The potential of gas switching chemical looping technology to eliminate the energy penalty of CO2 capture

Arnaiz del Pozo, Carlos (2020). The potential of gas switching chemical looping technology to eliminate the energy penalty of CO2 capture. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM).


Title: The potential of gas switching chemical looping technology to eliminate the energy penalty of CO2 capture
  • Arnaiz del Pozo, Carlos
  • Jiménez Álvaro, Ángel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2020
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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The growing concern in global warming caused by greenhouse gas emissions (GHG) has triggered substantial research and technology development efforts to curtail CO2 emissions from fossil fuel power plants, responsible of approximately 25% of the total CO2 emissions of the global economy. Coal has the highest carbon intensity of the different energy sources for electricity and heat generation and will remain a significant primary energy source in developing countries in the following decades. Compelling energy solutions with carbon capture and storage (CCS) will be a must to meet the global warming targets. Amongst the different solid fuel power generation technologies, Integrated Gasification Combined Cycles (IGCC) have the potential to reach higher efficiencies with a lower environmental impact than Pulverized Coal Boilers (PCB). Removing the CO2 from exhaust combustion gases in a cost effective manner, with additionally low energy penalty, is a challenge. An alternative pathway to post-combustion CO2 capture is pre-combustion CO2 capture, where the gaseous fuel undergoes a shift reaction to produce a H2 rich carbon free fuel, while the CO2 is removed with absorbents more efficiently and cost effectively as the CO2 is not diluted in the air stream, typically at a higher partial pressure. This capture technology is well suited for IGCC plants where a gasification unit produces a pressurized syngas fuel. However, the energy penalty relative to an Unabated IGCC plant is still significant. This is a critical issue as a lower thermal efficiency leads to larger coal feed to the plant for a given electricity output increasing simultaneously the specific capital costs and the costs associated with fuel production and transportation. Chemical Looping Combustion (CLC) appears as a promising technology to minimize the efficiency loss of carbon sequestration. This capture technology mode is also referred to as inherent carbon capture. In CLC, a metal oxygen carrier is exposed alternatively to a gaseous fuel and an air stream in two interconnected fluidized bed reactors. In the fuel reactor, the oxygen carrier is reduced and the products of combustion (CO2 and H2O) are obtained, which after water condensation, a relatively pure CO2 stream ready for compression and storage is delivered. In the air reactor, the exothermic oxidation reaction takes place, thereby heating the air stream to reactor temperature, suitable for power production in a gas turbine. However, the scale up of interconnected fluidized beds at pressurized conditions (required in power cycles) has been slow. Moreover, the complex hydrodynamics of solids transfer from one reactor to another makes the system have very low flexibility in part load operation of the power cycle. To circumvent these challenges, the gas switching (GS) technology was introduced. In this mode of reactor dynamic operation, the oxygen carrier is kept within the reactor volume, and a set of inlet and outlet valves exposes it to oxidant (air) and reduction (fuel) streams. In order to obtain a time constant averaged flow and temperature to the gas turbine for stable operation, a cluster of reactors is needed. The reactors are operated in bubbling fluidization regime as this has several advantages with respect to a fixed packed bed configuration. Alternative to Gas Switching Combustion (GSC), the Gas Switching Oxygen Production (GSOP) technology utilizes an oxygen carrier capable of releasing free oxygen in the reduction stream, which can be effectively utilized as an oxidant stream of a gasification process. The goal of this Thesis is to determine the potential of gas switching chemical looping technology to eliminate the energy penalty of CO2 capture in IGCC plants, employing GSC and GSOP clusters. The modelling work of this research consists of developing a set of technology blocks that appear in power plant systems based on plausible performances reported in literature and synthesizing different power plant concepts by integrating the technology blocks. The novel power plant concepts are benchmarked against and Unabated IGCC plant and a Pre-combustion CO2 capture IGCC plant, the latter representative of an available and deployable CCS technology. In