Chemical Looping with Copper Oxide as Carrier and Coal as Fuel Boucle chimique pour la combustion du charbon avec un transporteur d’oxygène à base d’oxyde de cuivre

Abstract

A preliminary analysis has been conducted of the performance of a Chemical Looping system with Oxygen Uncoupling (CLOU) with copper oxide as the oxygen carrier and coal approximated by carbon as the fuel. The advantages of oxygen uncoupling are demonstrated by providing the energy balances, the circulation rate of oxygen carrier, the oxygen carrier mass loadings, the carbon burnout and oxygen partial pressure in the fuel reactor. Experimental data on the cycling of cuprous oxide to cupric oxide and kinetics for the oxidation and decomposition reactions of the oxides were obtained for use in the analysis. For this preliminary study unsupported oxides were utilized. The decomposition temperatures were rapid at the high temperature of 950°C selected for the fuel reactor. The oxidation kinetics peaked at about 800°C with the decrease in rate at higher temperatures, a decrease which is attributed in the literature to the temperature dependence of the diffusional resistance of the CuO layer surrounding the Cu2O; the diffusion occurs through grain boundaries in the CuO layers and the rate of diffusion decreases as a consequence of growth of CuO grains with increasing temperature. The analysis shows the advantages of CLOU in providing rapid combustion of the carbon with carbon burnout times lower than the decomposition times of the oxygen carrier. For the full potential of CLOU to be established additional data are needed on the kinetics of supported oxides at the high temperatures (>850°C) at which oxygen is released by the CuO in the fuel reactor. Une analyse préliminaire a été conduite pour estimer les performances d’un procédé en boucle chimique découplé (CLOU, chemical looping uncoupling) pour la combustion du charbon avec un transporteur d’oxygène à base d’oxyde de cuivre. Les avantages de ce système sont démontrés en établissant le bilan énergétique, l’inventaire et le débit de circulation du matériau transportant l’oxygène, les taux de conversion du carbone et la pression partielle en oxygène dans le réacteur de combustion. Pour faire cette analyse, des données expérimentales de cyclage CuO/Cu2O ont été utilisées afin de déterminer les cinétiques de décomposition et d’oxydation du matériau. Elles ont été obtenues avec un oxyde non supporté. La cinétique de décomposition est très rapide à 950°C dans les conditions du réacteur de combustion. Il est montré que la cinétique d’oxydation est maximale au voisinage de 800°C, la vitesse décroissant ensuite pour des températures plus élevées, à cause de résistances diffusionnelles liées à la formation d’une couche de CuO entourant le Cu2O. L’analyse montre que le CLOU permet une combustion rapide du carbone, les temps de combustion du carbone étant plus lents que les temps de décomposition du transporteur d’oxygène. Pour confirmer le potentiel du procédé, des données cinétiques additionnelles sont nécessaires sur des oxydes supportés à haute température (>850°C), dans les conditions du réacteur de combustion permettant la libération d’oxygène par l’oxyde de cuivre.