This thesis’s main focus is a CO2 capture technology known as chemical looping combustion (CLC). The technology is a novel form of combustion and fuel processing that can be applied to gas, solid and liquid fuels. By using two interconnected fluidised-bed reactors, with a bed material capable of transferring oxygen from air to the fuel, a stream of almost pure CO2 can be produced. This stream is undiluted with nitrogen and is produced without any direct process efficiency loss from the overall combustion process. The heart of the process is the oxygen carrier bed material, which transfers oxygen from an air to fuel reactor for the conversion of the fuel. Oxygen carrier materials and their production should be of low relative cost for use in large-scale systems. The first part of this research centres on development and investigative studies conducted to assess the use of low-cost materials as oxygen carriers and as supports. Mixed-oxide oxygen carriers of modified manganese ore and iron ore were produced by impregnation. While copper (II) oxide supported on alumina cement and CaO have been produced by pelletisation. These oxygen carriers were investigated for their ability to convert gaseous fuels in a lab-scale fluidised bed, and characterised for their mechanical and chemical suitability in the CLC process. The modified ores and pelletised copper-based oxygen carriers’ mechanical properties were enhanced by their production methods and in the case of the modified iron ore, significant oxygen uncoupling was observed. The copper-based oxygen carriers particularly those containing alumina cement showed high conversion rates of gaseous fuels and improved mechanical stability. The second part of this research thesis focuses on the design philosophy, commissioning and operation of a dual-fast bed chemical looping pilot reactor. Based on the operational experience, recommendations for modifications to the CLC system are discussed. In support, a parallel hydrodynamic investigation has been conducted to validate control and operational strategies for the newlydesigned reactor system. It was determined that the two fast bed risers share similar density and pressure profiles. Stable global circulation rate is flexible and could be maintained despite being pneumatically controlled. Reactor-reactor leakage via the loop-seals is sensitive to loop seal bed-height, and inlet fluid velocity but can be maintained as such to ensure no leakage is encountered.

Les travaux menés dans cette Thèse ont consisté à développer un pilote expérimental prouvant la faisabilité de la capture de CO2 par boucle chimique calcium en utilisant des chaudières du type Lit Fluidisé Circulant. Ceux-ci ont été conduits en deux phases: une phase expérimentale à l'échelle du laboratoire avec l'interprétation théorique des résultats et une phase expérimentale à l'échelle du pilote dans le but de valider le procédé. Les résultats expérimentaux à 1'échelle du laboratoire ont permis de montrer que le frittage de CaOest la cause de la décroissance du taux de carbonatation au cours des cycles successifs calcination/carbonatation. La vitesse de frittage étant accélérée par la présence de CO2 pendant la phase de calcination. Les analyses menées sur les échantillons calcinés ont révélé l'apparition d'une structure de micrograin à l'intérieur des grains initiaux de carbonate. Les micrograins de CaO non frittés sont le siège de la réaction de carbonatation.Un procédé de capture de CO2 par boucle chimique calcium a été conçu et réalisé. Il se compose de deux lits fluidisés circulants, un réacteur de carbonatation assurant la capture du CO2 et un réacteur de calcination permettant la régénération de la chaux. Ces deux lits fluidisés circulants sont couplés de façon à permettre un fonctionnement continu du procédé de capture de CO2. Malgré le faible rendement de capture obtenu à l'échelle de ce pilote (entre 18 à 23%), ces résultats apparaissent encourageants pour le développement de cette technologie, compte tenu du fait que beaucoup de facteurs limitant le rendement de capture disparaissent avec le changement d'échelle. / The works led in this Thesis consisted in developing an experimental pilot proving CO2 capture feasibility by calcium chemical looping using Circulating Fluidised Bed as boilers. These were undertaken in two step: At the laboratory scale with theoretical interpretation of the experimental results and at the pilot scale in the aim to validate the process.The experimental results on the scale of the laboratory allowed to show that the sintering of CaO bring about the decreasing of the carbonation rate during calcination/carbonation cycles. The sintering velocity are accelerated by CO2 during the calcinations step. The analysis of the calcined samples showed a micrograins structure inside the initial carbonate grains The not sintered CaO micrograins are the location of the carbonation reaction.A process of CO2 capture by calcium chemical looping was designed and built. It was made by two circulating fluidized beds, a carbonator where the CO2 capture were performed and the calcinator allowing the lime regeneration. These two circulating fluidized beds are coupled allowing a continuous CO2 capture.In spite of the low capture efficiency obtained on the scale of this pilot (from 18 to 23 %), these results seem encouraging for the development of this technology, considering the fact that many limiting factors of the capture efficiency disappear with the change of scale.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.