Spårämneskemi med syrebärare

Forskningsprojekt, 2018 – 2020

I detta forskningsprojekt behandlas en ny förbränningsteknik där luft och bränsle inte blandas. Kemcyklisk förbränning (CLC) använder istället metalloxider för att transportera syret till bränslet. Denna typ av oblandad förbränning kan ha stora fördelar när man vill minska utsläpp av olika miljöfarliga ämnen. Processen består av två reaktorer och bränsleomvandlingen sker i reaktorn med minst gasflöde, den så kallade bränslereaktorn. Detta innebär att i princip alla ämnen som frigörs när bränslet omvandlas kommer att hamna här, men i mer koncentrerad form jämfört med i vanlig förbränning. Detta kan ha positiva konsekvenser eftersom den andra reaktorn, den större luftreaktorn där värmen utvecklas, då kan bli fri från dessa ämnen. De bör då inte bidra till beläggningar på, eller korrosion av, värmeöverförande tuber, ett vanligt och stort problem i vanliga biobränsleeldade kraftverk. Dessutom bör det vara lättare att rena en koncentrerad ström av gaser, jämfört med en gasström utspädd med luft, som i vanlig förbränning. Tekniken är mycket bra för att fånga in koldioxid eftersom man kan undvika höga kostnader och energiförluster för gas-separation. Koldioxiden, som inte bör släppas ut eftersom det är en växthusgas som bidrar till klimatuppvärmningen, kan sen lagras eller användas. Men processen är mycket lämplig även för att minska utsläpp av andra ämnen, t.ex. svavel- och kväveoxider samt spårämnen. Processen har till stor del utvecklats vid Chalmers de senaste nitton åren och det var här tekniken demonstrerades för första gången 2003. Vi har en stor infrastruktur kopplat till denna forskning, med anläggningar från några W till MW i skala. Genom försök med olika bränslen har vi på ett systematiskt vis visat att tekniken fungerar och är lätt att skala upp. Alla komponenter finns i princip tillgängliga i vanliga fluidiserade bäddpannor, vanligt förekommande i Sverige och i övriga världen för förbränning av fasta bränslen. I en variant av kemcyklisk förbränning används syrebärarpartiklar i stället för sand i vanlig fluidiserad förbränning. Här sker samma underliggande reaktioner med syrebärare som i CLC, men dessa sker i samma reaktor. Denna teknik (Oxygen Carrier Aided Combustion eller OCAC) används redan idag i stora fluidiserade förbränningsanläggningar, och där har man sett att tekniken resulterar i mindre emissioner av kväveoxider och kolmonoxid, samt mindre korrosion. Eftersom fossila bränslen måste fasas ut så fort som möjligt, är det högst sannolikt att en viktig del av vårt framtida energisystem kommer använda energigrödor och olika slags avfall. Då dessa bränslen ofta är helt eller delvis biogena, kan de ses som en del i ett framtida hållbart energisystem. Emellertid innehåller dessa bränslen ofta höga halter av spårämnen, t.ex. tungmetaller som Cd, Hg eller Pb. Kemcyklisk förbränning utgör banbrytande teknik för att elda dessa typer av bränslen eftersom: i) det låga gasflödet i bränslereaktorn är optimalt för reningssteg och ii) metalloxiderna reagerar sannolikt med många spårämnen. Det sistnämnda kan betyda att askan i detta system blir renare än för vanlig förbränning, vilket är en fördel om man avser att återvinna andra askkomponenter till naturen. Om koldioxiden tas tillvara skulle man således få en mycket ren förbränningsteknik, för både klimat och miljö. I detta forskningsprojekt kommer spårämneskemin med syrebärare att studeras. En doktorand kommer att forska kring hur viktiga spårämnen och vanliga syrebärare kan reagera i en förbränningsmiljö. Vidare kommer använda syrebärarpartiklar och aska från pilot och kommersiella CLC/OCAC anläggningar att studeras med ett stort antal analysmetoder. Genom att kombinera termodynamiska och experimentella undersökningar hoppas vi kunna besvara frågor som: i) Vad händer med spårämnena i bränsle och luftreaktorn ii) Reagerar spårämnen med syrebärarna, iii) Vad händer om man ändrar temperatur, typ av syrebärare eller gasomgivningen, iv) Vilka faser förekommer spårämnena i efter förbränningen? Med detta forskningsprojekt ämnar vi vidareutveckla dessa unika tekniker med stor potential att inte bara minska utsläppen av koldioxid till atmosfären utan även begränsa utsläpp av hälsofarliga ämnen.