Attrition Resistance of CaO-CuO-Cem Powder for CO2 Capture in Calcium Looping Processes

La demande mondiale pour les combustibles fossiles continue d'augmenter, et les préoccupations concernant l'émission de gaz à effet de serre et autres problèmes connexes n'ont jamais été aussi élevées. La recherche de solutions au réchauffement climatique a reçu l'attention souhaitée et plusieurs technologies ont été développées. L'utilisation de solutions amines en tant qu'absorbant est maintenant disponible au niveau commercial, mais les coûts et les conséquences environnementales en limitent le déploiement. Les cycles à boucle de calcium (carbonate looping, CaL) sont également en développement, mais le recours à une unité de séparation de l'air très onéreuse pour la production d'oxygène pur est nécessaire. Pour résoudre ces inconvénients, nous suggérons l'utilisation des technologies de solutions amines et des cycles impliquant des composés à base de carbonate de calcium (CaL) à capture de carbone ainsi que les techniques de séquestration. Canmet Énergie a synthétisé un nouveau sorbant (CaO-CuO-ciment) qui permet d'intégrer les cycles à carbonate (CaL) à la combustion en boucle chimique (chemical looping combustion, CLC) pour l'utilisation dans des réacteurs à lit fluidisé. Ce couplage permet de circonscrire le besoin d'une unité de séparation de l'air. En vue de son utilisation, ce nouveau absorbant doit présenter une excellente tenue mécanique lorsqu'il est fluidisé. L'attrition des particules de l'absorbant survient en raison des collisions entre particules et avec les parois des réacteurs (en particulier dans les régions où des jets à haute vitesse sont présents). Peu d'essais d'attrition sont mentionnés dans la littérature pour des températures de 500 C. Nous proposons une étude permettant de simuler les conditions causant l'attrition des particules dans des réacteurs à lit fluidisé lors de cycles à calcium, incluant des essais menés à 800 C. La composition d'un absorbant est critique pour sa tenue mécanique dans de telles conditions. Nous avons mesuré le taux d'attrition pour quatre compositions d'absorbants dans un montage de taille industrielle et comparé celui-ci à celui d'échantillons de calcaire extrait à partir du minerai de cadomin ainsi que deux catalyseurs commerciaux : le pyrophosphate de vanadyle (VPO) et le craquage catalytique fluide(FCC). Nous avons étudié l'effet de différents paramètres d'exploitation, telle que la vitesse du gaz dans l'orifice comprise entre 180ms−1 to 240ms−1, la masse volumique du gaz de fluidisation (air, dioxyde de carbone et hélium), la calcination (absorbant calciné 800 C durant 2 heures) ainsi que la température (23 C, 500 C 800 C). L'effet de la conception du système sur l'attrition a également été analysé, telle que le diamètre de l'orifice (0.39, 0.45 et 0.5mm ) de même que la composition de l'absorbant. Dans chacun des essais, un échantillon de 20 g de poudre a été inséré dans un cylindre métallique puis de l'air passe à travers des orifices de dimensions interchangeables : des orifices de 0.39, 0.45 et 0.5mm forés dans une plaque métallique permettant des vitesses de gaz entre 180ms−1 à 240ms−1 à des températures de 23 C, 500 C et 800 C ont été utilisés. La vitesse élevée du gaz influence la performance de l'absorbant ainsi que les contraintes mécaniques prédites sur les buses de barboteurs et la plaque de grille dans les réacteurs commerciaux à lit fluidisé. Les fines particules créées par l'attrition sont élutriées sur un tube d'une longueur de de 1.7 m et collectées dans un filtre, puis pesées. Le taux d'attrition vi du VPO et du FCC à une vitesse de gaz de 180ms−1 sont de 5 et 7 mgh−1, respectivement, alors que ce taux s'élève à 10 mgh−1 dans le cas du CaO40−CuO50−cem10. Le CaO90cem10 présente une résistance à l'attrition 1.3 fois supérieure à celle du CaO40CuO50cem10. Ces résultats démontrent qu'un ajout de 10% de ciment augmente la résistance à l'attrition d'un facteur 1.5 par rapport au calcaire de Cadomin. Dans le cas des essais à des températures de 500 C et 800 C, le taux de génération des particules fines pour le CaO40CuO50Cem10 n'a augmenté que de 6 %, probablement en raison de l'agglomération de celles-ci. Pour les mêmes températures, le taux de génération des particules fines a quasiment doublé pour le CaO90Cem10. Le taux de génération de particules fines varie de façon linéaire avec le débit de gaz et selon le carré du diamètre de l'orifice.

Abstract

The global demand for fossil fuels continues to increase and concerns over emission of greenhouse gases and their associated problems has never been greater. Search for solutions to global warming has received the needed attention and several technologies are under developed. Use of amine based liquid adsorbents are commercially available but cost and environmental consequences limit their frequent deployment. Calcium looping (CaL) is also under development but an expensive air separation unit is required. We need a technology that overcomes deficiencies in the use of amine based and CaL carbon capture and sequestration techniques. Canmet Energy have synthesized novel sorbent, CaO−CuO−Cem with different compositions based on mass fraction, that integrates calcium looping (CaL) and chemical looping combustion (CLC) for fluidized bed applications with the view to eliminate the air separation unit. The first criterion in accepting this sorbent is to ensure that it does not degrade mechanically during fluidized bed operation due to particle-particle and particle-containing vessel (at high velocity jetting regions) collisions . Attrition test has been reported at temperature of 500 C. We present an extensive attrition study that simulates all possible conditions in fluidized bed during calcium looping including tests at 800 C. A sorbent composition that optimizes attrition resistance is needed. We have measured the attrition resistance of four compostions of the sorbent CaO-CuO-Cem in an industrial scale jet mill and compared them with those of crushed cadomin limestone and two other commercial catalysts: vanadyl pyrophosphate (VPP) and fluid catalytic cracking (FCC). We studied the effect of orifice gas velocity (180ms−1 to 240ms−1), fluidizing gas density (air, CO2 and He), calcination (calcined sorbent for 2 h at 800 C) and temperature (23 C, 500 C and 800 C). The effect of system design such as orifice diameter (0.39 mm, 0.45mm and 0.5mm) as well as sorbent composition have also been investigated. In each test, we charged 20 g of powder to a metal cylinder and passed air through an interchangeable single orifice of varying diameter: 0.39 mm, 0.41mm and 0.5mm drilled through a metal plate. The high velocity gas impinged on the sorbent, which mimicked the expected mechanical stresses at the nozzles of spargers and grid plate in commercial fluidized bed reactors. Attrited fines elutriated through a 1.7m long tube and collected in a thimble filter. The attrition rates of VPO and FCC at at 23 C and orifice gas velocity of 180ms−1 were 5 mgh−1 and 7mgh−1 respectively; it was 10 mgh−1 for the CaO40−CuO50−Cem10 sorbent. CaO90−Cem10 was 1.3 times more resistant compared with CaO40−CuO50−Cem10. These results show that 10% cement increased attrition resistance of novel sorbent by 50% as compared with base natural cadomin limestone. Due to agglomeration, rate of fines generation for CaO40−CuO50−Cem10 remained essentially constant when temperature was increased from 500 C to 800 C. Over the same temperature range of 500 C to 800 C, rate of material loss from CaO90−Cem10 almost doubled.