Institut de Tècniques Energètiques
http://hdl.handle.net/2117/95924
2024-03-29T11:28:48ZCarbon capture, utilization, and storage (CCUS) and how to accelerate the development and commercialization of carbon capture technologies and carbon-based products in the European and United States markets
http://hdl.handle.net/2117/360912
Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and how to accelerate the development and commercialization of carbon capture technologies and carbon-based products in the European and United States markets
Soto, Alicia
The main theme of this work revolves around the CO2 molecule, a stable waste gas of low value, low energy and often available in large quantities in different places. This work examines some viable avenues for capturing, using, and storing CO2 (CCUS), with the ultimate goal of reducing GHG emissions and global warming. In addition, the study also examines several ways to accelerate the commercialization of carbon-based products and their technologies.
Various technologies that show promising features of commercial scalability and advanced mobility. In addition, the rapid decline in the costs of many renewable sources (mainly solar and wind) has made low-cost, almost zero-carbon electricity abundant in terms of capacity and location. Consequently, this has driven some markets to offer electricity at an affordable cost and in some cases even at negative prices. As renewable electricity gradually decreases in price, there has been a greater knowledge of possible new applications (e.g. CCU and CCUS) considering turning this trend into a profitable business.
This work focuses on six main aspects related to emerging CCUS processes and technologies based on renewable energies:
1. A comprehensive investigation of three emerging renewable energy technologies and processes (RETPs) (i.e., biogas and fuel cells, synthetic fuels, mineral carbonation of fly ash) that fall into the CCUS paradigm and are special forms , relatively new or advanced from major energy sources. All explanations of RETP CCUS are followed by its market share, challenges, implications for further adoption, prospects and drawbacks.
2. Analysis of experimental work related to the direct use of fuel containing CO2 of biological origin to supply an electrochemical process dedicated to the production of energy at high efficiency. In addition, the work analyzes a case study called DEMOSOFC located at a wastewater treatment plant (WWTP) in Turin, Italy. It analyzes energy production through the use of biogas produced in WWTPs and reports the results of the use of carbon (CO2 content), as it produces energy and heat (in CHP configuration) using fuel cells; specifically, solid oxide fuel cells.
3. Analysis of the experimental and modeling work carried out at the Turin Polytechnic, related to the use of the carbon molecule to produce synthetic fuels (e-methane (CH4) and e-methanol (CH3OH)) through two processes: electrolysis of the steam + methanation, and steam electrolysis + methanol production.
4. Analysis of the chemical process called mineral carbonation (MC), a carbon capture and storage (CCUS) technology that can capture large amounts of CO2 and turn it into stable carbonate products that can be easily used in the carbon market. cement and concrete. 5. Examining the potential commercialization of CCUS technologies by identifying four main markets and eight key product categories to drive new investment and innovation at an accelerated pace. The main markets and products discussed in this chapter are: (1) Markets: building materials, chemical intermediates, fuels, polymers (2) Products: carbonate aggregates, methanol, formic acid, syngas, liquid fuels, methane, polyols and polycarbonates.
6. Assess the continued increase in RETP CCUS despite the Covid-19 pandemic resulting from a mix of policies, regulations, incentives and past innovations embedded in the electricity sectors of many advanced countries.; El tema principal d'aquest treball gira al voltant de la molècula de CO2, un gas residual estable de baix valor, poca energia i sovint disponible en gran quantitat en llocs diferents. Aquest treball examina algunes vies viables per capturar, utilitzar i emmagatzemar CO2 (CCUS), amb l'objectiu final de reduir les emissions de GEH i l'escalfament global. A més, l'estudi també examina diversos camins per accelerar la comercialització dels productes a base de carboni i les seves tecnologies. Diverses tecnologies que mostren funcions prometibles d'escalabilitat comercial i mobilitat avançada. A més, la ràpida disminució dels costos de moltes fonts renovables (principalment la solar i l'eòlica) ha fet que l'electricitat de baix cost i gairebé nul·la de carboni sigui abundant en termes de capacitat i localitat. En conseqüència, això ha impulsat alguns mercats a oferir electricitat a un cost assequible i, en alguns casos, fins i tot a preus negatius. Com que l'electricitat renovable disminueix gradualment en el preu, hi ha hagut un major coneixement de les possibles noves aplicacions (per exemple, CCU i CCUS) considerant convertir aquesta tendència en una empresa rendible. Aquest treball se centra en sis aspectes principals relacionats amb processos i tecnologies CCUS emergents basades en energies renovables: 1. Una investigació exhaustiva de tres tecnologies i processos emergents d'energies renovables (RETP) (és a dir, biogàs i cèl·lules de combustible, combustibles sintètics, carbonatació mineral de cendres voladores) que entren en el paradigma CCUS i són formes especials, relativament noves o avançades de les principals fonts d'energia. Totes les explicacions de RETP CCUS van seguides de la seva quota de mercat, els reptes, les implicacions per a una major adopció, les perspectives i els inconvenients. 2. Anàlisi de treballs experimentals relacionats amb l'ús directe de combustible que conté CO2 d'origen biològic per subministrar un procés electroquímic dedicat a la producció d'energia a alta eficiència. A més, el treball analitza un estudi de cas anomenat DEMOSOFC situat en una planta de tractament d¿aigües residuals (EDAR) a Torí, Itàlia. Analitza la producció d'energia mitjançant l'ús de biogàs produït a les EDAR i informa dels resultats de l'ús de carboni (contingut en CO2), ja que produeix energia i calor (en configuració CHP) mitjançant piles de combustible; concretament, les piles de combustible d'òxid sòlid. 3. Anàlisi del treball experimental i de modelització realitzat al Politècnic de Torí, relacionat amb l'ús de la molècula de carboni per produir combustibles sintètics (e-metà (CH4) i e-metanol (CH3OH)) mitjançant dos processos: electròlisi del vapor + metanació , i l'electròlisi del vapor + producció de metanol. 4. Anàlisi del procés químic anomenat carbonatació mineral (MC), una tecnologia d'utilització i emmagatzematge de captures de carboni (CCUS) que pot capturar grans quantitats de CO2 i convertir-lo en productes carbonats estables que es poden utilitzar fàcilment al mercat del ciment i el formigó. 5. L'examen de la comercialització potencial de les tecnologies CCUS mitjançant la identificació de quatre mercats principals i vuit categories de productes fonamentals per impulsar noves inversions i innovació a un ritme accelerat. Els principals mercats i productes discutits en aquest capítol són: (1) Mercats: materials de construcció, productes intermedis químics, combustibles, polímers (2) Productes: agregats de carbonat, metanol, àcid fòrmic, syngas, combustibles líquids, metà, poliols i policarbonats. 6. Avalua l'increment continuat de RETP CCUS malgrat la pandèmia Covid-19 resultant d'una barreja de polítiques, regulacions, incentius i innovacions passades incrustades en els sectors elèctrics de molts països avançats.; Le preoccupazioni per il riscaldamento globale e il cambiamento climatico hanno innescato gli sforzi internazionali per ridurre la quantità e la concentrazione delle emissioni di CO2 per scongiurare enormi danni economici e ambientali. Negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie efficienti e convenienti per ridurre le emissioni di CO2 antropogeniche ha preso piede in tutto il mondo.
