CO2-udledningen fra kraftværkerne skal reduceres, og forbrænding af kul og biomasse i ren ilt og recirkuleret røggas kan være et vigtigt bidrag.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 10, 2009 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Jacob Brix, Maja Bøg Toftegaard, Peter Arendt Jensen, Peter Glarborg og Anker Degn Jensen, Institut for Kemiteknik, DTU
Udledningen af CO2 til atmosfæren er mistænkt for at være skyld i temperaturstigninger på jorden. Kraftværkerne er blandt de store CO2-udledere, da de anvender store mængder af fossile brændsler, i Danmark især kul. Selvom udnyttelsen af biomasse i kraftværkerne er stigende, og en stor forsknings- og udviklingsindsats i disse år bliver sat ind på nye teknologier såsom vindkraft og solvarme, vil afhængigheden af fossile brændsler til el- og varmeproduktion formentlig være til stede i de næste mange årtier.
For at imødegå de udfordringer dette indebærer, er DTU Kemiteknik involveret i flere projekter sammen med DONG Energy, Vattenfall, Mærsk Olie og Gas samt et internationalt netværk af universiteter og virksomheder gennem EU’s Kul- og Stålforskningsfond. Målet er, at undersøge mulighederne for at opfange CO2’en fra værkernes røggas med henblik på at deponere den i undergrunden [1]. Udviklingen af oxy-fuel teknologien kan bidrage til at nå dette mål.
Oxy-fuel kraftværket
På figur 1 ses en principskitse af et oxy-fuel kraftværk. Den væsentligste forskel fra et konventionelt luftblæst kraftværk er, at ilt skilles fra luft i et kryogent iltanlæg før forbrændingen. På den måde undgås den fortynding af CO2, tilstedeværelsen af nitrogen medfører.
For at undgå for høje temperaturer i kedlen, og for at have et medie, der kan transportere forbrændingsvarmen, recirkuleres en del af røggassen. Det bevirker, at den opkoncentrerede røggas, der fjernes fra processen, hovedsageligt består af H2O og CO2. Efter kondensering af vanddampen, hvor mange af de uorganiske sporelementer såsom svovl- og klorforbindelser også fjernes, kan CO2’en oprenses for til sidst at blive komprimeret og sendt til opbevaring i velegnede reservoirer, f.eks. tomme gas- og oliefelter, saline akviferer (porøse geologiske formationer med mættet saltvand i poresystemet) eller kullejer, der ikke egner sig til minedrift [2]. En principskitse af forsynings- og deponeringsnetværket, der er tilknyttet et oxy-fuel kraftværk, er vist på figur 2. Ved denne form for opbevaring kan CO2’en ligge i tusinder af år uden at skade jordens klima [2]. Bruges oxy-fuel teknologien på kraftværker, der forbrænder biomasse, er nettoeffekten, at CO2 trækkes ud af atmosfæren, da planterne ved fotosyntesen forbruger CO2 under deres vækst.
Hvis jordens anslåede kapacitet til CO2-deponering udregnes på baggrund af udledningen fra energiproduktion i 2001, rækker de kendte lagre ca. 100-320 år [2]. Det betyder, at miljørigtige teknologier, der i dag ikke er i stand til at forsyne jordens befolkning med el og varme, kan nå at modnes.
Der er flere tekniske udfordringer, der skal løses, før et oxy-fuel kraftværk kan bygges i industriel skala. Selvom oxy-fuel kraftværkets bærende principper, med forbrænding i høje iltkoncentrationer og recirkulering af røggas, er kendt fra glas- og stålindustrien [3], er skalaen, der kræves for energiproduktion, meget større. Den beregnede mængde af ilt, der kræves for at drive et 2000 MW kulfyret oxy-fuel kraftværk, der leverer CO2’en til en rørledning ved højt tryk, er således 40.000 tons/dag, hvilket skal ses ift. nutidens kryogene iltanlæg, der har kapaciteter op til ca. 3.500 tons/dag [3]. Selv for danske anlægsstørrelser på 400-650 MW vil kapaciten af de nuværende iltanlæg betyde, at flere skal bruges parallelt. Den meget store mængde ilt giver ikke kun praktiske udfordringer, den fordyrer også driften af kraftværket mærkbart. Sammen med energien der bruges ved kompressionen af CO2’en anslås det store behov for ren ilt at fordyre driften med ca. 9% point ift. et konventionelt luftblæst anlæg [4].
