Possibilities and Challenges of Using Combined Manganese Oxides as Oxygen Carriers
Doktorsavhandling, 2018

One alternative proposed to reduce greenhouse gas emissions is carbon capture and storage, where the carbon dioxide emitted from large point sources is captured, compressed and stored in underground geological formations. Many of the largest point sources of carbon dioxide are power plants and industries fuelled by fossil fuels or biomass. There are several technologies for adapting the combustion process to capture carbon dioxide and chemical-looping combustion is one such option. It has the advantage of keeping the fuel and the combustion air apart, thus avoiding energy consuming and costly separation of carbon dioxide and nitrogen. This is achieved by transferring oxygen from the air to the fuel by a cyclic oxidation and reduction of a solid metal oxide.

The oxygen-carrier material needs to meet several requirements in order to achieve an efficient combustion process. Manganese oxides have promising properties as oxygen-carrier material and these can be further improved by combining manganese with for example iron, silica and calcium. Chemical-looping combustion is mainly developed as a technology for fluidised-bed combustion, with the oxygen carrier present as bed material in the form of small particles. To perform well in a circulating fluidised bed, the oxygen carrier needs to be mechanically stable as well as have good reactivity with the fuel.

The work presented in this thesis examines the performance of manganese combined oxides as oxygen carriers in chemical-looping combustion units and in a conventional circulating fluidised bed. The operation has been carried out in two reactor systems with gaseous fuels and in a large-scale biomass boiler, in which the properties of the materials have been evaluated. It has been shown that full conversion of the fuel can be achieved in chemical-looping combustion with calcium manganites as oxygen carrier. Furthermore, combined oxides of iron-manganese-silica and manganese-silica have been examined. High fuel conversion was achieved with both combined oxide systems, but the mechanical stability of these materials was poor. It was found that the mechanical stability of combined oxides of manganese-silica could be improved by adding titania to the material. Interactions between a manganese ore and biomass ash were studied and it was found that ash components accumulated in the particles during operation in the biomass boiler. The reactivity of the ore decreased during operation which could be an effect of deactivation by the ash elements.

carbon capture

combined oxides

manganese oxides

oxygen carriers

manganese ores

chemical-looping combustion

HB1
Opponent: Professor Tobias Pröll, Universität für Bodenkultur Wien, Austria.

Författare

Malin Hanning

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik, Energiteknik 1

CaMn0.9Mg0.1O3-δ as Oxygen Carrier in a Gas-Fired 10 kWth Chemical-Looping Combustion Unit

Industrial & Engineering Chemistry Research,; Vol. 52(2013)p. 6923-6932

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Investigation of a calcium manganite as oxygen carrier during 99 h of operation of chemical-looping combustion in a 10 kWth reactor unit

International Journal of Greenhouse Gas Control,; Vol. 53(2016)p. 222-229

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Combined Oxides of Iron, Manganese and Silica as Oxygen Carriers for Chemical-Looping Combustion

Fuel Processing Technology,; Vol. 124(2014)p. 87-96

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Chemical-looping combustion using combined iron/manganese/silicon oxygen carriers

Applied Energy,; Vol. 157(2015)p. 330-337

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Performance of Combined Manganese−Silicon Oxygen Carriers and Effects of Including Titanium

Energy & Fuels,; Vol. 30(2016)p. 1171-1182

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hanning, M. Corcoran, A. Lind, F. Rydén, M. Biomass Ash Interactions with a Manganese Ore Used as Oxygen-Carrying Bed Material in a 12 MWth CFB Boiler

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Kemiska processer

Styrkeområden

Energi

Infrastruktur

Chalmers kraftcentral

ISBN

978-91-7597-724-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4405

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

HB1

Opponent: Professor Tobias Pröll, Universität für Bodenkultur Wien, Austria.