Possibilities and Challenges of Using Combined Manganese Oxides as Oxygen Carriers

Doctoral thesis, 2018

Den ökande koncentrationen av växthusgaser i atmosfären ger upphov till klimatförändringar och en ökad medeltemperatur på jorden. Sambandet mellan en ökad medeltemperatur och halten koldioxid i atmosfären har tydligt kunnat påvisas. Detta kommer oundvikligen att skada ekosystem och ge förändrade levnadsvillkor för människor i många delar av världen. En övervägande del av utsläppen av koldioxid kommer från förbränningen av fossila bränslen, som kol, olja och naturgas. En stor del av förbränningen av fossila bränslen sker i större anläggningar, där möjligheten finns att fånga in koldioxiden och komprimera den för lagring i den sedimentära berggrunden, istället för att släppa ut den i atmosfären. Detta tillvägagångssätt kallas koldioxidavskiljning och -lagring.

Vid konventionell förbränning är koldioxiden i rökgaserna uppblandad med kväve från förbränningsluften. När koldioxiden ska komprimeras och lagras krävs att den håller en mycket hög renhet och då måste den avskiljas från övriga rökgaser. Denna separation av gaser är väldigt energikrävande och därmed mycket kostsam. Med den nya, innovativa förbränningsmetoden kemcyklisk förbränning (Chemical-Looping Combustion) går det att undvika separation av gaser och alltså slippa denna energiförlust.

I kemcyklisk förbränning är förbränningsluften och bränslet helt separerade från varandra och matas in i två olika förbränningskammare. Mellan dessa två kammare cirkuleras en metalloxid som oxideras av syret i luften i den ena kammaren. När den oxiderade metalloxiden förs över till bränslet i den andra kammaren, kan detta förbrännas med syret som finns i metalloxiden. Dessa metalloxider kallas för syrebärare, eftersom de flyttar syret från luften till bränslet i fast form utan att dessa blandas. På så vis kommer rökgaserna ut från bränslekammaren endast att bestå av koldioxid och vattenånga vid fullständig förbränning. Vattenångan kan enkelt kondenseras bort och då återstår endast koldioxid som kan komprimeras och skickas till lagring. Kemcyklisk förbränning sker oftast i två ihopkopplade fluidiserade bäddar, där syrebäraren cirkulerar i form av små partiklar – ungefär lika stora som sandkorn.

I undersökningarna som presenteras i denna avhandling har olika manganoxider prövats som syrebärare i kemcyklisk förbränning. Mangan har kombinerats med andra metaller som järn, kalcium och kisel för att förbättra de kemiska egenskaperna. Materialen har utvärderats med avseende på kemisk reaktivitet, fluidiseringsegenskaper och mekanisk hållfasthet. Resultaten visar att flera av de undersökta materialen kan anses vara lämpliga som syrebärare i kemcyklisk förbränning.