Technical assessment of high-temperature heat exchangers for the thermal integration of O$_{2}$-transport membranes in the OXYCOAL-AC process

Verbaere, Vincent; Beckmann, Michael; Kneer, Reinhold

doi:34916

Technical assessment of high-temperature heat exchangers for the thermal integration of O$_{2}$-transport membranes in the OXYCOAL-AC process = Technische Bewertung von Hochtemperatur-Wärmeübertragern für die Wärmeintegration einer O$_{2}$-Transport-Membran in dem OXYCOAL-AC-Prozess

Verbaere, Vincent

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vincent Louis François Verbaere

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (XII, 193 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Beckmann, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-030564
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/572893/files/572893.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/572893/files/572893.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
oxyfuel (frei) ; heat exchangers (frei) ; tubular exchangers (frei) ; wire coil inserts (frei) ; dimpled plates (frei) ; cross-corrugated plates (frei) ; process simulation (frei) ; minimum wall thickness (frei) ; CFD analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Bereitstellung von Sauerstoff für den Oxyfuel-Verbrennungsprozess erfolgt durch eine Luftzerlegungsanlage, die ein integrierter Bestandteil des Prozesses ist. Das Prinzip der Luftzerlegungsanlage basiert entweder auf der kryogenen Verflüssigung von Luft oder auf einer Hochtemperatur-Membran, die bei einem typischen Temperaturbereich zwischen 800 und 900°C betrieben werden muss. Aus Effizienzgründen liegt der Schwerpunkt des OXYCOAL-AC-Vorhabens auf der Untersuchung membranbasierter Kohleverbrennungsprozesse. Um eine Betriebstemperatur der Membran über 800°C zu erreichen, wird die Aufwärmung der Zuluft erforderlich. Dies kann vorteilhaft durch die Integration eines Wärmeübertragers entweder in der Rauchgas-Rezirkulation oder in der Brennkammer erfolgen. Diese Alternativen werden entweder als Vier-Ende- oder als Drei-Ende-Konzept bezeichnet. Aufgrund der anspruchsvollen Prozesstemperatur und Rauchgaszusammensetzung soll die Auslegung und die Umsetzung solcher Wärmeübertrager detailliert untersucht werden. Die vorliegende Studie lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: • Da der Nettowirkungsgrad des Kraftwerks durch Membran- und Wärmeübertragereigenschaften beeinflusst wird, wurden Prozesssimulationen mit dem Ziel ausgeführt, optimale Einsätze beider Komponenten zu identifizieren und Randbedingungen für diese Studie zu bestimmen. Darauf wird in Kapitel 3 eingegangen. • Im Hinblick auf die Dimensionierung der Wärmeübertrager (Kapitel 10) werden Planungsansätze und Leistungsanalysen (Wärmeübertragung in Bezug auf Druckverlust) in Kapitel 4 ausführlich behandelt. • Die oben genannten Prozessbedingungen erfordern eine aufwendige Diskussion der Werkstoffwahl. Eine Literaturrecherche zur Ermittlung geeigneter Werkstoffe für diese Wärmeübertrager wird in Kapitel 5 behandelt. Diese zeigt, dass hochwertige (aber auch teure) Nickellegierungen grundsätzlich bis 800°C angewendet werden können. Das bedeutet, dass Keramiken nicht zwangsläufig erforderlich sind. • Um festzustellen, welche Wärmeübertragergeometrien die hohen Temperaturen und Drücke standhalten können, wurden Daten aus Patenten, Herstellern und Forschungsberichten in Kapitel 6 erfasst. Im Fall, in denen die Verschmutzung keine Rolle spielt (Vier-Ende-Konzept), stellte sich heraus, dass Röhrenwärmeübertrager sowie einige spezielle Plattenwärmeübertrager, wie z.B. mit geprägten oder kreuzgewellten Platten, eingesetzt werden können. Andersfalls (Drei-Ende-Konzept) sollen nur herkömmliche Röhrenwärmeübertrager nach dem Vorbild von Verdampfern aus der Kraftwerkindustrie in Erwägung gezogen werden. • Die Ermittlung der minimal erforderlichen Wandstärke für die ausgewählten Wärmeübertragergeometrien wird in Kapitel 7 behandelt. Als Konzequenz werden elliptische Rohre in dieser Anwendung ausgeschlossen. • Die Dimensionierung eines Wärmeübertragers ist nur durch Kenntnis von Reibungsbeiwert und Wärmeübertragungskoeffizient möglich. Da diese sind für rohrförmige und kreuzgewellte Flächen weitgehend in der frei wissenschaftlichen Literatur zugänglich, werden sie in Kapitel 8 vorgestellt. Beruhend auf diesen Koeffizienten konnte festgestellt werden, welche Parameter die Wärmeübertragung beeinflussen. • Geprägte Platten umfassen zwei unterschiedliche, dreidimensionale Kanäle mit einem wellenseitigen und einem rohrseitigen Strömungsquerschnitt. Aufgrund fehlender Daten für Reibungsbeiwerte und Wärmeübertragungskoeffizienten in der freien Literatur wurden CFD-Analysen ausgeführt. Reibungsbeiwerte und Wärmeübertragungskoeffizienten werden anhand berechneter Strömungsfelder sowie öffentlicher Daten, die starke geometrische Ähnlichkeiten mit geprägten Flächen aufweisen, analysiert. • Beruhend auf die gewonnenen Daten, wurde die Größe für Röhrenwärmeübertrager, sowie geprägte und kreuzgewellte Plattenwärmeübertrager ermittelt und miteinander verglichen. Für das Vier-Ende-Konzept steht fest, dass ein Röhren- mit einem Plattenwärmeübertrager konkurrenzfähig bleibt. Durch Zusatz von Turbulatoren oder unter gewissen Bedingungen von Langrippen, oder durch Erhöhung des Druckverlusts auf der Zuluft, lässt sich die Austauschfläche vom Röhrenwärmeübertrager weiter reduzieren. Die Erhöhung des Druckverlustes auf der Zuluft hat den Vorteil, dass der Nettowirkungsgrad mäßig beeinträchtig wird. Es konnte gezeigt werden, dass über 700°C geprägte Flächen deutlich zur Volumeneinsparung verhelfen. Diese erfordern allerdings insgesamt mehr Material als die meisten Röhrenwärmeübertrager. Ein Fortschritt bezüglich Material- und Volumeneinsparung wurde dabei für kreuzgewellte Platten identifiziert.Eine Abschätzung der Größe für Röhrewärmeübertrager wurde ebenfalls für das Drei-Ende- Konzept vorgenommen. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Einsatz eines Außenrekuperators, die Austauschfläche innerhalb des Kessels um einen Faktor 3 verringert. Leider wird diese Maßnahme mit einer Verringerung des Nettowirkungsgrads um 1,5 bis 3,0% begleitet.

