ZNANOST NA DLANI avtomatizirano obdelavo, bodo rezultati odvisni od osebe, ki rezultate obdela.
I N Ž E N I R J E V
S L O V E N I J E
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
Primerjava povprečnih vrednosti in standardne deviacije za posamezno obdelavo prve serije meritev je prikazana na sliki 7. Razvidno je, da so si povprečne vrednosti kota omočenja dokaj podobne; vseh devet rezultatov (povprečnih vrednosti) se nahaja znotraj 2°. Kljub podobni vrednosti aritmetičnega povprečja pa je standardna deviacija rezultatov obdelave meritev s strani posamezne osebe močno različna in sicer je najvišja pri osebi 3, kjer smo zabeležili tudi prej omenjena največja odstopanje druge in tretje obdelave glede na prvo obdelavo. To nakazuje na neizkušenost osebe ali na problem subjektivnega dojemanja slike kapljice na posamezni površini in tudi na drugačno dojemanje lege vzorca pod kapljico pri večkratni obdelavi.
Slika 7: Izmerjeni povprečni koti omočenja in standardne deviacije pri večkratni obdelavi rezultatov.
Pri obdelavi večjega števila kapljic so potencialna odstopanja zaradi subjektivnosti očitno manjša; to smo želeli pokazati z nadaljnjo analizo rezultatov. Glede na opažanje, da kljub subjektivnosti pri obdelavi večjega števila kapljic dobimo podobne povprečne vrednosti, smo na površinah P2 in P3 izvedli meritve z odlaganjem 60 kapljic in beleženjem njihovega kota omočenja. Na podlagi meritev smo izračunali tekoče povprečje po enačbi (2) in analizirali, koliko kapljic je potrebnih za konvergenco povprečne vrednosti. Kriterij za konvergenco je bil sledeč: vrednost tekočega povprečja se mora ustaliti znotraj intervala {aritmetično povprečje celotne serije ±1°} in tega okvira vrednosti nato ne sme več zapustiti. Pri obdelavi smo zabeležene vrednosti kota omočenja postavili v naključni vrstni red; obdelavo oz. analizo smo ponovili skupno 10x z vsakokratnim naključnim spreminjanjem vrstnega reda vrednost kota omočenja.
Z V E Z A
S T R O J N I H
Sliki 8 in 9 prikazujeta konvergenco vrednosti tekočega povprečja meritev na površinah P2 oz. P3. Ugotavljamo, da je zaradi zahtevnejšega določanja kota omočenja na hidrofobnih površinah (P2) za konvergenco potrebnih več kapljic kot za površino s približno nevtralno omočljivostjo (P3). Do konvergence na površini P2 v povprečju pride pri upoštevanju približno 40 kapljic, na površini P3 pa je za konvergenco vrednosti kota omočenja potrebnih približno 25 kapljic.
Slika 6: Odstopanja ponovljene obdelave rezultatov osebe 1 (a), osebe 2 (b) in osebe 3 (c). 8
Na slikah 10-14 so prikazani obdelani rezultati meritev kota omočenja na različnih površinah, pri čemer so obdelave izvedene na serijah skupno 30 kapljic. Predvsem pri hidrofobnih površinah P2 in P4 je razviden velik raztros kota omočenja tako pri obdelavi podatkov s strani posamezne osebe kot pri primerjavi kotov omočenja za iste kapljice, ki so jih določile vse tri osebe.
SCIENTIFIC PAPER
Z V E Z A S T R O J N I H I N Ž E N I R J E V S L O V E N I J E
Slika 9: Primer tekočega povprečja vrednosti kota omočenja pri meritvah na površini P3 za (a) prvo, (b) drugo in (c) tretjo osebo (naključni vrstni red meritev).
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
Slika 8: Primer tekočega povprečja vrednosti kota omočenja pri meritvah na površini P2 za (a) prvo, (b) drugo in (c) tretjo osebo (naključni vrstni red meritev).
Raztros meritev na površini P3, tj. površini s približno nevtralno omočljivostjo, je precej manjši; tudi skladanje meritev različnih oseb je precej boljše kot pri površinah P2 in P4.