Spildevandshåndtering er en anden teknisk udfordring, da den kondenserede vanddamp vil være meget sur pga. svovlsyre og saltsyre, der dannes fra røggassens uorganiske komponenter. De præcise krav til CO2-rensning før tryksætning og opbevaring er heller ikke kendt, da emissionsmålinger fra storskala forsøgsanlæg og sikkerhedsstandarder endnu ikke er tilgængelige. De manglende forbrændings- og emissionsdata gør det også vanskeligt at forudsige korrosionen i anlægget. Askesammensætningen er ligeledes vigtig, da flyveaske anvendes i cement- og betonproduktion. Risikoen for forringede askeegenskaber skal derfor undersøges nærmere.
Når N2 skiftes ud med CO2 som den dominerende gaskomponent ændres gasfasens termiske egenskaber. Derfor er der arbejdet meget med hvilken iltkoncentration, der er nødvendig, for at opnå en tilfredsstillende varmeprofil i kedlen. Dette er især vigtigt, hvis teknologien skal bruges til at rekonstruere eksisterende anlæg. Forskningslitteraturens resultater viser generelt sammenlignelige varmeprofiler i luftblæst forbrænding og i oxy-fuel forbrænding med en iltkoncentration på omkring 30 vol.% i sidstnævnte [4]. Det er dog stadig vigtigt at kortlægge udbrændingskinetikken af koksen i oxy-fuel kedler.
Som afslutning på de tekniske udfordringer, der er forbundet med oxy-fuel forbrænding, skal det understreges, at processens bærende ide, skabelsen af et N2-frit miljø, kun lader sig gøre, hvis hele anlægget er tæt.
Igangværende arbejde
DTU Kemiteknik undersøger i øjeblikket flere aspekter ved oxy-fuel forbrænding af både biomasse og kul, herunder aske- og belægningskemi, NOx-emission og udbrændingskinetik. Forsøg med henblik på bestemmelse af udbrændingskinetik udføres med kul i instituttets fastbrændselsreaktor ved forskellige temperaturer og iltkoncentrationer med både N2 og CO2 som bæregasser. Forsøg med henblik på bestemmelse af aske- og belægningskemi samt udbrænding som funktion af iltkoncentration, iltoverskud og røggassammensætning bliver udført i instituttets swirlbrænder med både kul og biomasse som brændsel. Begge disse reaktorer er konstrueret til at simulere suspensionsfyringen i et kraftværk. Målinger af NOx-emissioner foregår i begge de ovennævnte reaktorer samt i en laboratorieskala fixed bed-reaktor.
Forsøgene i fastbrændselsreaktoren viser en betydelig reduktion af NOx-emissionen under oxy-fuel forbrænding, hvilket er i overensstemmelse med litteraturen [5,6]. Grunden til den lavere NOx-emission er endnu ikke kortlagt, men både heterogene og homogene reaktioner tænkes at spille ind. Swirlbrænder-forsøgene er i skrivende stund under udarbejdelse og færdigbehandlede data er derfor endnu ikke tilgængelige.
Forsøg udført i fastbrændselsreaktoren viser ingen synlig forskel i koksens udbrændingshastighed, når N2 udskiftes med CO2 ved samme temperatur og iltkoncentration. Et eksempel på udbrændingsprofiler for koks er vist i figur 3. Omsætningsgraden, X, er den fraktion af koksens brændbare komponenter, der ved en given opholdstid i reaktoren, t, er forbrugt.