L'argomento principale di questo lavoro ruota intorno alla molecola di CO2, un gas di scarto a basso valore, a bassa energia e stabile, spesso disponibile in grandi quantità in singole località. Questo lavoro esamina alcune strade percorribili per catturare, utilizzare e immagazzinare la CO2 (CCUS), con l'obiettivo finale di ridurre le emissioni di gas serra e il riscaldamento globale. Inoltre, lo studio esamina anche vari percorsi per accelerare la commercializzazione dei prodotti a base di carbonio e delle loro tecnologie.
Attualmente le tecnologie CCU stanno vivendo vari stadi di performance e maturità; tuttavia, ci sono progressi significativi nelle tecnologie CCU che hanno progredito negli ultimi dieci anni; varie tecnologie che mostrano una promettente scalabilità commerciale e caratteristiche di mobilità avanzate. Inoltre, il rapido declino dei costi di molte fonti rinnovabili (principalmente solare ed eolico) ha reso l'elettricità a basso costo e quasi a zero emissioni di carbonio abbondante in termini di capacità e località. Di conseguenza, questo ha spinto alcuni mercati a offrire elettricità a costi accessibili e, in alcuni casi, anche a prezzi negativi. Poiché l'elettricità rinnovabile sta gradualmente diminuendo di prezzo, c'è stato un aumento della conoscenza delle nuove applicazioni potenziali, (per esempio, CCU e CCUS) considerando di trasformare questa tendenza in un'impresa redditizia.
Questo lavoro si concentra su sei aspetti principali relativi ai processi e alle tecnologie emergenti di CCUS basati sull'energia rinnovabile:
1. Un'indagine approfondita di tre tecnologie e processi emergenti di energia rinnovabile (RETP) (cioè, biogas e celle a combustibile, combustibili sintetici, carbonatazione minerale di ceneri volanti) che rientrano nel paradigma CCUS e sono speciali, relativamente nuovi, o forme avanzate delle fonti di energia tradizionali. La spiegazione di ogni RETP CCUS è seguita dalla sua quota di mercato, dalle sfide, dalle implicazioni per una maggiore adozione, dalle prospettive e dagli svantaggi.
2. Analisi del lavoro sperimentale relativo all'uso diretto del combustibile contenente CO2 di origine biologica per alimentare un processo elettrochimico dedicato alla produzione di energia ad alta efficienza. Inoltre, il lavoro analizza un caso di studio chiamato DEMOSOFC situato in un impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP) a Torino, Italia. Esso esamina la produzione di energia utilizzando il biogas prodotto presso il WWTP e riporta i risultati dell'uso del carbonio (contenuto nella CO2) per produrre energia e calore (in configurazione CHP) utilizzando celle a combustibile; in particolare, celle a combustibile a ossido solido.
6
3. Analisi del lavoro sperimentale e modellistico svolto presso il Politecnico di Torino legato all'utilizzo della molecola del Carbonio per produrre combustibili sintetici (e-metano (CH4) ed e-metanolo (CH3OH)) attraverso due processi: elettrolisi a vapore + metanazione, ed elettrolisi a vapore + produzione di metanolo.
4. Analisi del processo chimico chiamato carbonatazione minerale (MC), una tecnologia di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) che può catturare grandi quantità di CO2 e convertirla in prodotti carbonati stabili che possono essere facilmente utilizzati nel mercato del cemento e del calcestruzzo. Il lavoro porta avanti la prova pragmatica che la produzione MC ha il potenziale per fornire un reddito netto positivo e la sua fattibilità commerciale è un'impresa realistica. Tuttavia, la prospettiva di una nuova direzione di cementazione tramite la carbonatazione di FA è ancora in fase di maturazione ma con un grande potenziale di commercializzazione accelerata. L'intensificazione dei benefici ambientali ed economici generati da questo nuovo percorso per la cementazione sono sostanziali se paragonati agli attuali metodi di utilizzo dell'AF nell'industria delle costruzioni. Tuttavia, le politiche e i regolamenti esistenti sul carbonio, che limitano l'uso delle ceneri volanti (principalmente quelle ceneri che contengono maggiori quantità di calcio-HCFA) possono avere un impatto sul progresso delle tecnologie di cattura del carbonio e sulla commercializzazione dei prodotti a base di carbonio.
5. L'esame della potenziale commercializzazione delle tecnologie CCUS identificando quattro mercati principali e otto categorie di prodotti critici per guidare ulteriori investimenti e innovazione ad un ritmo accelerato. I finanziamenti e gli incentivi sono necessari per la maggior parte di questi prodotti per accelerare lo sviluppo e raggiungere una capacità di lancio commerciale su larga scala. I principali mercati e prodotti discussi in questo capitolo sono: (1) Mercati - materiali da costruzione, intermedi chimici, combustibili, polimeri (2) Prodotti - aggregati carbonati, metanolo, acido formico, syngas, combustibili liquidi, metano, polioli e policarbonati.
6. Valuta il continuo aumento di RETP CCUS nonostante la pandemia di Covid-19 derivante da una miscela di politiche passate, regolamenti, incentivi e innovazioni incorporati nei settori energetici di molti paesi lungimiranti. Inoltre, guarda al futuro di RETP CCUS dopo la pandemia.
Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Politècnico di Torino
2022-01-27T19:36:56ZSoto, AliciaThe main theme of this work revolves around the CO2 molecule, a stable waste gas of low value, low energy and often available in large quantities in different places. This work examines some viable avenues for capturing, using, and storing CO2 (CCUS), with the ultimate goal of reducing GHG emissions and global warming. In addition, the study also examines several ways to accelerate the commercialization of carbon-based products and their technologies.
Various technologies that show promising features of commercial scalability and advanced mobility. In addition, the rapid decline in the costs of many renewable sources (mainly solar and wind) has made low-cost, almost zero-carbon electricity abundant in terms of capacity and location. Consequently, this has driven some markets to offer electricity at an affordable cost and in some cases even at negative prices. As renewable electricity gradually decreases in price, there has been a greater knowledge of possible new applications (e.g. CCU and CCUS) considering turning this trend into a profitable business.
This work focuses on six main aspects related to emerging CCUS processes and technologies based on renewable energies:
1. A comprehensive investigation of three emerging renewable energy technologies and processes (RETPs) (i.e., biogas and fuel cells, synthetic fuels, mineral carbonation of fly ash) that fall into the CCUS paradigm and are special forms , relatively new or advanced from major energy sources. All explanations of RETP CCUS are followed by its market share, challenges, implications for further adoption, prospects and drawbacks.
2. Analysis of experimental work related to the direct use of fuel containing CO2 of biological origin to supply an electrochemical process dedicated to the production of energy at high efficiency. In addition, the work analyzes a case study called DEMOSOFC located at a wastewater treatment plant (WWTP) in Turin, Italy. It analyzes energy production through the use of biogas produced in WWTPs and reports the results of the use of carbon (CO2 content), as it produces energy and heat (in CHP configuration) using fuel cells; specifically, solid oxide fuel cells.
3. Analysis of the experimental and modeling work carried out at the Turin Polytechnic, related to the use of the carbon molecule to produce synthetic fuels (e-methane (CH4) and e-methanol (CH3OH)) through two processes: electrolysis of the steam + methanation, and steam electrolysis + methanol production.
4. Analysis of the chemical process called mineral carbonation (MC), a carbon capture and storage (CCUS) technology that can capture large amounts of CO2 and turn it into stable carbonate products that can be easily used in the carbon market. cement and concrete. 5. Examining the potential commercialization of CCUS technologies by identifying four main markets and eight key product categories to drive new investment and innovation at an accelerated pace. The main markets and products discussed in this chapter are: (1) Markets: building materials, chemical intermediates, fuels, polymers (2) Products: carbonate aggregates, methanol, formic acid, syngas, liquid fuels, methane, polyols and polycarbonates.
6. Assess the continued increase in RETP CCUS despite the Covid-19 pandemic resulting from a mix of policies, regulations, incentives and past innovations embedded in the electricity sectors of many advanced countries.
El tema principal d'aquest treball gira al voltant de la molècula de CO2, un gas residual estable de baix valor, poca energia i sovint disponible en gran quantitat en llocs diferents. Aquest treball examina algunes vies viables per capturar, utilitzar i emmagatzemar CO2 (CCUS), amb l'objectiu final de reduir les emissions de GEH i l'escalfament global. A més, l'estudi també examina diversos camins per accelerar la comercialització dels productes a base de carboni i les seves tecnologies. Diverses tecnologies que mostren funcions prometibles d'escalabilitat comercial i mobilitat avançada. A més, la ràpida disminució dels costos de moltes fonts renovables (principalment la solar i l'eòlica) ha fet que l'electricitat de baix cost i gairebé nul·la de carboni sigui abundant en termes de capacitat i localitat. En conseqüència, això ha impulsat alguns mercats a oferir electricitat a un cost assequible i, en alguns casos, fins i tot a preus negatius. Com que l'electricitat renovable disminueix gradualment en el preu, hi ha hagut un major coneixement de les possibles noves aplicacions (per exemple, CCU i CCUS) considerant convertir aquesta tendència en una empresa rendible. Aquest treball se centra en sis aspectes principals relacionats amb processos i tecnologies CCUS emergents basades en energies renovables: 1. Una investigació exhaustiva de tres tecnologies i processos emergents d'energies renovables (RETP) (és a dir, biogàs i cèl·lules de combustible, combustibles sintètics, carbonatació mineral de cendres voladores) que entren en el paradigma CCUS i són formes especials, relativament noves o avançades de les principals fonts d'energia. Totes les explicacions de RETP CCUS van seguides de la seva quota de mercat, els reptes, les implicacions per a una major adopció, les perspectives i els inconvenients. 2. Anàlisi de treballs experimentals relacionats amb l'ús directe de combustible que conté CO2 d'origen biològic per subministrar un procés electroquímic dedicat a la producció d'energia a alta eficiència. A més, el treball analitza un estudi de cas anomenat DEMOSOFC situat en una planta de tractament d¿aigües residuals (EDAR) a Torí, Itàlia. Analitza la producció d'energia mitjançant l'ús de biogàs produït a les EDAR i informa dels resultats de l'ús de carboni (contingut en CO2), ja que produeix energia i calor (en configuració CHP) mitjançant piles de combustible; concretament, les piles de combustible d'òxid sòlid. 3. Anàlisi del treball experimental i de modelització realitzat al Politècnic de Torí, relacionat amb l'ús de la molècula de carboni per produir combustibles sintètics (e-metà (CH4) i e-metanol (CH3OH)) mitjançant dos processos: electròlisi del vapor + metanació , i l'electròlisi del vapor + producció de metanol. 4. Anàlisi del procés químic anomenat carbonatació mineral (MC), una tecnologia d'utilització i emmagatzematge de captures de carboni (CCUS) que pot capturar grans quantitats de CO2 i convertir-lo en productes carbonats estables que es poden utilitzar fàcilment al mercat del ciment i el formigó. 5. L'examen de la comercialització potencial de les tecnologies CCUS mitjançant la identificació de quatre mercats principals i vuit categories de productes fonamentals per impulsar noves inversions i innovació a un ritme accelerat. Els principals mercats i productes discutits en aquest capítol són: (1) Mercats: materials de construcció, productes intermedis químics, combustibles, polímers (2) Productes: agregats de carbonat, metanol, àcid fòrmic, syngas, combustibles líquids, metà, poliols i policarbonats. 6. Avalua l'increment continuat de RETP CCUS malgrat la pandèmia Covid-19 resultant d'una barreja de polítiques, regulacions, incentius i innovacions passades incrustades en els sectors elèctrics de molts països avançats.