Slika 10: Koti omočenja površine P2 za prvo serijo 30 kapljic.
Slika 11: Koti omočenja površine P2 za drugo serijo 30 kapljic.
9
SCIENTIFIC PAPER 1. Uvod
Z V E Z A S T R O J N I H I N Ž E N I R J E V
2. Rezultati in diskusija 2.1 Merjenje elastičnih valov, vzbujenih z gibalno količino svetlobe
Elastične valove, vzbujene z gibalno količino svetlobe, smo opazovali z uporabo eksperimentalnega sistema, pri katerem smo iz zraka pod pravim kotom odbijali osno simetrične, linearno polarizirane in kolimirane svetlobne bliske od planarnega večplastnega dielektričnega zrcala. Ta konfiguracija maksimira prenos impulza vzdolž trajektorije bliska, saj pri tem zrcalo prejme normalno komponento mehanske gibalne količine, ki je dvakrat večja od elektromagnetne gibalne količine bliska. Zaradi učinkov elektrostrikcije, ki izvira iz robnega dela laserskega žarka, je zrcalo izpostavljeno tudi radialnim elektromagnetnim silam, ki so za dva velikostna reda manjše od navpičnih sil. Da bi povečali površinske premike zaradi prenosa gibalne količine in s tem izboljšali razmerje med signalom in šumom, smo morali uskladiti tri sklope eksperimenta: pripraviti ravno prav energičen laserski blisk, da je še pod poškodbenim pragom zrcala; izdelati skoraj popolno zrcalo za valovno dolžino bliska za izogib termoelastičnih valov kot posledico absorpcije; ter optimizacijo dovolj občutljivega, širokopasovnega in kalibriranega detektorja za merjenje dinamski pomikov površine na absolutni skali. Valovna dolžina vpadnega bliska 1064 nm je bila izbrana zaradi razpoložljivosti Q-preklopljenih, linearno polariziranih, visokoenergetskih laserskih bliskov z dobro opisljivimi časovnimi in prostorskimi profili. Vzbujevalni blisk je imel energijo 160 mJ, enakomerno in na obodu
S L O V E N I J E W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
V sedemdesetih letih devetnajstega stoletja sta Maxwell [1] in Bartoli [2] neodvisno eden od drugega napovedala obstoj svetlobnega tlaka, ki naj bi bil neposredna manifestacija gibalne količine, ki jo s seboj prenaša elektromagnetno valovanje (svetloba), ko se širi po prostoru. Na eksperimentalne dokaze o svetlobnem tlaku in s tem o gibalni količini svetlobe je bilo potrebno počakati še slabih trideset let, ko jo je ob začetku dvajsetega stoletja uspelo izmeriti Lebedjevu [3] ter neodvisno Nicholsu in Hullu [4]. O velikosti gibalne količine svetlobe so sklepali tako, da so merili svetlobni tlak, ki je odklanjal lopatico, na katero so svetili. Za uspeh je bilo ključno zmanjšati termične vplive do te mere, da je svetlobni tlak postal prevladujoč mehanizem, odgovoren za odklon lopatic v svetlobnem mlinčku podobni napravi. Tem pionirjem merjenja gibalne količine svetlobe se je kasneje pridružila še kopica drugih, vsi pa so obravnavali prenos gibalne količine iz svetlobe na snov idealizirano. Snovna telesa, ki so jih opazovali, so namreč obravnavali kot toga. Problem tega pristopa je prenos gibalne količine na snov z neskončno hitrostjo, kar pa krši mnoge fundamentalne fizikalne premise. Če snov obravnavamo bolj realistično, ob predpostavki, da je elastična oziroma deformabilna, pa se gibalna količina svetlobe prenese na elastične valove [5], ki potujejo s končno hitrostjo (nekaj kilometrov na sekundo). S tem, ko s seboj prenašajo gibalno količino, predstavljajo osnovni mehanizem prenosa gibalne količine svetlobe na elastična telesa in tako igrajo pomembno vlogo v aplikacijah, kot so optične pincete za manipulacijo z deformabilnimi snovmi [6]-[9]. V tem kratkem znanstvenem prispevku poročamo o meritvah in o teoretičnem modeliranju elastičnih valov vzbujenih pretežno z gibalno količino svetlobe. Uporabili smo eksperimentalno konfiguracijo, pri kateri smo iz zraka osvetljevali dielektrično