική αύξηση της απόδοσης (89.64%). Η αύξηση της απόδοσης προκύπτει ως αποτέλεσμα της καλύτερης ανάμιξης και μεγαλύτερου χρόνου αλληλεπίδρασης του αναζωογονημένου δεσμευτή με καυσαέρια ιδιαίτερα στην περιοχή της κύριας ανάμιξης αυτών. Στο συγκεκριμένο ενανθρακωτή δυναμικότητας 1 MWthο αναζωογονημένος δεσμευτής εισήλθε στον αντιδραστήρα από δύο ανοίγματα σε διαφορετικό ύφος. Η νέα μέθοδος, στη γενικότητά της, μπορεί να εφαρμοστεί με πολλαπλά ανοίγματα ποικίλης γεωμετρίας έγχυσης σε διαφορετικά ύφη, είτε σε διαφορετικά σημεία για το ίδιο ύφος του αντιδραστήρα. The stream of granular solids coming from the calcification reactor while conventionally enters the carbonization reactor through an opening, with the new method it is proposed to divide it into several streams. The distribution of this quantity in more than one opening [primary (-2- ) and secondary (-2'-) intake streams] in the unit leads to an increase in efficiency in terms of carbon dioxide capture compared to the applied strategy which refers to the prior art where the insertion is made exclusively through an opening. The measurement of the effectiveness of such a design was verified with accurate numerical tools for the case of a 1MWth capacity carbonator. In this case, for the reference scenario where all the regenerated binder enters from one point, a binding rate of 87.03% is predicted, while the new method of spatial distribution of the regenerated binder achieves a significant increase in efficiency (89.64%). The increase in efficiency results from better mixing and longer interaction time of the regenerated binder with exhaust gases especially in the area of their main mixing. In the particular 1 MWth capacity carbonator the regenerated binder entered the reactor through two openings in a different style. The new method, in its generality, can be applied with multiple openings of varying injection geometry in different styles, or at different points for the same style of reactor.

Claims

1. Method of introducing a solid binder into a recirculating fluidized bed carbonization reactor. The method is characterized by the injection of the binder, through two main openings and by dividing the binder into their individual percentages, with a range of 65%-90% (for the primary stream) and respectively 35%-10% (for the secondary).

2. A method according to claim 1, wherein the two streams, primary and secondary, are each introduced with more than one apertures (sub-apertures).

3. Device for introducing the solid binder into the fluidized bed according to claim 1, characterized by two openings (-2-, -2'-) of square cross-section located at a distance between them of at least 1 meter (either vertically or horizontally horizontal distance.

4. Device according to claim 3 characterized by injection geometries other than square cross-section (e.g. circular, non-rectangular and/or others).

5. A device according to claims 3 and 4 wherein the primary and secondary streams each enter through more than one sub-apertures spaced less than 1 meter apart.

6. Use of the proposed method in fluidized bed type carbonization reactors.

7. Use according to claim 6, characterized by the application of the method to other fluidization technology units than the recirculating fluidized bed, such as effervescent fluidized beds for example.

8. Use of the method in other carbon dioxide capture technologies, except carbonization calcification cycle technology, where the carbon dioxide capture reactor is of the fluidized bed type using a granular solid binder.