Analyse eines Chemical Looping Combustion-Prozesses mit einem neuartigen, zweistufigen Brennstoffreaktor zur Reduktion der CO2-Emissionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495012431

Im 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen