The Role of Attrition and Solids Recovery in a Chemical Looping Combustion Process Effet de l’attrition et de la récupération des particules dans le procédé de combustion en boucle chimique

Abstract

In the present work, the steady-state behavior of a Chemical Looping Combustion process of interconnected fluidized bed reactors is simulated. The simulations have been carried out in two different scales, 50 kWth and 100 MWth. Attrition model derived from small scale laboratory experiments has been employed for the prediction of the process behavior in terms of attrition and Oxygen Carrier loss. Information on Oxygen Carrier characteristics and reaction kinetics were taken from literature. Realistic circulation mass flows of Oxygen Carrier particles are obtained and Oxygen Carrier losses are quantified. The large scale process looses significantly more Oxygen Carrier than the small scale process based on the same amount of thermal energy produced. Incomplete conversion in the air reactor could be identified as a critical point. Another issue is the fuel gas bypassing the Oxygen Carrier particles through bubbles in the large scale process which leads to lowered fuel conversions. The simulations indicate that a similar performance of a pilot scale and a large scale process is not guaranteed due to the scale-up effect on fluid dynamics. Furthermore, the simulations allow an assessment of the influence of the quality of the solids recovery system on the Oxygen Carrier loss. The distribution of the losses between possible origins is investigated and different changes in the solids recovery system are discussed regarding their potential to decrease the Oxygen Carrier loss. For example, the addition of a second-stage cyclone after the air reactor of the large scale process reduces the Oxygen Carrier loss significantly. Le présent travail propose un modèle de simulation en continu du procédé de combustion en boucle chimique constitué de deux lits fluidisés interconnectés. Les simulations ont été conduites à deux échelles 50 kWth correspondant à une installation pilote et 100 MWth correspondant à une installation industrielle. Un modèle décrivant l’attrition, établi à partir d’expériences conduites à petite échelle au laboratoire, a été utilisé pour étudier l’évolution de la granulométrie et des pertes aux cyclones des particules transportant l’oxygène dans le procédé. Des débits de circulation de particules réalistes sont calculés par simulations et les pertes aux cyclones peuvent être quantifiées. Rapportées à la puissance de l’installation, les pertes en particules aux cyclones sont plus élevées à l’échelle industrielle qu’à l’échelle pilote. Il a également été observé qu’à l’échelle industrielle on obtient une conversion plus faible de la charge gazeuse dans le réacteur fioul à cause du by-pass induit par les bulles dans ce réacteur. Sur la base des simulations, il n’est donc pas garanti que les performances soient identiques à l’échelle pilote et à l’échelle industrielle à cause de l’hydrodynamique. Avec le simulateur, il est également possible d’étudier l’impact du système de récupération des particules dans les effluents gazeux sur les pertes. La répartition des pertes entre le réacteur air et le réacteur fioul est étudiée avec différentes configurations. Il est, par exemple, montré que l’ajout d’un deuxième étage de cyclone en sortie du réacteur air permet de réduire significativement les pertes en matériau transporteur d’oxygène.