Oxyfuel combustion processes require an air separation unit as an integral part of the power plant process. Such an air separation unit can be based either on the commercially available cryogenic process or an ion transport membrane (ITM), which has to be operated at typical temperatures in a range from 800 to 900°C. For efficiency reasons, the OXYCOAL-AC project conducted at RWTH Aachen is focused on such a membrane-based coal combustion process. To achieve a membrane operation temperature higher than 800°C, heat has to be transferred to the feed air, advantageously by integrating heat exchangers positioned either in the (cleaned) recycled flue gas pipe or in the boiler. These two alternatives are labelled four-end concept and three-end concept respectively. Due to severe process temperatures and flue gas composition, the design and realization of such heat exchangers have to be addressed. This is the subject of the present study.The study can be summarized as follows: • Since the net plant efficiency of the oxyfuel process is influenced by the membrane and heat exchanger characteristics, a process simulation was carried out to identify the optimum utilization of these components and provide boundary conditions for the present study. This is addressed in Chapter 3. • In view of preparing for the sizing of heat exchangers (Chapter 10), approaches to design heat exchangers and analyze their heat transfer performance (heat transfer in relation to pressure drop) are presented in some details in Chapter 4. • Materials used in heat exchangers exposed to the mentioned conditions deserve particular attention. In Chapter 5, a literature review was undertaken to identify suitable materials; this reveals that - expensive - nickel alloys can still be employed up to 800°C. This means that ceramics are not necessary. • For the purpose of establishing what kind of heat exchanger geometry would be the most appropriate for high pressure and temperature conditions, it appeared necessary to gather empirical data from patents and manufacturer and research reports. In situations where fouling is not an issue (four-end concept), it was found that tubular exchangers as well as some plate exchangers, such as dimpled-plate and cross-corrugated plate types can be applied. Otherwise (three-end concept), only a conventional tubular exchanger based on the model of evaporators and superheaters customary in coal power plants should be considered. • Chapter 7 examines the minimum wall thickness for the selected heat exchanging geometries. It allows for example to exclude oval tubes from this application. • Sizing of heat exchangers can only be achieved by prior knowing their friction and heat transfer coefficients. Since tubular and cross-corrugated surfaces are widely addressed in open literature, a presentation in given in Chapter 8. Based on the knowledge of these coefficients, it could be determined how some geometrical parameters affect the heat transfer performance. • Dimpled-plate surfaces incorporate two three-dimensional channels dissimilar in nature, namely the wavy channel on one side and the tubular channel on the other side. The lack of data in relation to their friction and heat transfer coefficients required a specific CFD analysis. Heat transfer and friction coefficients have been determined locally and globally in Chapter 9. The results are discussed on the basis of the flow fields calculated as well as public data obtained for two-dimensional channels bearing strong similarities with dimpled-plate channels. • Based on data prepared beforehand, sizes of tubular, cross-corrugated-plate and dimpled-plate heat exchangers have been assessed in the OXYCOAL-AC conditions and have subsequently been compared to one another. This is presented at the end of the study (Chapter 10). The following points emerged for the four-end concept: A tubular exchanger remains competitive with plate-type exchangers; its surface area can be further abated by the addition of wire coil inserts and - under certain conditions - longitudinal fins and an increase in pressure drop on the feedair. The latter has the advantage of not affecting the process efficiency too much. Above 700°C, it has been shown that dimpled plates achieve significant volume savings, but require more material than most tubular geometries. A promising achievement in terms of material and volume savings is identified for cross-corrugated heat exchangers. An estimation of the dimensions of the tubular heat exchanger was also done for the three-end concept. It is also shown that by using an extern recuperator this could reduce the heat exchanging surface area within the boiler by a factor of three. However, it is an unfortunate fact that this measure is accompanied by a fall in the net plant efficiency from 1.5 up to 3.0% points.

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