parallel, flexible power plants for H2 and power co-production integrating GSC and membrane reactors using advanced H-class gas turbine technology are developed, together with suitable plant benchmarks with and without CCS, with the purpose of presenting power plant concepts which can balance variable renewable energy (VRE), a critical aspect for the competitiveness of thermal plants in a future with high renewable penetration. With regards to the modelling of GS technology, a dynamic model is developed and connected to the stationary power plant simulation to obtain inlet stream data from it and deliver time-averaged output operating conditions. The 4E analysis methodology is employed to analyse and benchmark the novel plant configurations. 4E stands for Energy, Environmental, Exergy and Economic. Both Energy and Environmental analysis are performed to all of the synthesized plants. Exergy and Economic analysis have been performed to those plants that revealed a higher potential, depending on the project requirements. It is recognized that substantial technology development is required to reach GS technology deployment. Many material related challenges must be overcome, i.e. the oxygen carrier must have a high mechanical stability and durability through many gas switching reduction and oxidation cycles, achieving a high conversion and preventing any fuel slip through the reduction stage. High temperature valves and filters must be available, to ensure a safe operation of the gas turbine. Furthermore, the reactor temperatures must be maximized in order to attain attractive thermal efficiencies. It is therefore highlighted that this Thesis constitutes and ex-ante assessment of GS technology for CCS, as a forecasting effort of its potential assuming that all technology showstoppers are overcome. ----------RESUMEN---------- La creciente preocupación debida al calentamiento global a causa de los gases de efecto invernadero (GEI) ha causado un incremento considerable de esfuerzos dirigidos a la investigación y al desarrollo de tecnologías para la reducción de emisiones de CO2 en plantas de producción de energía a partir de combustibles fósiles, responsables aproximadamente del 25% del total de emisiones de CO2 en la economía global. El carbón tiene la mayor intensidad de emisiones de CO2 de las diferentes fuentes de energía disponibles para la generación de electricidad y calor y permanecerá siendo una fuente de energía primaria significativa en las próximas décadas en países en vías de desarrollo. Soluciones energéticas efectivas con captura y almacenamiento de CO2 (CAC) serán un requisito indispensable para alcanzar los objetivos de calentamiento climático. Entre las distintas tecnologías de producción de energía a partir de combustibles sólidos, las centrales de Gasificación Integrada y Ciclo Combinado (GICC) tienen el potencial de alcanzar mayores eficiencias con un impacto medioambiental menor que las calderas de carbón pulverizado (CCP). Eliminar el CO2 contenido en los gases de combustión de una forma económica y adicionalmente, con baja penalización energética es un desafío. Una alternativa a la captura post-combustión de CO2 es la captura pre-combustión, en la que un combustible gaseoso experimenta una reacción “shift” para producir un combustible rico en H2, mientras que el CO2 es separado mediante absorbente más eficientemente y con un menor coste ya que el CO2 no está diluido en la corriente de aire, y por tanto se halla a una presión parcial mayor. Esta tecnología de captura está bien adecuada a planta GICC en las cuales una unidad de gasificación produce un gas de síntesis presurizado como combustible. Sin embargo, la penalización energética relativa a una planta GICC sin captura sigue siendo sustancial. Este es un factor crítico ya que una menor eficiencia térmica conlleva an un mayor consumo de carbón para una misma generación de electricidad incrementando simultáneamente los costes capitales específicos de la planta así como los costes asociados a la producción y transporte de combustible. La Combustión por Lazo Químico (CLQ) se presenta como una tecnología prometedora para minimizar la pérdida de eficiencia debida al secuestro de CO2. Esta tecnología de captura también es referida como captura inherente de carbono. En CLQ, un óxido metálico es expuesto alternativamente a un combustible gaseoso y a una corriente de aire en dos reactores de lecho fluidizado interconectados. En el reactor de combustible, el óxido metálico es reducido y se obtienen los productos de combustión que, tras la condensación del agua, permiten lograr una corriente relativamente pura de CO2 para su compresión y almacenamiento. En el reactor de aire, la reacción de oxidación exotérmica tiene lugar, mediante la cual se calienta la corriente de aire hasta la temperatura del reactor, adecuada para la producción de potencia