Le preoccupazioni per il riscaldamento globale e il cambiamento climatico hanno innescato gli sforzi internazionali per ridurre la quantità e la concentrazione delle emissioni di CO2 per scongiurare enormi danni economici e ambientali. Negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie efficienti e convenienti per ridurre le emissioni di CO2 antropogeniche ha preso piede in tutto il mondo.
L'argomento principale di questo lavoro ruota intorno alla molecola di CO2, un gas di scarto a basso valore, a bassa energia e stabile, spesso disponibile in grandi quantità in singole località. Questo lavoro esamina alcune strade percorribili per catturare, utilizzare e immagazzinare la CO2 (CCUS), con l'obiettivo finale di ridurre le emissioni di gas serra e il riscaldamento globale. Inoltre, lo studio esamina anche vari percorsi per accelerare la commercializzazione dei prodotti a base di carbonio e delle loro tecnologie.
Attualmente le tecnologie CCU stanno vivendo vari stadi di performance e maturità; tuttavia, ci sono progressi significativi nelle tecnologie CCU che hanno progredito negli ultimi dieci anni; varie tecnologie che mostrano una promettente scalabilità commerciale e caratteristiche di mobilità avanzate. Inoltre, il rapido declino dei costi di molte fonti rinnovabili (principalmente solare ed eolico) ha reso l'elettricità a basso costo e quasi a zero emissioni di carbonio abbondante in termini di capacità e località. Di conseguenza, questo ha spinto alcuni mercati a offrire elettricità a costi accessibili e, in alcuni casi, anche a prezzi negativi. Poiché l'elettricità rinnovabile sta gradualmente diminuendo di prezzo, c'è stato un aumento della conoscenza delle nuove applicazioni potenziali, (per esempio, CCU e CCUS) considerando di trasformare questa tendenza in un'impresa redditizia.
Questo lavoro si concentra su sei aspetti principali relativi ai processi e alle tecnologie emergenti di CCUS basati sull'energia rinnovabile:
1. Un'indagine approfondita di tre tecnologie e processi emergenti di energia rinnovabile (RETP) (cioè, biogas e celle a combustibile, combustibili sintetici, carbonatazione minerale di ceneri volanti) che rientrano nel paradigma CCUS e sono speciali, relativamente nuovi, o forme avanzate delle fonti di energia tradizionali. La spiegazione di ogni RETP CCUS è seguita dalla sua quota di mercato, dalle sfide, dalle implicazioni per una maggiore adozione, dalle prospettive e dagli svantaggi.
2. Analisi del lavoro sperimentale relativo all'uso diretto del combustibile contenente CO2 di origine biologica per alimentare un processo elettrochimico dedicato alla produzione di energia ad alta efficienza. Inoltre, il lavoro analizza un caso di studio chiamato DEMOSOFC situato in un impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP) a Torino, Italia. Esso esamina la produzione di energia utilizzando il biogas prodotto presso il WWTP e riporta i risultati dell'uso del carbonio (contenuto nella CO2) per produrre energia e calore (in configurazione CHP) utilizzando celle a combustibile; in particolare, celle a combustibile a ossido solido.
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3. Analisi del lavoro sperimentale e modellistico svolto presso il Politecnico di Torino legato all'utilizzo della molecola del Carbonio per produrre combustibili sintetici (e-metano (CH4) ed e-metanolo (CH3OH)) attraverso due processi: elettrolisi a vapore + metanazione, ed elettrolisi a vapore + produzione di metanolo.
4. Analisi del processo chimico chiamato carbonatazione minerale (MC), una tecnologia di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) che può catturare grandi quantità di CO2 e convertirla in prodotti carbonati stabili che possono essere facilmente utilizzati nel mercato del cemento e del calcestruzzo. Il lavoro porta avanti la prova pragmatica che la produzione MC ha il potenziale per fornire un reddito netto positivo e la sua fattibilità commerciale è un'impresa realistica. Tuttavia, la prospettiva di una nuova direzione di cementazione tramite la carbonatazione di FA è ancora in fase di maturazione ma con un grande potenziale di commercializzazione accelerata. L'intensificazione dei benefici ambientali ed economici generati da questo nuovo percorso per la cementazione sono sostanziali se paragonati agli attuali metodi di utilizzo dell'AF nell'industria delle costruzioni. Tuttavia, le politiche e i regolamenti esistenti sul carbonio, che limitano l'uso delle ceneri volanti (principalmente quelle ceneri che contengono maggiori quantità di calcio-HCFA) possono avere un impatto sul progresso delle tecnologie di cattura del carbonio e sulla commercializzazione dei prodotti a base di carbonio.
5. L'esame della potenziale commercializzazione delle tecnologie CCUS identificando quattro mercati principali e otto categorie di prodotti critici per guidare ulteriori investimenti e innovazione ad un ritmo accelerato. I finanziamenti e gli incentivi sono necessari per la maggior parte di questi prodotti per accelerare lo sviluppo e raggiungere una capacità di lancio commerciale su larga scala. I principali mercati e prodotti discussi in questo capitolo sono: (1) Mercati - materiali da costruzione, intermedi chimici, combustibili, polimeri (2) Prodotti - aggregati carbonati, metanolo, acido formico, syngas, combustibili liquidi, metano, polioli e policarbonati.
6. Valuta il continuo aumento di RETP CCUS nonostante la pandemia di Covid-19 derivante da una miscela di politiche passate, regolamenti, incentivi e innovazioni incorporati nei settori energetici di molti paesi lungimiranti. Inoltre, guarda al futuro di RETP CCUS dopo la pandemia.Local optics corrections in the HL-LHC
http://hdl.handle.net/2117/350058
Local optics corrections in the HL-LHC
Coello de Portugal-Martinez Vazquez, Jaime Maria
In order to increase the performance of particle colliders, it is crucial to make the beam sizes at the collision points as small as possible. This causes an increase of the beam size in the region surrounding the collision points thus enhancing the effect of magnetic errors. These errors must therefore be kept under tight control to ensure the performance and safety of the accelerator.
