Solar Gasification of Carbonaceous Materials - ETH E

Diss. ETH No. 17741
SOLAR GASIFICATION OF
CARBONACEOUS MATERIALS
—
REACTOR DESIGN, MODELING
AND EXPERIMENTATION
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
ANDREAS Z’GRAGGEN
Dipl. Masch.-Ing. ETH
born July 25, 1978
citizen of Schattdorf (UR)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Aldo Steinfeld, examiner
Prof. Dr. Michael F. Modest, co-examiner
2008
Abstract
Solar steam-gasification of carbonaceous materials is proposed as an intermediate
step on the path toward a sustainable energy economy. The developed reactor
technology, together with a set of experimental results, is presented in the first part
of this thesis. Numerical models, described in the second part, were used to support
the engineering design in the first place and to gain further insight in the heat and
mass transfer processes affecting the reactor’s performance.
The developed reactor features a continuous vortex flow of steam laden with
feedstock particles confined to a cavity-receiver and directly exposed to concentrated solar radiation. This setup provides efficient radiative heat transfer to the
reaction site to drive the high-temperature highly endothermic process. A 5 kW prototype reactor was tested in a high-flux solar furnace with three distinct feedstocks:
(1) Dry coke powder with steam fed separately yielded up to 87% coke conversion
in a single pass of 1 s residence time at temperatures in the range 1500–1800 K.
The solar-to-chemical energy conversion efficiency was 9%. (2) Coke-water slurry
injected continuously resulted in coke conversion of up to 87% and energy conversion efficiency of up to 5%. Finally, (3) liquefied vacuum residue with steam fed
coaxially yielded maximal coke conversion of 50%, and energy conversion efficiencies
of 2%. The inferior efficiencies of the latter two feedstocks were either due to excess
water used to produce the slurry (2), or to particle deposition due to non-optimal
vacuum residue injection (3). Typical syngas composition produced was 60% H2 ,
26% CO, 12% CO2 , and 2% CH4 for delayed coke and 71% H2 , 16% CO, 9% CO2
and 4% CH4 for vacuum residue. The results indicate the technical feasibility of
simultaneous pyrolysis and steam-gasification of delayed coke particles in the range
2–200 µm and of liquefied vacuum residue using concentrated solar energy.
A lumped-parameters steady-state process model that couples radiative heat
transfer with the reaction kinetics is used to support the engineering design. In
a subsequent more detailed simulation, the reactor is modeled by means of a two-
ii
Abstract
phase formulation that couples radiative, convective, and conductive heat transfer
to the chemical kinetics for polydisperse suspensions of reacting particles. The governing mass and energy conservation equations are solved by applying advanced
Monte-Carlo and finite-volume techniques. Validation is accomplished by comparing the numerically calculated temperatures, product compositions, and chemical
conversions with the experimentally measured values obtained from testing a 5 kW
prototype reactor.
The validated reactor model is then used to optimize the reactor’s geometrical
configuration and operational parameters (feedstock’s initial particle size, feeding
rates, and solar power input) for maximum reaction extent and solar-to-chemical
energy conversion efficiency of a 5 kW prototype reactor and its scale-up to 300 kW.
The advantageous volume-to-surface ratio of the 300 kW scaled-up reactor and its
enhanced insulation lead to a solar-to-chemical energy conversion efficiency of 24%.
Moreover, the increased cavity dimensions permit the use of a coarser feedstock to
be reacted efficiently. Finally, the tube-shaped cavity was found to outperform the
commonly employed barrel-shaped cavity, mainly because most of the particles are
directly exposed to the incoming high-flux solar radiation.
Riassunto
Il processo di gassificazione solare di materiali ricchi in carbonio, usando vapore
acqueo, è proposto come passo intermedio sulla strada verso una economia basata
sull’uso sostenibile di energia. Nella prima parte di questa tesi viene descritto il
reattore prototipo e la rispettiva tecnologia sviluppata, seguiti da risultati sperimentali ottenuti per diversi edotti. La seconda parte della tesi è incentrata sullo
sviluppo di modelli numerici, i quali da un lato sono stati utilizzati come base per la
progettazione ingegneristica, dall’altro hanno permesso una migliore comprensione
dei processi di scambio di calore e massa che influenzano le prestazioni del reattore.