zrcalo s kratkimi laserskimi bliski in pri tem pognali elastične valove, ki smo jih pomerili na mejnih površinah zrcala. Uporaba trdninskega medija omogoča izdelavo skoraj popolnega zrcala z minimalno absorpcijo pri frekvenci vpadnega bliska. Amplitude elastičnih valov, ki jih zaznamo na trdninah, so manjše od tistih, ki so bile predhodno izmerjeni v kapljevinah [10][12], vendar jih je lažje interpretirati zaradi zanemarljive prerazporeditve snovi ter nepomembnih učinkov gravitacijske sile in površinske napetosti. Elastične valove smo merili s pomočjo piezoelektričnega zaznavala, ki je občutljiv na pomike površine zrcala na različnih mestih v bližini odboja laserskega bliska. Za vizualizacijo propagacije
elastičnih valov smo pomike izmerili z zadostno prostorsko (1 mm prečno in 40 fm navpično) in časovno (0,2 μs) ločljivostjo. Pri eksperimentu smo izmerjene valovne oblike teoretično napovedali s pristopi, ki združujejo elektrodinamiko [13],[14] in elastodinamiko [15],[16]. Napovedane valovne oblike ustrezajo tako po obliki kot tudi po amplitudi tistim, izmerjenim pri poskusih. Amplitudo izmerjenih valovnih oblik je mogoče pripisati pretežno svetlobnemu tlaku, saj je termoelastični prispevek k pomikom zanemarljiv. To delo opisuje izvirno metodo za kvantitativno merjenje sklopitve gibalne količine med elektromagnetnim poljem in snovjo, ki jo lahko uporabimo za karakterizacijo materialov in za nadaljnji razvoj tehnologije optičnih pincet. Ker so elastični valovi občutljivi tudi na prostorsko porazdelitev normalne in prečne gostote sile, in ne zgolj na celotno silo, lahko to delo ponudi način za empirično validacijo različnih teorij klasične elektrodinamike [17]-[22].
13
SCIENTIFIC PAPER LOW-EMISSION POWER PRODUCTION THROUGH CALCIUM LOOPING GASIFICATION Domen Žaleca, Sebastian Michalskib, Dawid P. Hanakb
– Faculty of Mechanical Engineering, University of Ljubljana, Aškerčeva 6, SI-1000 Ljubljana – Energy and Power, School of Water, Energy and Environment, Cranfield University, College road, Cranfield MK43 0AL, UK a
b
*Korespondenčni avtor: Domen Žalec E-pošta: domen.zalec@gmail.com
Z V E Z A
Mechanical Engineering World – 17 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
Ključne besede: uplinjanje, emisije, zajem ogljika, kalcijev oksid, vodik, proizvodnja električne energije, izkoristek, Aspen Plus®
Keywoards: gasification, emissions, carbon capture, calcium oxide, hydrogen, power production, efficieny, Aspen Plus®
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
With rising global energy demands and greenhouse gas emissions reduction targets, energy sector is posed to face new challenges in the decades to come. Fossil fuels, mainly coal, still represent and will continue to represent an important part of the energy portfolio. To reduce the CO2 emissions, new power plant designs with next generation technologies will have to be introduced. This study evaluates a concept of calcium looping gasification for high-efficiency low-emission power generation. A model of gasification-based power plant with CO2 capture was designed and simulations were performed using Aspen Plus®. High purity hydrogen, obtained during the process from coal or biomass feedstock, was used for energy production through solid oxide fuel cell (SOFC) and/or Brayton cycle together with bottoming Rankine cycle for improved efficiency. Overall plant efficiencies of up to 39 %LHV and 43 %LHV were observed for integrated gasification comined cycle (IGCC) and integrated fuel cell combined cycle (IGFC), respectively. Specific CO2 emissions below 50 gCO2/kWhel were obtained with up to 95 % CO2 capture and negligible SO2 emissions. Moreover, negative carbon footprint can be achieved through the use of biomass fuel.
