Højtemperatur flowmåling af CO2 og H2 fra en reaktorsøjle

• Forbedring af bæredygtighed og reduktion af klimaaftryk ved stålproduktion
• Ultralydsmåling af flow til at overvåge adskillelse af H2 og CO2 fra røggasser
• Realtidsmåling af forskellige gasblandinger ved høje temperaturer

TNO er en uafhængig hollandsk forskningsorganisation, der fokuserer på at udvikle viden og innovationer til praktiske anvendelser. Sammen med deres partnere initierede TNO STEPWISE-projektet for at demonstrere den omkostningseffektive opsamling af kuldioxid (CO2) fra restgasser i stålindustrien og skabe værdi ud fra energiindholdet i røggasserne. Teknologien, der demonstreres i dette projekt, hjælper stålindustrien med at reducere deres CO2-aftryk og forbedre bæredygtigheden. Projektet støttes af det europæiske Horizon 2020 Low Carbon Energy-program.

Én type røggas i stålproduktion er højovnsrøggas (BFG). Det er et biprodukt af jernmalmens reduktionsproces i højovne og bruges typisk som brændstof i stålværker eller anvendes i kedler og kraftværker. BFG's opvarmningsværdi er ret lav, da den primært består af nitrogen (55 %), kulilte (25 %), kuldioxid (20 %) og hydrogen (2...4 %).

I Luleå, Sverige, demonstrerer STEPWISE i et stålværk, hvordan man kan fjerne 14 t/dag CO2 fra højovnsrøggasserne og gøre en hydrogenrig strøm tilgængelig. Den opsamlede CO2 kan transporteres og opbevares (CCS) eller anvendes som råmateriale til produktionen af syntetisk methanol, der kan fungere som brændstof i stålværket. Den hydrogenrige strøm kan bruges som brændstof til kraftværker eller som råmateriale til produktionen af ammoniak.

I STEPWISE-demonstrationsprojektet anvendes den innovative Sorption Enhanced Water Gas Shift (SEWGS) proces. Processen forsynes med en røggasblanding fra stålværket. I første trin omdannes kulilte (CO) til CO2 og hydrogen (H2) ved at reagere med damp gennem vandgas-skiftreaktionen (WGS). For BFG resulterer dette i en reduktion af CO-indholdet fra 25 % til 5 %.

I det efterfølgende trin går gasblandingen ind i SEWGS-reaktoren, hvor det resterende CO omdannes til CO2 og H2. I denne proces bruges en fast adsorbent, der binder det producerede CO2, hvilket resulterer i en hydrogenrig strøm, der forlader reaktoren.

SEWGS-processen fungerer ved forhøjet temperatur og tryk, op til +540 °C / +1004 °F og 50 bar / 725 psi. Når sorbenten er mættet med adsorberet CO2, udføres regenerering via en kombination af trykaflastning og dampudrensning. På denne måde opnås en CO2-rig strøm ved kondensering af dampen. SEWGS-processen resulterer i en separat H2-rig strøm og en separat CO2-rig strøm, der forlader reaktionskolonnen via to forskellige rørledninger.

For at vurdere, om gasserne altid er blevet adskilt med succes, og for at vide, hvor meget CO2, H2 (plus nitrogen) og damp der forlader kolonnen, havde TNO brug for egnet flowinstrumentering. Det var nødvendigt, at flowmåleren giver realtidsmåling af højtemperaturgasser op til +540°C / +1004°F, samtidig med at den tilbyder en høj grad af fleksibilitet til at håndtere svingende gasammensætninger og forskellige gasblandinger. Da CO2-gassen forlader kolonnen ved meget lave tryk, var tryktab ikke en mulighed.

Ultralydsflowmåleren, OPTISONIC 8300, viste sig at være den perfekte løsning til denne udfordrende anvendelse. Designet til at måle flow af højtemperatur gasblandinger og med en god track record inden for dampapplikationer, opfyldte gasflowmåleren fuldt ud alle tekniske specifikationer og blev svejset ind i CO2-linjen (DN100) og H2-linjen (DN125). Der var ikke behov for ændringer i installationsdesignet. Ved at udnytte det ultralydbaserede differential transit-tidsprincip er OPTISONIC 8300 i stand til at måle forskellige gasblandinger uafhængigt af gasammensætningen. Den tillader realtidsmåling af flow, hvilket er særligt vigtigt, når det kommer til at registrere overgangsfaser i gasblandingsforholdet. Dette gør det muligt for operatøren at måle alle gaspartier uden tab af måleværdier. De udgående volumetriske strømme registreres af en analyser og kobles til det tidspunkt, hvor flowmålerne videregiver aflæsningerne til PLC'en.

Ved at hjælpe kunden med at vurdere, hvor effektiv deres separationsproces er, spiller KROHNE gasflowmåleren en vigtig rolle i optimeringen af SEWGS-processen. OPTISONIC 8300 gjorde det muligt for TNO at måle de udgående strømme kontinuerligt, selv når gasammensætningen ændrede sig i løbet af en batch. Dette var særligt afgørende for operatøren, da processen kan optimeres på denne måde uden installation af yderligere flowinstrumentering, hvilket kan være en enorm omkostningsfaktor. På grund af den realtidsmåling, som KROHNE flowmåleren tilbyder, går der ikke måleværdier tabt, selv under overgangsfaser.

Hvad angår tryktab, havde kunden fordele af OPTISONIC 8300's fuldborede design. Flowmåleren har ingen bevægelige dele eller forhindringer og forårsager stort set intet tryktab, hvilket sparer på pumpekapaciteter og energiomkostninger. En anden stor fordel for TNO er det vedligeholdelsesfri design af den ultralydbaserede flowmåler. Den er ikke udsat for slid eller forurening. Da TNO's processer lejlighedsvis skal stoppes, kan der forekomme aflejringer. Nøjagtighed og signalstyrke påvirkes dog ikke af aflejringer, så genkalibrering af flowmåleren er ikke nødvendig, og den kunne derfor direkte svejses ind i rørene.

OPTISONIC 8300 viste sig endnu engang at være en pålidelig og effektiv måler for CO2 og H2, hvilket gør den til et solidt valg i efterfølgende projekter. KROHNE flowmåleren gør det endda muligt for kunden at bestemme gasammensætningen af to blandede gasser baseret på lydens hastighed. Selvom det i øjeblikket ikke er et problem for TNO, ville realtidsanalyse af gasserne, der passerer gennem rørene, være muligt uden yderligere flowmeterinstallation, hvilket gør OPTISONIC 8300 ikke kun til en flowmåler, men også til en kompakt enhed til realtidsanalyse af gasammensætninger.

Optisonic 8300 er en 2-vejs ultralydsflowmåler til flowmåling af overhedet damp og højtemperaturgasser op til 620°C og 200 bar. Den har høj ydeevne over et bredt flowområde (DN100 - DN1000). Flowmåleren er den ideelle løsning til kedel- og kraftværksovervågning og til damp. Med temperatur- og tryksensorer tilsluttet til måleren kan den integrerede flowcomputer beregne damp-masseflow eller entalpi.

• Fuldboret design: Ingen bevægelige dele, ingen slid, intet tryktab
• Omfattende online-diagnostik og funktioner til korrekt drift og verifikation af måleren
• Op til +620°C / +1148°F; Højere temperatur- og trykområder på forespørgsel
• Mulighed for Atex

Salgsingeniør - Maskinmester
Instrumenter, Sjælland
E-mail: mni@fagerberg.dk
Tlf: +45 43290230
Mobil: +45 40247494