The present thesis studies effects of the expected magnetic errors in the regions around the collision points on the beam optics that determine the beam size in the future High-Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC), a 27 km particle accelerator situated on the French-Swiss border near Geneva, Switzerland.
It has become clear in recent years that in correcting the magnetic errors in this region a crucial requirement is an accurate measurement of the beam optics at the collision point. This thesis demonstrates that the technique used traditionally in recent years, called “K-modulation”, is not accurate enough to ensure the performance of the HL-LHC and therefore alternative methods of performing this measurement must be studied.
To perform these studies a new automatic optics correction tool has been developed and is presented in this thesis. This new tool allows faster and more systematic calculation of corrections of the magnetic errors around the interaction regions and has been successfully tested during commissioning and experiments in the LHC.
Two complementary techniques are proposed in order to improve the accuracy of the determination of the beam sizes at the collision points, namely determining the minimum beam size near the collision point using the “phase-advance” of the beam oscillations around the accelerator and locating the position of this minimum, the “beam waist”, by displacing it and maximising the collision rate characterized by the collider luminosity. In the thesis these techniques are studied theoretically, and the first results of their experimental validation performed in the LHC are presented.
This push for smaller beam sizes at the collision points not only increases the beam sizes in sections around this point but also, though to lesser degree, in the arcs of the accelerator. These regions also become susceptible to smaller magnetic errors. As some regions of the accelerator do not count with adequate corrector magnets alternative solutions are needed. Here we present the first experimental results of an optics correction performed by traversing sextupoles with off-central beam in the LHC as a solution proposal.
Another consequence of the growth of the beam sizes in the regions around the collision points is the eventual necessity for larger beam pipes. This is the case for HL-LHC where the magnetic lenses around the collision points are going to be replaced by new ones with the beam pipe of larger diameter. In order to keep the same magnetic strength though a new superconducting technology is going to be used to build these magnets. A downside of this novelty is that it is susceptible to a type of magnetic instability called “flux-jumps”. In the thesis the effect of the flux-jumps on the beam sizes is studied theoretically and concrete predictions using measurements of this effect on the prototypes of the new magnets of the HL-LHC are given. The study is also extrapolated to the Future hadron-hadron Circular Collider (FCC-hh), a proposed 100 km circular collider, in which superconducting magnets of this type are expected to be installed all around its circumference.
Finally, the thesis presents a summary of software developments performed during the previously mentioned studies, including a user interface to facilitate the use of the automatic correction tool, a new harmonic analysis program that replaces legacy code and many refactors and rewrites that have significantly eased the development of the optics measurements and corrections programs.; Con el fin de incrementar la eficiencia de los colisionadores de partículas, es crucial reducir el tamaño de los haces en el punto de colisión tanto como sea posible. Esto causa un incremento del tamaño de los haces en las regiones que rodean al punto de colisión, lo cual incrementa el efecto dañino de los errores magnéticos. Los errores en esta región deben, por tanto, mantenerse bajo estricto control para asegurar que el acelerador se comporta de forma eficiente y segura. Esta tesis estudia los efectos de los errores magnéticos alrededor de los puntos de colisión en la óptica del haz, la cual determina su tamaño en estos puntos, en la futura mejora de Alta-Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC por sus siglas en inglés), un colisionador de partículas de 27 km de circunferencia situado en Ginebra. En los últimos años se ha hecho evidente que, para corregir los errores magnéticos en estas regiones, es crucial una medida precisa de la óptica del haz en el punto de colisión. Esta tesis demuestra que la técnica de medida usada tradicionalmente, llamada “K-modulation”, no es lo suficientemente precisa para asegurar la eficiencia del HL-LHC y que por lo tanto se deben estudiar métodos alternativos. Para llevar a cabo este estudio, se ha desarrollado y se presenta en esta tesis una nueva herramienta automática de corrección de la óptica. Esta nueva herramienta permite calcular correcciones de los errores magnéticos alrededor de los puntos de interacción de forma más rápida y sistemática, y ha sido probada experimentalmente con éxito en el LHC. Se proponen dos técnicas complementarias que mejoran la precisión de la determinación de los tamaños de los haces en los puntos de colisión: la determinación del mínimo tamaño del haz en la región cercana al punto de colisión usando el “avance de fase” de las oscilaciones del haz y la localización de la posición de este mínimo, desplazándolo y buscando maximizar la frecuencia de las colisiones. En la tesis se estudian estas técnicas de forma teórica y se presentan los primeros resultados de su validación experimental en el LHC. Este impulso para reducir el tamaño de los haces en los puntos de colisión no solo incrementa su tamaño alrededor de este punto sino también, en menor medida, en los arcos. Por tanto, estas regiones también se vuelven sensibles a errores magnéticos más pequeños. Dado que algunas de estas regiones no disponen de imanes correctores, en la tesis se presentan los primeros resultados experimentales en el LHC de una corrección de la óptica atravesando sextupolos con un haz desplazado de su centro. Otra consecuencia del crecimiento del tamaño de los haces en las regiones alrededor de los puntos de colisión es la necesidad de tubos del haz de mayor diámetro. Ese es el caso en HL-LHC, donde las lentes magnéticas alrededor de los puntos de colisión van a ser remplazadas para aumentar su diámetro. Para poder mantener el mismo campo magnético, una nueva tecnología de superconductores se va a utilizar para construir estos imanes. Una desventaja de esta nueva tecnología es que es susceptible a un tipo de inestabilidad llamada “salto de flujo”. En esta tesis los efectos de estos saltos en el tamaño del haz se estudian de forma teórica y se dan predicciones concretas para el HL-LHC. Este estudio se extrapola también al Futuro Colisionador Circular de hadrones-hadrones (FCC-hh por sus siglas en ingles), un colisionador circular propuesto de 100 km en el cual se espera utilizar superconductores de este tipo alrededor de toda su circunferencia. Finalmente, la tesis presenta un resumen de diferentes desarrollos de software realizados durante los estudios antes mencionados, incluyendo una interfaz de usuario para facilitar el uso de la herramienta automática de corrección, un nuevo programa de análisis harmónico que remplaza código heredado y diversas mejoras y rescrituras de software que han desarrollado
2021-07-25T00:02:26ZCoello de Portugal-Martinez Vazquez, Jaime MariaIn order to increase the performance of particle colliders, it is crucial to make the beam sizes at the collision points as small as possible. This causes an increase of the beam size in the region surrounding the collision points thus enhancing the effect of magnetic errors. These errors must therefore be kept under tight control to ensure the performance and safety of the accelerator.