S L O V E N I J E
Abstract
Z naraščajočimi globalnimi potrebami po energiji in omejitvami na toplogredne pline bo energetski sektor v naslednjih desetletjih postavljen pred nove izzive. Fosilna goriva, predvsem premog, še vedno predstavljajo in bodo predstavljala pomemben del v energetskem portfelju. Nove zasnove elektrarn z tehnologijami naslednje generacije bodo morale biti implementirane za zmanjšanje izpustov CO2. Ta študija ovrednoti uplinjanje z integriranim zajemom CO2 (ang. calcium looping) za nizko emisijsko, visoko učinkovito proizvodnjo električne energije. Model postrojenja za uplinjanje z zajemom CO2 je bil razvit in simulacije so bile izvedene v okolju Aspen Plus®. Vodik visoke čistosti, ki je bil pridobljen med procesom iz premoga ali biomase, je bil uporabljen za proizvodnjo el. energije v vodikovih celicah s trdnimi oksidi (SOFC) in/ali v Brayton-ovem ciklu s končnim Rankine-ovim ciklom za izboljšano učinkovitost. Celotni izkoristki postrojenja so dosegli do 39 %LHV za IGCC in 43 %LHV za IGFC. Specifične emisije CO2 so bile nižje od 50 gCO2/ kWhel in do 95 % CO2 je bilo zajetega med procesom. Emisije SO2 so bile zanemarljive. Z uporabo biomase je bil dosežen negativni ogljični odtis.
I N Ž E N I R J E V
Povzetek
S T R O J N I H
Article info Article history: Received: 3rd September 2018 Received in revise from 13th September 2018 Accepted 28th September 2018 Available online 30th September 2018
1. Introduction
World’s energy consumption is still on an increase and even with more and more renewable energy technologies being developed and deployed, coal still contributes a significant share to satisfy those demands [1]. Furthermore, the IEA study projected that its use will continue to grow until 2040, but it will only represent around 28 % share of energy portfolio. Together with increasing use of natural gas for power production, which is posed to increase from today’s 21 % to 24 % in the next two decades [1], the fossil fuels will be providing more than 50 % of energy produced globally. Such figures indicate that significant amounts of CO2 will be emitted 17
SCIENTIFIC PAPER coal and biomass, respectively, consequently reducing specific CO2 emissions to 45 gCO2/kWhEL and 35 gCO2/kWhEL, respectively. Total plant efficiency for IGFC reached 42.7 %LHV for coal and 41.9 %LHV for biomass. Comparable results for IGFC system without carbon capture were obtained by Taufiq et al. [22]. Slightly lower efficiency in this study corresponds to the efficiency penalty in line with literature reports [23]; [24]
[1] IEA (2016) World Energy Outlook 2016. Paris: IEA. doi: 10.1787/weo2016-en. [2] US Department of Commerce (2018) ESRL Global Monitoring Division. Available at: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html (Accessed: 30 May 2018). [3] United Nations (2015) Paris Agreement. Paris, France: United Nations Framework Convencion on Climate Change. [4] IEA (2017) Energy Technology Perspectives 2017: Catalysing Energy Technology Transformations. Paris: OECD/IEA. doi: 10.1787/energy_tech2017-en. [5] Hanak, D. P. and Manovic, V. (2018) ‘Techno-economic feasibility assessment of CO2 capture from coal-fired power plants using molecularly imprinted polymer’, Fuel. Elsevier, 214, pp. 512–520. doi: 10.1016/J. FUEL.2017.10.107. [6] Hanak, D. P., Jenkins, B. G., Kruger, T. and Manovic, V. (2017) ‘Highefficiency negative-carbon emission power generation from integrated
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
References
S L O V E N I J E
This publication is based on research aligned to the “Redefining power generation from carbonaceous fuels with carbonate looping combustion and gasification technologies” project funded by UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC reference: EP/P034594/1).
