Effect of Ash on Oxygen Carriers for the Application of Chemical Looping Combustion to a High Carbon Char
Effet des cendres sur l’activité des porteurs d’oxygène dans la combustion du charbon en boucle chimique
University of Kentucky, Center for Applied Energy
Research, 2540
Research Park Drive, Lexington, KY - USA
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liu@caer.uky.edu - neathery@caer.uky.edu
⋆ Corresponding author
The application of Chemical Looping Combustion (CLC) to solid fuels is being investigated at the University of Kentucky, Center for Applied Energy Research (CAER) with the aim of the development of a Pressurized Chemical Looping Combustion/Gasification (PCLC/G) process for the generation of electricity from coal. One important aspect of the CLC of solid fuel is the understanding of the effect of ash on the reactivity of Oxygen Carriers (OCs). The effect of ash on the redox capabilities of two different iron oxide OCs and on their ability to oxidize coal char was studied. To determine the effect of ash on the reactivity and recycle of the OCs through multiple redox cycles, fly ash from a coal-fired power plant was used. These experiments were performed in a TGMS system using 500 mg of ash/OC mixtures containing different ash concentrations up to 75%. The reducing gas was composed of 10% H2, 15% CO, 20% CO2, and a balance of Ar and the oxidizing gas was 20% O2 in Ar. Oxidation/reductions were carried to near completion. The ash was found to contain OC activity related to inherent iron present in the ash confirmed by XRD. This resulted in increased weight gain/loss on oxidation/reduction. The rate of oxidation/reduction increased with ash concentration due to increased porosity of the OC/ash mixture and better access of the reactive gases to the OC target sites. The two OCs were then used to combust a beneficiated coal char in the TGMS with the only oxygen supplied by an iron oxide OC. The starting mixture was 10% char and 90% of one of two OCs studied. The spent material containing reduced OC and ash was re-oxidized and 10% more char was added for a second reduction of the OC and oxidation of the added char. This procedure was repeated for 5 cycles increasing the ash concentrations from 5 to 25% in the char/ash/OC mixture. Carbon removal was 92 to 97.8 and 97.3 to 99.7% for the two different iron oxide OCs tested. Ash was not detrimental to the activity of the OCs and both OCs performed well. The results were promising for the application of CLC directly to solid fuels.
Résumé
L’application de la combustion en boucle chimique (CLC) aux combustibles solides est actuellement étudiée à l’Université du Kentucky, au Centre de Recherche de l’Energie Appliquée (CAER) dans le but de développer un procédé de gazéification/combustion en boucle chimique pressurisé (PCLC/G) afin de générer de l’électricité à partir de charbon. Un des principaux aspects de la combustion en boucle chimique de combustibles solides est la compréhension de l’effet des cendres sur la réactivité des porteurs d’oxygène (OCs). L’effet des cendres sur la capacité de transfert d’oxygène et sur l’aptitude à oxyder le charbon est étudié avec deux porteurs d’oxygène à base d’oxydes de fer. Les cendres utilisées sont des cendres volantes provenant d’une centrale thermique au charbon. Les expériences sont réalisées dans un système composé d’une thermo-balance couplée à un spectrographe de masse (TGMS) dans lequel on utilise d’abord 500 mg d’un mélange de cendres/porteurs d’oxygène à différentes concentrations de cendres allant jusqu’à 75 %. Le gaz réducteur est composé de 10 % de H2, 15 % de CO, 20 % de CO2 et de 55 % de Ar; et le gaz oxydant est composé de 20 % de O2 dans Ar. Les réactions d’oxydation/réduction sont quasi totales. D’après ces expériences, les cendres ont une activité propre de porteur d’oxygène, liée à la présence de fer dans les cendres, confirmée par les analyses DRX. Cela génère une augmentation du gain ou de la perte de masse du mélange pendant l’oxydation/réduction. Les vitesses d’oxydation/réduction augmentent avec la concentration des cendres à cause de l’augmentation de la porosité du mélange de porteurs d’oxygène avec les cendres, ce qui permet un meilleur accès des gaz réactifs sur les sites actifs des porteurs d’oxygène. Dans un deuxième temps, les deux porteurs d’oxygène sont utilisés pour brûler le charbon dans le TGMS avec comme seul apport d’oxygène celui du porteur d’oxygène. Le mélange de départ est composé de 10 % de charbon et de 90 % d’un des deux porteurs d’oxygène étudiés. Le matériel restant contenant le porteur d’oxygène réduit et les cendres/fumées est ensuite ré-oxydé puis 10 % de charbon frais sont ajoutés au mélange résiduel avant une nouvelle réduction. Cette procédure est répétée durant 5 cycles en augmentant la concentration des cendres de 5 à 25 % dans le mélange char/cendres/porteur d’oxygène. La conversion du carbone observée pendant ces essais est de 92 à 97,8 % et de 97,3 à 99,7 % selon le porteur d’oxygène utilisé. Les cendres ne sont pas nuisibles à l’activité des porteurs d’oxygène, et les deux porteurs d’oxygène réagissent correctement. Les résultats sont donc prometteurs pour l’application de la combustion en boucle chimique aux combustibles solides.
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