Desulphurization during oxyfuel combustion in a fluidized bed

Abstract

Presented dissertation thesis deals with oxyfuel combustion, which is one of the possible method for decreasing emissions of carbon dioxide from combustion process. Oxyfuel combustion is based on substitution of air as an oxidant by pure oxygen. Resulting flue gas contains mainly carbon dioxide and water vapour. Important requirements in the CCS technologies is the purity of CO2, which plays an important role in the economical balance of the whole process. Sulphur dioxide formed by oxidation of sulphur in a fuel is one of the substances lowering the purity of CO2. This thesis focuses on the oxyfuel combustion in bubbling fluidized bed and the main focus is to verify and optimize the process of dry additive desulphurization method leading to lowering the final SO2 concentration in flue gas. The oxyfuel combustion process is analysed in detail and a mathematical oxyfuel combustion model is created and is validated with the measurement results. This part of the work is necessary to understand the process of oxyfuel combustion itself and defines the specifics of oxyfuel combustion in fluidized bed boilers. The dry additive desulphurization method is based on addition of a suitable sorbent, in this case limestone, to the combustion chamber. Sulphur dioxide is captured directly in combustion chamber and the product of desulphurisation reaction mechanism (calcium sulphate) leaves the combustion process together with ash. The current state of the art of SO2 emission reduction in fluidized bed boilers under air and oxyfuel mode is presented in this thesis. The experiments were carried out in two facilities with different power outputs – 30 kW and 500 kW, which were designed to be able to operate in both air and oxyfuel combustion modes. Experiments were focused on the main aspects influencing the desulphurization process. Among the examined aspects belong the effect of limestone excess, effect of fluidized bed temperature and the excess of oxidant.

Tato dizertační práce se zabývá technologií „oxyfuel“ spalování, což je jedna z možností snižování emisí oxidu uhličitého ze spalovacích procesů. Proces „oxyfuel“ spalování spočívá v nahrazení vzduchu, jakožto okysličovadla, čistým kyslíkem. Výsledkem jsou spaliny obsahující z převážné většiny oxid uhličitý a vodní páru. Důležitou otázkou CCS technologií je čistota CO2, která hraje důležitou roli v ekonomické bilanci celého procesu. Jednou ze složek, snižujících čistotu oxidu uhličitého, je oxid siřičitý, který vzniká oxidací síry přítomné v palivu. Práce se zaměřuje na „oxyfuel“ spalování v bublinkové fluidní vrstvě a jejím cílem je ověřit a optimalizovat proces suché aditivní metody odsiřování vedoucí ke snížení koncentrace této látky ve spalinách. V práci je nejdříve podrobně rozebrán proces „oxyfuel“ spalování, je vytvořen matematický model „oxyfuel“ spalování, který je validován s výsledky měření. Tato část práce je nezbytnou pro pochopení samotného procesu fungování „oxyfuel“ spalování a definuje specifika „oxyfuel“ spalování ve fluidních kotlích. Suchá aditivní metoda odsíření spočívá v přídavku vhodného aditiva, v tomto případě vápence, do spalovací komory. K záchytu SO2 tedy dochází ještě v ohništi a produkty odsíření odcházejí v tuhé formě spolu s popelovinami. V práci je uveden současný stav poznání z hlediska snižování emisí SO2 v bublinkující fluidní vrstvě a to ve vzduchovém i „oxyfuel“ režimu. Samotné experimenty byly provedeny na dvou zařízeních o různých výkonech (30 kW a 500 kW), které byly navrženy tak aby byly schopné pracovat jak v režimu vzduchového, tak i v režimu „oxyfuel“ spalování. Byly provedeny experimenty zabývající se hlavními aspekty ovlivňujícími proces odsíření. Mezi zkoumané aspekty patří vliv přebytku vápence, vliv teploty fluidní vrstvy a přebytek okysličovadla.