I N Ž E N I R J E V
Acknowledgements
S T R O J N I H
Process model for calcium looping gasification was developed in Aspen Plus® together with SOFC and gas turbine models. Simulations were performed to evaluate the proposed design of high-efficiency low-emission power plant. CaO sorbent activity was considered during simulations to obtain more realistic results and hydrogen-rich syngas was obtained from carbonate looping gasification simulation. Very promising results with up to 39 %LHV and 43 %LHV efficiencies for IGCC and IGFC, respectively, are clearly showing the advantage against coal-fired power plants with CCS, the latter reaching up to 33 %LHV. Gas turbines represent an option that is well established and large-scale systems already exist while SOFC represents even more efficient option for power production, but the technology is not yet available in large scale. Specific CO2 emissions of the proposed plant range below 50 gCO2/kWhel and negative carbon footprint can be achieved through the means of biomass. Furthermore, due to CaO sorbent, SO2 and H2S emissions were minimal or negligible.
Z V E Z A
4. Conclusions
solid-oxide fuel cell and calciner’, Applied Energy. Elsevier, 205, pp. 1189–1201. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.08.090. [7] Chen, S., Lior, N. and Xiang, W. (2015) ‘Coal gasification integration with solid oxide fuel cell and chemical looping combustion for high-efficiency power generation with inherent CO2 capture’, Applied Energy. Elsevier, 146, pp. 298–312. doi: 10.1016/J.APENERGY.2015.01.100. [8] Cormos, A.-M. and Simon, A. (2015) ‘Assessment of CO2 capture by calcium looping (CaL) process in a flexible power plant operation scenario’, Applied Thermal Engineering. Pergamon, 80, pp. 319–327. doi: 10.1016/J. APPLTHERMALENG.2015.01.059. [9] Chen, S., Wang, D., Xue, Z., Sun, X. and Xiang, W. (2011) ‘Calcium looping gasification for high-concentration hydrogen production with CO2 capture in a novel compact fluidized bed: Simulation and operation requirements’, International Journal of Hydrogen Energy. Elsevier Ltd, 36(8), pp. 4887– 4899. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.12.130. [10] Arias, B., Diego, M. E., Méndez, A., Alonso, M. and Abanades, J. C. (2018) ‘Calcium looping performance under extreme oxy-fuel combustion conditions in the calciner’, Fuel. Elsevier, 222, pp. 711–717. doi: 10.1016/J. FUEL.2018.02.163. [11] Hanak, D. P. and Manovic, V. (2017) ‘Calcium looping combustion for high-efficiency low-emission power generation’, Journal of Cleaner Production, 161, pp. 245–255. doi: 10.1016/j.jclepro.2017.05.080. [12] Stanger, R., Wall, T., Spörl, R., Paneru, M., Grathwohl, S., Weidmann, M., Scheffknecht, G., McDonald, D., Myöhänen, K., Ritvanen, J., Rahiala, S., Hyppänen, T., Mletzko, J., Kather, A. and Santos, S. (2015) ‘Oxyfuel combustion for CO2 capture in power plants’, International Journal of Greenhouse Gas Control. Elsevier, 40, pp. 55–125. doi: 10.1016/J. IJGGC.2015.06.010. [13] Wiranarongkorn, K. and Arpornwichanop, A. (2017) ‘Analysis of the Ca-looping sorption-enhanced steam reforming and solid oxide fuel cell integrated process using bio-oil’, Energy Conversion and Management. Pergamon, 134, pp. 156–166. doi: 10.1016/j.enconman.2016.12.025. [14] Mahishi, M. R. and Goswami, D. Y. (2007) ‘An experimental study of hydrogen production by gasification of biomass in the presence of a CO2 sorbent’, International Journal of Hydrogen Energy. Pergamon, 32(14), pp. 2803–2808. doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.03.030. [15] Lin, S., Harada, M., Suzuki, Y. and Hatano, H. (2005) ‘Process analysis for hydrogen production by reaction integrated novel gasification (HyPr-RING)’, Energy Conversion and Management. Pergamon, 46(6), pp. 869–880. doi: 10.1016/j.enconman.2004.06.008. [16] Corella, J., Toledo, J. M. and Molina, G. (2008) ‘Steam gasification of coal at low-medium (600-800 °C) temperature with simultaneous CO2 capture in a bubbling fluidized bed at atmospheric pressure. 