2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16434Im Vergleich zu üblichen thermischen Kraftwerksprozessen lässt sich mit Chemical Looping Combustion (CLC) reines CO2 ohne eine aufwendige Trennung von Stickstoff und CO2 abscheiden. Am Institut für Feststoffverfahrenstechnik und Partikeltechnologie der Technischen Universität Hamburg wird ein 25 kWth CLC-Reaktor mit zwei Brennreaktorstufen im Pilotmaßstab betrieben. Die zweite Reaktorstufe dient zum höheren Umsatz von Brenngasen. Erfahrungen wurden mit der Verbrennung von Methan und Kohle gesammelt. Kürzlich durchgeführte erste Experimente mit Holz als Brennstoff zeigten sehr hohe Umsatzraten. Durch Biomasse als Brennstoff sollen in der Zukunft negative CO2 Emissionen erreicht werden, welche für das Erreichen des 1,5 Grad Ziels unumgänglich sind. Ziel dieses Projekts ist es, Holzpartikel, Klärschlamm, landwirtschaftliche Abfälle und torrefizierte Biomasse als Brennstoff am zweistufigen 25 kWth CLC-System zu untersuchen. Aufgrund der verschiedenen Zusammensetzungen der Brennstoffe wird eine genaue Untersuchung der verschiedenen Reaktionsmechanismen und Optimierung der Betriebsbedingungen der Pilotanlage durchgeführt. Hierbei werden auch Prozessdynamiken wie das An- und Abfahren sowie Ladungsänderungen untersucht. Weiterhin soll ein neues Reaktorkonzept entwickelt werden: Die Brennstoffreaktorstufen werden durch eine Strahlschicht mit einem ringförmigen Gaseinlass ersetzt um niedrigere Druckverluste zu erreichen, welche wichtig für zukünftige Scale-ups sind. Die experimentellen Untersuchungen werden weiterhin zur Validierung und Erweiterung eines Modells in der Open-Source-Fließschemasimulationsumgebung DYSSOL (Dynamic Simulation of SOLids Processes) verwendet, das dann zukünftig zur Auslegung und Optimierung neuer Anlagenkonfigurationen genutzt werden kann. DYSSOL wurde im DFG Schwerpunktprogramm (SPP1697) mit insgesamt 27 Teilprojekten deutschlandweit entwickelt und 2020 veröffentlicht. Der Fokus dieser Arbeit liegt sowohl auf der Formulierung der Enthalpiebilanzen als auch eines Moduls zur Verbindung von DYSSOL mit einer Software zur CFD Simulation mit der multiphase particle-in-cell Methode. Zuletzt wird eine Fließschemasimulation einer gesamten hypothetischen 100 MWth bio-CLC-Anlage im industriellen Maßstab durchgeführt. Hier wird erstmals der gesamte Prozess mit den Strömungsmechaniken und den chemischen Reaktionen einschließlich Vergasung und Entgasung von Biomassepartikeln in eine Simulation einbezogen. Experimente mit Biomasse im Pilotmaßstab sowie numerische Simulationen im industriellen Maßstab sind für die Entwicklung und Auslegung zukünftiger Anlagen im größeren Maßstab unerlässlich. Diese Arbeiten sollen aufzeigen, inwieweit CLC ein potenzieller Kandidat für den zukünftigen Einsatz für Bioenergie mit anschließender CO2 Abscheidung und Speicherung ist.Compared to conventional thermal power plant processes, Chemical Looping Combustion (CLC) enables an inherent CO2 capture without the need for costly separation of N2 and CO2. At the Institute of Solids Process Engineering and Particle Technology at Hamburg University of Technology, a 25 kWth pilot-scale CLC reactor with two combustion reactor stages is being operated. The second reactor stage enables higher conversion of volatile fuel gases. Experience has been gained with the combustion of methane and coal. Recently conducted first experiments with wood as fuel showed very high conversion rates. In the future, negative CO2 emissions, which are unavoidable for reaching the world’s 1.5 °C climate targets, should be achieved by using biomasses as a fuel. The aim of this project is to investigate wood particles, sewage sludge, agricultural waste and torrefied biomass as fuel in the two-stage 25 kWth CLC system. Due to the different compositions of the fuels, a detailed investigation of the different reaction mechanisms and optimization of the operating conditions of the pilot plant will be performed. Process dynamics such as start-up and shut-down as well as load changes will be investigated. Furthermore, a new reactor concept will be developed: The fuel reactor stages will be replaced by a spouted bed with an annular gas inlet to achieve lower pressure losses, which are essential for future scale ups. The experimental investigations will also be used to validate and extend a model in the open-source flowsheet simulation environment DYSSOL (Dynamic Simulation of SOLids Processes), which can then be used in the future to design and optimize new plant configurations. DYSSOL was developed in the DFG priority program (SPP1697) with a total of 27 subprojects across Germany and published in 2020. The focus of this work is on the formulation of enthalpy balances as well as an interface to connect DYSSOL and a software for CFD multiphase particle-in-cell method simulation. At last, a flowsheet simulation of an entire hypothetical 100 MWth industrial scale bio-CLC plant will be performed. Here for a first time, the whole process with the hydrodynamics and the chemical reactions including gasification and devolatilization of biomass particles will be included into one simulation. Pilot-scale biomass experiments and industrial-scale numerical simulations are essential for the development and design of future larger scale facilities. This work will evaluate if CLC is a potential candidate for future use for bioenergy with carbon capture and storage.