Sulfation Phenomena Under Oxy-Fuel Circulating Fluidized Bed Conditions

Abstract

Oxy-fuel fired circulating fluidized bed combustion (CFBC) provides a means to generate electrical power while reducing anthropogenic CO2 while at the same time reducing the acid-rain precursor, SO2 by utilizing in-situ limestone addition. Although the technology has been around for 30 years, it has only recently been gaining considerable attention, with a handful of pilot-scale units worldwide. Oxy-fuel is largely similar to standard air-fired combustion but differs in a few key respects, one of which is in the elevated concentrations of CO2 and H2O (up to 90% and 30%, respectively). The effects and mechanism of action of these gasses on limestone sulfation have long been a matter of debate in the literature. Using a thermogravimetric analyzer (TGA) and tube furnace (TF), the effects of elevated gas concentrations on the sulfation of limestone are studied using synthetic air-fired and oxy-fired flue gases (SO2: 3800 ppm, CO2: 12.5 – 82.5%, O2: 2.5%, H2O: 0 – 30%) at 850 °C. An explanation is provided for the contradictory findings in the literature in terms of the TGA/TF results. Microstructural analysis of sulphated samples using scanning electron microscopy (SEM), nitrogen adsorption analysis, and helium pycnommetery is used to support a mechanism based on solid-state diffusion. Further TF experiments are used to elucidate the effects and mechanism of action of H2O and CO2 on agglomeration of limestone particles during sulfation under oxy-fuel conditions. Finally, using a pilot-scale oxy-fuel fired CFBC, the observations from the bench-scale experiments are tested in a realistic combustion environment. The effects of elevated CO2 and H2O associated with oxy-fuel combustion of petroleum coke on the catalytic NOX formation over limestone are discussed and related back to the proposed mechanism of action H2O and CO2 on sulphation.La combustion avec de l’oxygène pur (i.e., oxy-combustible) en lit fluidisé circulant (LFC) permet de produire de l'électricité tout en réduisant les émissions anthropiques de CO2 ainsi que le précurseur des pluies acides, du SO2, en utilisant du calcaire de façon in-situ. Bien que la technologie existe depuis 30 ans, il a récemment pris de l'attention avec l’opération de quelques unités à l'échelle pilote dans le monde. La combustion avec de l’oxygène pur est en grande partie semblable à la combustion standard avec de l’air, mais diffère sur quelques points clés, dont l'un est les concentrations élevées de CO2 et H2O (jusqu'à 90% et 30%, respectivement). Les effets et le mécanisme d'action de ces gaz sur la sulfatation du calcaire ont longtemps été un sujet de débat dans la littérature. A l’aide d'un analyseur thermogravimétrique (ATG) et un four tubulaire (FT), les effets de concentrations élevées de gaz sur la sulfatation du calcaire sont étudiées en utilisant des gaz d’échappement typiques de la combustion à l’air et à l’oxygène pur (SO2: 3800 ppm, CO2: de 12,5 à 82,5% , O2: 2,5%, H2O: 0 à 30%) à 850 ° C. Une explication est fournie pour les résultats contradictoires dans la littérature en termes de résultats obtenues avec les ATG/FT. Une analyse microstructurale des échantillons sulfatés utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), l'analyse d'adsorption d'azote et la pycnométrie d'hélium est utilisée pour soutenir un mécanisme basé sur la diffusion à l'état solide. D'autres expériences dans le FT sont utilisées pour élucider les effets et le mécanisme d'action de H2O et CO2 sur l'agglomération des particules de calcaire au cours de la sulfatation dans des conditions d'oxy-combustible. Enfin, en utilisant un LFC à l’échelle pilote, les observations des expériences en laboratoire ont été testés dans un environnement réaliste de combustion. Les effets de concentrations élevées de CO2 et H2O associés à la combustion oxycombustible du coke de pétrole sur la formation catalytique de NOx sur du calcaire sont discutés et reliés au mécanisme proposé de H2O et CO2 sur la sulfatation.