en una turbina de gas. Sin embargo, el desarrollo a gran escala the lechos fluidizados interconectados en condiciones presurizadas (indispensables para los ciclos de potencia) ha sido lenta. Adicionalmente, la compleja hidrodinámica debida al transporte de sólidos de un reactor a otro presenta muy poca flexibilidad cuando el ciclo de potencia opera a cargas parciales. Para evitar estos inconvenientes, surge la tecnología “gas switching” (GS). En este modo de operación dinámica de los reactores, el óxido metálico se mantiene en el volumen de un reactor, y un juego de válvulas de entrada y salida lo exponen a una corriente oxidante (aire) y de reducción (combustible). Para mantener un flujo y temperatura medio constante en el tiempo necesarios para un funcionamiento estable de la turbina, se precisa un “cluster” de reactores, de manera que la adición de las corrientes de salida de cada etapa de los distintos reactores presente un perfil relativamente constante en el tiempo. Los reactores se operan en régimen fluidizado burbujeante, ya que este modo de operación presenta numerosas ventajas frente al lecho fijo. Sin embargo, esto ocasiona un mezclado indeseado de las corrientes de salida de oxidación y reducción al cambiar las válvulas que ocasiona una reducción de la captura de CO2 y en la pureza de los gases de salida de reducción. Alternativamente a la tecnología “Gas Switching Combustion” (GSC), se explora también la tecnología “Gas Switching Oxygen Production” (GSOP), que emplea un óxido metálico capaz de liberar oxígeno en la corriente de reducción, que puede ser usado como agente oxidante en un proceso de gasificación. El objetivo de esta Tesis consiste en determinar el potencial de la tecnología “Gas Switching” de lazo químico para eliminar la penalización energética debida a la captura de CO2 en plantas GICC, empleando clusters GSC y GSOP. El trabajo de modelización de esta investigación consiste en desarrollar una serie de bloques tecnológicos que aparecen en sistemas de generación de potencia basadas en rendimientos razonables obtenidos de la literatura y en sintetizar distintos conceptos de generación de potencia integrando dichos bloques de tecnología. Los conceptos novedosos de plantas son comparados con una planta GICC sin captura y una planta GICC con captura de CO2 mediante pre-combustión, representativa de una tecnología CAC disponible e implementable actualmente. Paralelamente, se desarrollan plantas de potencia flexibles, que coproducen H2 y electricidad integrando tecnología GSC con reactores de membrana y empleando turbinas de gas avanzadas clase H, así como modelos de plantas de referencia análogas, con el propósito de presentar conceptos de plantas térmicas capaces de balancear fuentes de energía renovable variable, un factor crítico para la competitividad de las plantas térmicas en un futuro con una elevada penetración de renovables. Con respecto a la modelización de la tecnología GS, se ha desarrollado un modelo dinámico y se ha conectado a la simulación estacionaria de la planta de potencia, importando los parámetros de las corrientes de entrada y calculando las condiciones de operación promediadas en el tiempo de salida. La metodología de análisis 4E ha sido aplicada para analizar tanto las plantas de referencia como las configuraciones novedosas. 4E se refiere a (análisis) Energético, Emisiones, Exergético y Económico. Tanto el análisis Energético como de emisiones se ha realizado para todas las plantas elaboradas. El análisis Exergético y Económico se han llevado a cabo para aquellas plantas que revelan un mayor potencial, teniendo en cuenta los distintos requisitos del proyecto. Es apreciable que un desarrollo tecnológico sustancial es todavía necesario para que la tecnología GS se convierta en una realidad. Numerosas dificultades relacionadas con los materiales deben acometerse, por ejemplo, el óxido metálico empleado debe presentar suficiente estabilidad mecánica y durabilidad tras muchos ciclos de oxidación y reducción, alcanzando altas conversiones, evitando el escape de combustible en la etapa de reducción. Válvulas y filtros de alta temperatura deben estar disponibles, asegurando una operación estable de la turbina de gas. Más aún, las temperaturas del reactor deben de ser los más elevadas posibles para obtener eficiencias térmicas competitivas. Por lo tanto se hace énfasis en que esta Tesis constituye una evaluación ex ante de la tecnología GS para CAC, como una herramienta para predecir su potencial, bajo la suposición de que las barreras tecnológicas existentes se han superado.

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Item ID: 64632
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64632
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 14 Oct 2020 06:54
Last Modified: 13 Apr 2021 22:30
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