The present thesis studies effects of the expected magnetic errors in the regions around the collision points on the beam optics that determine the beam size in the future High-Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC), a 27 km particle accelerator situated on the French-Swiss border near Geneva, Switzerland.
It has become clear in recent years that in correcting the magnetic errors in this region a crucial requirement is an accurate measurement of the beam optics at the collision point. This thesis demonstrates that the technique used traditionally in recent years, called “K-modulation”, is not accurate enough to ensure the performance of the HL-LHC and therefore alternative methods of performing this measurement must be studied.
To perform these studies a new automatic optics correction tool has been developed and is presented in this thesis. This new tool allows faster and more systematic calculation of corrections of the magnetic errors around the interaction regions and has been successfully tested during commissioning and experiments in the LHC.
Two complementary techniques are proposed in order to improve the accuracy of the determination of the beam sizes at the collision points, namely determining the minimum beam size near the collision point using the “phase-advance” of the beam oscillations around the accelerator and locating the position of this minimum, the “beam waist”, by displacing it and maximising the collision rate characterized by the collider luminosity. In the thesis these techniques are studied theoretically, and the first results of their experimental validation performed in the LHC are presented.
This push for smaller beam sizes at the collision points not only increases the beam sizes in sections around this point but also, though to lesser degree, in the arcs of the accelerator. These regions also become susceptible to smaller magnetic errors. As some regions of the accelerator do not count with adequate corrector magnets alternative solutions are needed. Here we present the first experimental results of an optics correction performed by traversing sextupoles with off-central beam in the LHC as a solution proposal.
Another consequence of the growth of the beam sizes in the regions around the collision points is the eventual necessity for larger beam pipes. This is the case for HL-LHC where the magnetic lenses around the collision points are going to be replaced by new ones with the beam pipe of larger diameter. In order to keep the same magnetic strength though a new superconducting technology is going to be used to build these magnets. A downside of this novelty is that it is susceptible to a type of magnetic instability called “flux-jumps”. In the thesis the effect of the flux-jumps on the beam sizes is studied theoretically and concrete predictions using measurements of this effect on the prototypes of the new magnets of the HL-LHC are given. The study is also extrapolated to the Future hadron-hadron Circular Collider (FCC-hh), a proposed 100 km circular collider, in which superconducting magnets of this type are expected to be installed all around its circumference.
Finally, the thesis presents a summary of software developments performed during the previously mentioned studies, including a user interface to facilitate the use of the automatic correction tool, a new harmonic analysis program that replaces legacy code and many refactors and rewrites that have significantly eased the development of the optics measurements and corrections programs.
Con el fin de incrementar la eficiencia de los colisionadores de partículas, es crucial reducir el tamaño de los haces en el punto de colisión tanto como sea posible. Esto causa un incremento del tamaño de los haces en las regiones que rodean al punto de colisión, lo cual incrementa el efecto dañino de los errores magnéticos. Los errores en esta región deben, por tanto, mantenerse bajo estricto control para asegurar que el acelerador se comporta de forma eficiente y segura. Esta tesis estudia los efectos de los errores magnéticos alrededor de los puntos de colisión en la óptica del haz, la cual determina su tamaño en estos puntos, en la futura mejora de Alta-Luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC por sus siglas en inglés), un colisionador de partículas de 27 km de circunferencia situado en Ginebra. En los últimos años se ha hecho evidente que, para corregir los errores magnéticos en estas regiones, es crucial una medida precisa de la óptica del haz en el punto de colisión. Esta tesis demuestra que la técnica de medida usada tradicionalmente, llamada “K-modulation”, no es lo suficientemente precisa para asegurar la eficiencia del HL-LHC y que por lo tanto se deben estudiar métodos alternativos. Para llevar a cabo este estudio, se ha desarrollado y se presenta en esta tesis una nueva herramienta automática de corrección de la óptica. Esta nueva herramienta permite calcular correcciones de los errores magnéticos alrededor de los puntos de interacción de forma más rápida y sistemática, y ha sido probada experimentalmente con éxito en el LHC. Se proponen dos técnicas complementarias que mejoran la precisión de la determinación de los tamaños de los haces en los puntos de colisión: la determinación del mínimo tamaño del haz en la región cercana al punto de colisión usando el “avance de fase” de las oscilaciones del haz y la localización de la posición de este mínimo, desplazándolo y buscando maximizar la frecuencia de las colisiones. En la tesis se estudian estas técnicas de forma teórica y se presentan los primeros resultados de su validación experimental en el LHC. Este impulso para reducir el tamaño de los haces en los puntos de colisión no solo incrementa su tamaño alrededor de este punto sino también, en menor medida, en los arcos. Por tanto, estas regiones también se vuelven sensibles a errores magnéticos más pequeños. Dado que algunas de estas regiones no disponen de imanes correctores, en la tesis se presentan los primeros resultados experimentales en el LHC de una corrección de la óptica atravesando sextupolos con un haz desplazado de su centro. Otra consecuencia del crecimiento del tamaño de los haces en las regiones alrededor de los puntos de colisión es la necesidad de tubos del haz de mayor diámetro. Ese es el caso en HL-LHC, donde las lentes magnéticas alrededor de los puntos de colisión van a ser remplazadas para aumentar su diámetro. Para poder mantener el mismo campo magnético, una nueva tecnología de superconductores se va a utilizar para construir estos imanes. Una desventaja de esta nueva tecnología es que es susceptible a un tipo de inestabilidad llamada “salto de flujo”. En esta tesis los efectos de estos saltos en el tamaño del haz se estudian de forma teórica y se dan predicciones concretas para el HL-LHC. Este estudio se extrapola también al Futuro Colisionador Circular de hadrones-hadrones (FCC-hh por sus siglas en ingles), un colisionador circular propuesto de 100 km en el cual se espera utilizar superconductores de este tipo alrededor de toda su circunferencia. Finalmente, la tesis presenta un resumen de diferentes desarrollos de software realizados durante los estudios antes mencionados, incluyendo una interfaz de usuario para facilitar el uso de la herramienta automática de corrección, un nuevo programa de análisis harmónico que remplaza código heredado y diversas mejoras y rescrituras de software que han desarrolladoValorization of low concentration sugar side-stream from dissolving pulp production
http://hdl.handle.net/2117/348373
Valorization of low concentration sugar side-stream from dissolving pulp production
Gómez Millán, Gerardo
Among the platform chemicals that can be produced from lignocellulosic biomass, furfural
(FUR) constitutes a promising intermediate that can be processed into a variety of advanced end products.