Der findes divergerende målinger i litteraturen om, hvorvidt CO2-forgasning, vist i reaktion 1, bidrager positivt til koksomsætningen. Nogle forfattere finder et bidrag [7], mens andre konstaterer, at reaktion 1 forløber for langsomt sammenlignet med reaktionen med O2 [8]:
I nærværende forsøgskampagne er der ved høje temperaturer og lave iltkoncentrationer, betingelser der ville forventes at synliggøre forgasningsreaktionen, ikke fundet beviser for dens bidrag til koksomsætningen. Derimod er det blevet klart, at ændringer foranlediget af forskellen i fysiske egenskaber mellem N2 og CO2, her især ilts evne til at diffundere i gassen, har en betydning for omsætningshastigheden af koksen ved disse betingelser. I CO2, hvor ilten diffunderer langsommere end i N2 (ca. 22%), ses en lavere omsætningshastighed af koksen. Det skyldes, at reaktionshastigheden ved disse betingelser er begrænset af ilttilførslen til partiklerne, hvilket er betingelser, der også optræder i en kraftværkskedel.
Fremtidigt arbejde
DTU Kemiteknik fortsætter sammen med sine partnere arbejdet med at udvikle oxy-fuel teknologien i de kommende år. Swirlbrænder-forsøgene er sat i gang, og resultaterne vil være med til at klargøre omfanget af de problemer, som indførelse af oxy-fuel teknologien på eksisterende kraftværker kan medføre. Der vil også blive udført flere forsøg, som vil bidrage til en klarlægning af, hvad der styrer NOx-emissionen fra oxy-fuel forbrænding. Udviklingen af modeller, der kan simulere både NOx-emission og koksudbrænding er vigtige for design og konstruktion af oxy-fuel kedler. Dette modelarbejde pågår sideløbende med forsøgsarbejdet.
Referencer
1. Kristensen, H., Ejlertsen, L., Fosbøl, P., Kiørboe, L., von Solms, N., Fjernelse af Kuldioxid fra Røggasser – Historien om Opbygningen af et Forsøgsanlæg på DTU, Dansk Kemi, nr. 2, 2009, 10-13
2. Figueroa, J. D., Fout, T., Plasynski, S., McIlvried, H., Advances in CO2 Capture Technology-The U.S. Department of Energy’s Carbon Sequestration Program, Int. J. Greenhouse Gas Control, vol. 2, 2008, 9-20
3. Blomen, E., Hendriks, C., Neele, F., Capture Technologies: Improvements and Promising Developments, Energy Procedia, vol. 1, 2009, 1505-1512
4. Buhre, B. J. P., Elliot, L. K., Sheng, C. D., Gupta, R. P., Wall, T. F., Oxy-Fuel Combustion Technology for Coal-Fired Power Generation, Prog. Energy Combust. Sci., vol. 31, 2005, 283-307
5. Liu, H., Okazaki, K., Simultaneous Easy CO2 Recovery and Drastic Reduction of SOx and NOx in O2/CO2 Coal Combustion with Heat Recirculation, Fuel, vol. 82, 2003, 1427-1436
6. Liu, H., Zailani, R., Gibbs, B. M., Comparisons of Pulverized Coal Combustion in Air and in Mixtures of O2/CO2, Fuel, vol. 84, 2005, 833-840
7. Rathnam, R. K., Elliot, L. K., Wall, T. F., Liu, Y., Moghtaderi, B., Differences in Reactivity of Pulverized Coal in Air (O2/N2) and Oxy-Fuel (O2/CO2) Conditions, Fuel Process. Technol., vol. 90, 2009, 797-802
8. Várhegyi, G., Szábo, P., Jakab, E., Till, F., Richard, J.-R., Mathematical Modeling of Char Reactivity in Ar-O2 and CO2-O2 Mixtures, Energy Fuels, vol. 10, 1996, 1208-1214
figurtekster.
Figur 1. Principskitse af oxy-fuel anlæg med våd recirkulering af røggas. Anlægget ville også kunne recirkulere tør røggas, hvis røggassen i stedet tages efter tørringen.
Figur 2. Principskitse for forsynings- og deponeringsnetværket tilknyttet et oxy-fuel kraftværk.
Figur 3. Koksomsætningsprofiler opnået ved 1100oC og en iltkoncentration på ca. 6 vol.%. To separate forsøgsserier er vist for forbrænding i N2 og CO2.
