SOLAR GASIFICATION OF CARBONACEOUS MATERIALS REACTOR DESIGN, MODELING AND EXPERIMENTATION

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1 Diss. ETH No 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

2 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 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% H 2, 26% CO, 12% CO 2, and 2% CH 4 for delayed coke and 71% H 2, 16% CO, 9% CO 2 and 4% CH 4 for vacuum residue. The results indicate the technical feasibility of simultaneous pyrolysis and steam-gasification of delayed coke particles in the range 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. a subsequent more detailed simulation, the reactor is modeled by means of a two- In

3 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.

4 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% H 2, 26% CO, 12% CO 2, e 2% CH 4 per le particelle di coke e di 71% H 2, 16% CO, 9% CO 2 e 4% CH 4 per il residuo di vuoto. I risultati indicano la fattibilità tecnica della pirolisi e gassificazione a

5 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.