In this thesis, the catalytic dehydration of C5-sugars was first developed and optimized using aqueous xylose solutions before the prehydrolysate of birch wood was used as a real substrate. Initially, the use of various metal oxides, such as sulphated zirconium dioxide
(SZ) on cordierite and aluminum oxide on cordierite, as catalysts for the conversion of xylose to FUR was investigated and optimized, as they were considered relatively stable under hydrothermal conditions and also exhibit a relatively high proton activity. The maximum
FUR yields from xylose were 41 mol% when using SZ on cordierite after 2 min at
210 °C, 43 mol% when using alumina on cordierite for 30 min at 210 °C and 48 mol% using autocatalysis for 60 min at 210 °C. After five reusability cycles with SZ on cordierite, this catalyst can be regenerated with similar performance and FUR yield in the 6th cycle.
In addition to heterogeneously catalyzed xylose dehydration into FUR in a monophasic, aqueous system, FUR formation in a biphasic system under auto-catalyzed conditions was also investigated. With water-immiscible organic solvents such as isophorone, cyclopentyl methyl ether (CPME), 2-methyltetrahydrofuran and 2-sec-butylphenol (SBP) FUR was immediately extracted from the aqueous phase to avoid degradation as far as possible. The maximum FUR yields reached from xylose were 48 mol% when using isophorone, 78 mol% when using CPME and 59% when employing SBP. The use of birch prehydrolysate as a source of C5-sugars led to a yield of 68% furfural and 0.01 mmol of 5-hydroxymethylfurfural at 190 °C when using CPME. When using SBP as organic solvent, a furfural yield of 54% was reached at 190 °C under optimized conditions.
In the second phase of the dissertation, Starbon®, a carbonaceous sulfonated acid catalyst, was used in a two-phase system to produce furfural from xylose. A maximum furfural yield and selectivity of 70 mol% was achieved at complete xylose conversion under optimum experimental conditions. This work suggests that functionalized Starbon® can be used as solid acid catalyst for the conversion of C5-sugars into FUR that has significant hydrothermal stability and can be reused for several cycles.
Finally, a techno-economic analysis was completed for a furfural plant with a production capacity of 5 kt/a with a minimum selling price to be 1.33 EUR/kg. This value is comparable to similar studies in the field.; La biomasa lignocelulósica representa un sustituto renovable de los materiales fósiles para la producción de combustibles y otros productos químicos. Las hemicelulosas en la biomasa lignocelulósica representan una materia prima atractiva para la producción de plataformas versátiles para un amplio rango de aplicaciones. Debido a su alto contenido en xilosa y su bajo contenido en lignina y otros carbohidratos que son productos de la degradación, el prehidrolizado de la madera es la fuente más prometedora de pentosas. En el proceso Kraft, el prehidrolizado genera durante la producción de pulpa para disolver. En la actualidad, los volúmenes de pulpa para tratar aumentan en promedio más de 5% cada año, y el prehidrolizado se considera una fuente sostenible de pentosas. Entre los productos químicos que pueden ser producidos a partir de estos materiales de origen biológico, el furfural (FUR) constituye un producto de interés que puede ser transformado en una gran variedad de productos finales avanzados. En esta tesis doctoral, la deshidratación catalítica de pentosas se desarrolló y optimizó utilizando disoluciones acuosas de xilosa antes que el prehidrolizado de madera de abedul fuera utilizado corno sustrato real. Inicialmente, se utilizaron varios óxidos metálicos, corno dióxido de zirconio sulfatado (SZ) sobre cordierita y óxido de aluminio sobre cordierita, como catalizadores para la conversión de xilosa a FUR, los cuales fueron relativamente estables bajo condiciones hidroterrnales. Las producciones de FUR a partir de xilosa fueron 41 mol% cuando se utilizó SZ sobre cordierita después de 2 rnin a 21 O ºC y 43 mol% cuando se utilizó alurnina sobre cordierita por 30 rnin a 21 O ºC, mientras que el sistema autocatalizado produjo 48 mol% después de 60 rnin a 21 O ºC. El catalizador SZ sobre cordierita puede ser regenerado con rendimiento y producción de FUR similares. Adicionalmente a la deshidratación catalítica heterogénea de xilosa a FUR en un sistema monofásico acuoso, la formación de FUR en un sistema bifásico bajo condiciones autocatalizadas también fue investigado. Con la adición de disolventes inmiscibles en agua como isoforona, ciclopentll metil eter (CPME), 2-metiltetrahidrofurano (2-MTHF) y 2-sec-butilfenol (SBP), el FUR extrae desde la fase acuosa y así se evita su degradación. La producción máxima de FUR alcanzada de xilosa fue 48 mol% cuando se utilizó isoforona, 78 mol% cuando se utilizó CPME y 59% con SBP. El uso de prehidrolizado de abedul como fuente de pentosas condujo a una producción de 68% de FUR y 0.01 mmol de 5- hidroximetilfurfural a 190 ºC cuando se empleó CPME. Cuando se utilizó SBP como disolvente orgánico, se alcanzó una producción de furfural del 54% a 190 ºC. En la segunda parte de esta tésis doctoral, se utilizó Starbon®, un catalizador ácido sulfonado de naturaleza carbonosa, en un sistema bifásico para producir furfural a partir de xilosa. Se alcanzó una producción máxima de furfural y una selectividad de 70 mol% con una conversión completa de xilosa. Se concluye, por tanto, que el Starbon® funcionalizado puede ser utilizado corno catalizador ácido sólido para la conversión de pentosas a furfural puesto que, además, tiene una estabilidad hidrotermal elevada y puede ser reutilizado por varios ciclos.