2. Results and recommendations for scaling up’, Industrial and Engineering Chemistry Research, 47(6), pp. 1798–1811. doi: 10.1021/ie0714192. [17] Gil, J., Corella, J., Aznar, M. P. and Caballero, M. A. (1999) ‘Biomass gasification in atmospheric and bubbling fluidized bed: Effect of the type of gasifying agent on the product distribution’, Biomass and Bioenergy. Pergamon, 17(5), pp. 389–403. doi: 10.1016/S0961-9534(99)00055-0. [18] Rodríguez, N., Alonso, M. and Abanades, J. C. (2010) ‘Average activity of CaO particles in a calcium looping system’, Chemical Engineering Journal. Elsevier, 156(2), pp. 388–394. doi: 10.1016/J.CEJ.2009.10.055. [19] Hanak, D. P. and Manovic, V. (2017) ‘Calcium looping combustion for high-efficiency low-emission power generation’, Journal of Cleaner Production. Elsevier Ltd, 161, pp. 245–255. doi: 10.1016/j. jclepro.2017.05.080. [20] Zhang, W., Croiset, E., Douglas, P. L., Fowler, M. W. and Entchev, E. (2005) ‘Simulation of a tubular solid oxide fuel cell stack using AspenPlusTM unit operation models’, Energy Conversion and Management. Pergamon, 46(2), pp. 181–196. doi: 10.1016/J.ENCONMAN.2004.03.002. [21] Han, L., Wang, Q., Yang, Y., Yu, C., Fang, M. and Luo, Z. (2011) ‘Hydrogen production via CaO sorption enhanced anaerobic gasification of sawdust in a bubbling fluidized bed’, International Journal of Hydrogen Energy. Pergamon, 36(8), pp. 4820–4829. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2010.12.086. [22] Taufiq, B. N., Kikuchi, Y., Ishimoto, T., Honda, K. and Koyama, M. (2015) ‘Conceptual design of light integrated gasification fuel cell based on thermodynamic process simulation’, Applied Energy. Elsevier, 147, pp. 486–499. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.03.012. [23] Hanak, D. P., Biliyok, C., Anthony, E. J. and Manovic, V. (2015) ‘Modelling and comparison of calcium looping and chemical solvent scrubbing retrofits for CO2 capture from coal-fired power plant’, International Journal of Greenhouse Gas Control. Elsevier, 42, pp. 226–236. doi: 10.1016/J. IJGGC.2015.08.003. [24] Jansen, D., Gazzani, M., Manzolini, G., Dijk, E. van and Carbo, M. (2015) ‘Pre-combustion CO2 capture’, International Journal of Greenhouse Gas Control. Elsevier, 40, pp. 167–187. doi: 10.1016/j.ijggc.2015.05.028.
21
Z V E Z A
S T R O J N I H
I N Ž E N I R J E V
S L O V E N I J E
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
SEZNAM ZAKONSKIH PREDPISOV
28
Z V E Z A S T R O J N I H I N Ž E N I R J E V S L O V E N I J E
»Letenje letala je bilo letos naporno, saj smo izdelali model, ki ga je bilo izjemno težko upravljati, poleg tega pa smo se borili še z močnim vetrom in dežjem. Videli smo tudi veliko nesreč in težav ostalih ekip zaradi močnih sunkov vetra ali slabe izdelave modelov. Vesel sem, da smo uspeli odleteti vse tri misije brez napake, kar je seveda zelo vzpodbudno, saj kaže na to, da je bila ekipa res dobro pripravljena.« Foto: Arhiv FS VIR: https://www.fs.uni-lj.si/sl/
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
31