Experimental Investigations on a Novel Chemical Looping Combustion Configuration Étude expérimentale d’une nouvelle configuration de combustion en boucle chimique

Abstract

Chemical Looping Combustion (CLC) is a promising novel combustion technology involving inherent separation of carbon dioxide with minimum energy penalty. An oxygen carrier is employed to continuously transfer oxygen from the air reactor to the fuel reactor where the oxygen is delivered to the fuel. Consequently, direct contact between the air and fuel is prevented. The resulting flue gas is CO2-rich, without N2 dilution. The reduced oxygen carrier is then transported back to the air reactor for re-oxidation purposes, hence forming a chemical loop. Various CLC configurations have already been developed and tested on laboratory scales. However, more investigations are required to achieve feasible CLC processes. Among the different points to address, control of the solid circulation rate between the two reactors is of the highest importance regarding its effect on achievement of an appropriate oxygen transfer rate and solid oxidation degrees. Moreover, minimization of gas leakage between the fuel and air reactors is another important issue to be considered. A novel CLC configuration is proposed where reactions are carried out in two interconnected bubbling fluidized beds. Solid circulation rate control is achieved independently of gas flow rate in the reactors through use of pneumatic non-mechanical valves (L-valves). Moreover, loopseals are employed to minimize gas leakage while transferring solids. Experimental results from operation of a 10 kWth equivalent cold prototype are presented in this paper. The effect of operating variables on the solid circulation rate, gas leakage between the two beds and the pressure balance on all of the process elements is studied. The results demonstrate stable solid circulation with efficient control of the solid flow rate and effective gas tightness of the system. La combustion en boucle chimique (CLC) est une nouvelle technologie prometteuse qui implique la separation inherente du dioxyde de carbone avec une perte minimale d’energie. Un transporteur d’oxygene est utilise pour le transfert de l’oxygene en continu du “reacteur air” vers le “reacteur fioul” ou l’oxygene est apporte au combustible. Ainsi, le contact direct entre l’air et le combustible est evite. Le gaz resultant est riche en CO2 et n’est pas dilue avec de l’azote. Le transporteur d’oxygene reduit est ensuite transporte vers le reacteur air afin d’etre re-oxyde, formant ainsi une boucle chimique. Diverses configurations CLC ont deja ete developpees et testees a l’echelle laboratoire. Cependant, des travaux de recherche supplementaires sont necessaires pour garantir la faisabilite du procede. Parmi les differents points a aborder, le controle du debit de circulation du solide entre les deux reacteurs est de la plus haute importance, notamment en ce qui concerne son impact sur l’apport en oxygene et le degre d’oxydation du solide. Aussi la reduction des fuites de gaz entre le reacteur fioul et le reacteur air est un autre point important a prendre en consideration. Dans cette etude, une nouvelle configuration de CLC est proposee ou les reactions sont effectuees dans deux lits fluidises bouillonnants interconnectes. Le controle du debit de circulation du solide est realise independamment du debit de gaz de fluidisation des reacteurs en utilisant des vannes pneumatiques non-mecaniques. Les siphons sont egalement employes pour reduire au mieux les fuites de gaz lors du transfert solide. Les resultats experimentaux obtenus dans une maquette froide equivalente a un pilote de 10 kWth sont presentes dans ce travail. L’impact des parametres operatoires sur le taux de circulation du solide, des fuites de gaz entre les deux lits et l’equilibre des pressions sur l’ensemble des elements du systeme est etudie. Une circulation stable du solide a ete obtenue grace a un controle maitrise du debit du solide et une etancheite efficace du systeme.