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Title
Modelling analysis of fluidised bed reactor systems for chemical-looping combustion / Bernhard Kronberger
AuthorKronberger, Bernhard
CensorHofbauer, Hermann ; Steinbrecht, Dieter
Published2005
DescriptionV, 122 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2005
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (GND)Wirbelschichtreaktor / Verbrennung / Methode / Oxide / Modellierung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-17043 Persistent Identifier (URN)
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Modelling analysis of fluidised bed reactor systems for chemical-looping combustion [6.22 mb]
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Abstract (German)

Die vorliegende Dissertation umfasst Forschungsarbeiten an der Weiterentwicklung einer neuartigen Verbrennungstechnologie, dem Chemical-Looping Combustion (CLC). Das CLC Verfahren basiert auf Sauerstoffbereitstellung für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen durch feste Oxide. In einem zyklischen Verfahren werden die Oxide in einem separaten Oxidationsprozess wieder bis zur ursprünglichen höheren Oxidationstufe aufoxidiert. Hauptmerkmal des Verfahrens ist die Bereitstellung eines weitgehende reinen CO2 Abgasstromes, der für nachfolgende Sequestrierung zur Verfügung steht. In der Arbeit werden Untersuchungen von für das Design einer CLC Apparates wichtigen Aspekten dargestellt. Diese umfassen die Weiterentwicklung von Sauerstoffträgermaterialien, Arbeiten zur Fluiddynamik der Wirbelschichtreaktoren, zu Thermodynamik und Prozesssimulation sowie eine umfassende Beurteilung der CLC Technologie.

Thermodynamische Untersuchungen zeigen, dass für die Metalloxide Fe, Cu, Ni und Mn und für akzeptable Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Reaktoren ein Sauerstoffträgermassenstrom von etwa 0.005kg.s-1.kW-1 zur Verbrennung von Erdgas bzw. Synthesegas aus Kohle ausreicht.

Designkonzepte verschiedener Maßstäbe werden dargestellt und mathematische und experimentelle Modellierung der Fluiddynamik bestätigen deren Eignung für die jeweils geplante Anwendung. Aspekte der Maßstabsvergrößerung des Verfahrens werden analysiert und das Potential von CLC hinsichtlich des möglichen Einsatzes als weitestgehend saubere und effiziente Technologie zur Energieumwandlung aus fossilen Brennstoffen bewertet.

Abstract (English)

This thesis conveys the research work carried out for the further development of a novel combustion technology known as chemical-looping combustion (CLC). The CLC concept is based on the transfer of oxygen from solid oxide materials in a reducing atmosphere of gaseous fuels. In a cyclic fashion those oxide materials are recycled in a separate oxidation stage, wherein they are re-oxidised to their original state for re-use. The key feature of this process is its ability to produce an essentially pure CO2 stream that is ready for sequestration.

The work focuses on specific aspects of the design of a CLC reactor system, such as the development of the oxygen carrier material, investigation of fluid dynamics of the fluidized bed reactor system, thermodynamics and process simulation and an integrated assessment of the CLC technology.

Thermodynamic investigations reveal that for oxides of the metals Fe, Cu, Ni, and Mn, and for reasonable small temperature differences between the two reactors, an oxygen carrier mass flow of about 0.005kg.s-1.kW-1 is sufficient for common gaseous fossil fuels. The designs of CLC reactor concepts at different scales are outlined and mathematical and experimental modelling of fluid dynamics show the suitability of the concepts for the planned applications. Technology scale-up issues are analysed and the potential of CLC as a possible key process for the continued use of fossil fuel resources as clean and efficient energy sources is evaluated.

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