Nel reattore presentato le particelle di materia prima sono sospese in un flusso
continuo di vapore acqueo a forma di vortice, confinate in una cavità e direttamente
esposte a radiazione solare concentrata. Questa configurazione permette il trasferimento efficiente di radiazione calorica agli edotti coinvolti in una reazione chimica
altamente endotermica che procede ad alte temperature. Un prototipo del reattore,
operante a 5 kW, è stato testato in un forno solare a flusso elevato con tre edotti
distinti. (1) Polvere asciutta di coke con vapore acqueo immesso separatamente è
risultata in conversioni di coke fino a 87% con un tempo di reazione medio di 1 secondo e temperature tra i 1500 e 1800 K. L’efficienza della conversione energetica da
solare a chimica ha raggiunto un massimo di 9%. (2) Un miscuglio di coke e acqua,
chiamato slurry, iniettato a getto continuo è risultato in conversioni di coke fino a
87% ed efficienze fino a 5%. Infine, (3) il residuo di vuoto (vacuum residue) liquido
con vapore acqueo iniettato coassialmente è risultato in conversioni fino a 50% ed
efficienze fino a 2%. L’efficienza più debole degli ultimi due edotti usati è dovuta
all’eccesso di acqua necessario per la produzione dello slurry (2), o al deposito di
particelle per l’iniezione non ottimale del residuo di vuoto (3). La composizione tipica del gas di sintesi (syngas) prodotto è stato di 60% H2 , 26% CO, 12% CO2 , e 2%
CH4 per le particelle di coke e di 71% H2 , 16% CO, 9% CO2 e 4% CH4 per il residuo
di vuoto. I risultati indicano la fattibilità tecnica della pirolisi e gassificazione a
iv
Riassunto
vapore acqueo simultanea di particelle di coke con diametri tra i 2 e i 200 µm e di
residui di vuoto liquidi, utilizzando energia solare concentrata.
Per appoggiare la progettazione ingegneristica è stato utilizzato un modello
basato su parametri medi che considera lo stato stazionario del sistema e che collega
i processi di trasmissione della radiazione calorica alla cinetica della reazione chimica. In una successiva simulazione più dettagliata, il reattore è stato modellato per
mezzo di un flusso a due fasi che considera la trasmissione di calore per radiazione,
convezione, conduzione e la cinetica chimica per una sospensione di particelle di varie
dimensioni. Le equazioni di conservazione di massa ed energia sono state risolte mediante l’applicazione di tecniche Monte-Carlo e mediante il metodo dei volumi finiti.
La validazione è stata eseguita confrontando risultati calcolati numericamente per le
temperature, la composizione del gas prodotto e la conversione chimica con i valori
ottenuti in via sperimentale dai test con il reattore prototipo.
Il modello validato è poi stato utilizzato per ottimizzare le proporzioni geometriche del reattore e i parametri operativi (dimensione delle particelle, rata d’immissione
degli edotti, energia solare incidente) per l’ottenimento di una conversione chimica
oppure di un’efficienza energetica massima. Sono stati considerati due reattori: da
un lato il prototipo testato a 5 kW e dall’altro un reattore simile progettato per un
input solare di 300 kW. Il rapporto vantaggioso volume a superficie del reattore a
300 kW e l’isolazione termica migliore sono risultati in un’efficienza energetica di
24%. Inoltre, l’aumento delle dimensioni della cavità consentono l’impiego di particelle di dimensioni più grandi. Infine, una cavità a forma di tubo è risultata più
adatta delle cavità a forma di barile comunemente impiegate, soprattutto perché la
maggior parte delle particelle è in tal modo direttamente esposta a radiazione solare
altamente concentrata.