Tesi en modalitat de cotutela : Universitat Politècnica de Catalunya i Aalto-yliopisto. Aplicat embargament des de la data de defensa fins el dia 30 de juny de 2021. Tesi per compendi de publicacions
2021-07-04T00:03:27ZGómez Millán, GerardoAmong the platform chemicals that can be produced from lignocellulosic biomass, furfural
(FUR) constitutes a promising intermediate that can be processed into a variety of advanced end products.
In this thesis, the catalytic dehydration of C5-sugars was first developed and optimized using aqueous xylose solutions before the prehydrolysate of birch wood was used as a real substrate. Initially, the use of various metal oxides, such as sulphated zirconium dioxide
(SZ) on cordierite and aluminum oxide on cordierite, as catalysts for the conversion of xylose to FUR was investigated and optimized, as they were considered relatively stable under hydrothermal conditions and also exhibit a relatively high proton activity. The maximum
FUR yields from xylose were 41 mol% when using SZ on cordierite after 2 min at
210 °C, 43 mol% when using alumina on cordierite for 30 min at 210 °C and 48 mol% using autocatalysis for 60 min at 210 °C. After five reusability cycles with SZ on cordierite, this catalyst can be regenerated with similar performance and FUR yield in the 6th cycle.
In addition to heterogeneously catalyzed xylose dehydration into FUR in a monophasic, aqueous system, FUR formation in a biphasic system under auto-catalyzed conditions was also investigated. With water-immiscible organic solvents such as isophorone, cyclopentyl methyl ether (CPME), 2-methyltetrahydrofuran and 2-sec-butylphenol (SBP) FUR was immediately extracted from the aqueous phase to avoid degradation as far as possible. The maximum FUR yields reached from xylose were 48 mol% when using isophorone, 78 mol% when using CPME and 59% when employing SBP. The use of birch prehydrolysate as a source of C5-sugars led to a yield of 68% furfural and 0.01 mmol of 5-hydroxymethylfurfural at 190 °C when using CPME. When using SBP as organic solvent, a furfural yield of 54% was reached at 190 °C under optimized conditions.
In the second phase of the dissertation, Starbon®, a carbonaceous sulfonated acid catalyst, was used in a two-phase system to produce furfural from xylose. A maximum furfural yield and selectivity of 70 mol% was achieved at complete xylose conversion under optimum experimental conditions. This work suggests that functionalized Starbon® can be used as solid acid catalyst for the conversion of C5-sugars into FUR that has significant hydrothermal stability and can be reused for several cycles.
Finally, a techno-economic analysis was completed for a furfural plant with a production capacity of 5 kt/a with a minimum selling price to be 1.33 EUR/kg. This value is comparable to similar studies in the field.
La biomasa lignocelulósica representa un sustituto renovable de los materiales fósiles para la producción de combustibles y otros productos químicos. Las hemicelulosas en la biomasa lignocelulósica representan una materia prima atractiva para la producción de plataformas versátiles para un amplio rango de aplicaciones. Debido a su alto contenido en xilosa y su bajo contenido en lignina y otros carbohidratos que son productos de la degradación, el prehidrolizado de la madera es la fuente más prometedora de pentosas. En el proceso Kraft, el prehidrolizado genera durante la producción de pulpa para disolver. En la actualidad, los volúmenes de pulpa para tratar aumentan en promedio más de 5% cada año, y el prehidrolizado se considera una fuente sostenible de pentosas. Entre los productos químicos que pueden ser producidos a partir de estos materiales de origen biológico, el furfural (FUR) constituye un producto de interés que puede ser transformado en una gran variedad de productos finales avanzados. En esta tesis doctoral, la deshidratación catalítica de pentosas se desarrolló y optimizó utilizando disoluciones acuosas de xilosa antes que el prehidrolizado de madera de abedul fuera utilizado corno sustrato real. Inicialmente, se utilizaron varios óxidos metálicos, corno dióxido de zirconio sulfatado (SZ) sobre cordierita y óxido de aluminio sobre cordierita, como catalizadores para la conversión de xilosa a FUR, los cuales fueron relativamente estables bajo condiciones hidroterrnales. Las producciones de FUR a partir de xilosa fueron 41 mol% cuando se utilizó SZ sobre cordierita después de 2 rnin a 21 O ºC y 43 mol% cuando se utilizó alurnina sobre cordierita por 30 rnin a 21 O ºC, mientras que el sistema autocatalizado produjo 48 mol% después de 60 rnin a 21 O ºC. El catalizador SZ sobre cordierita puede ser regenerado con rendimiento y producción de FUR similares. Adicionalmente a la deshidratación catalítica heterogénea de xilosa a FUR en un sistema monofásico acuoso, la formación de FUR en un sistema bifásico bajo condiciones autocatalizadas también fue investigado. Con la adición de disolventes inmiscibles en agua como isoforona, ciclopentll metil eter (CPME), 2-metiltetrahidrofurano (2-MTHF) y 2-sec-butilfenol (SBP), el FUR extrae desde la fase acuosa y así se evita su degradación. La producción máxima de FUR alcanzada de xilosa fue 48 mol% cuando se utilizó isoforona, 78 mol% cuando se utilizó CPME y 59% con SBP. El uso de prehidrolizado de abedul como fuente de pentosas condujo a una producción de 68% de FUR y 0.01 mmol de 5- hidroximetilfurfural a 190 ºC cuando se empleó CPME. Cuando se utilizó SBP como disolvente orgánico, se alcanzó una producción de furfural del 54% a 190 ºC. En la segunda parte de esta tésis doctoral, se utilizó Starbon®, un catalizador ácido sulfonado de naturaleza carbonosa, en un sistema bifásico para producir furfural a partir de xilosa. Se alcanzó una producción máxima de furfural y una selectividad de 70 mol% con una conversión completa de xilosa. Se concluye, por tanto, que el Starbon® funcionalizado puede ser utilizado corno catalizador ácido sólido para la conversión de pentosas a furfural puesto que, además, tiene una estabilidad hidrotermal elevada y puede ser reutilizado por varios ciclos.Island-based polygeneration systems : feasibility of biomass-driven distributed concepts
http://hdl.handle.net/2117/347910
Island-based polygeneration systems : feasibility of biomass-driven distributed concepts
Wegener, Moritz Benjamin Gustave
The colossal risks and challenges posed by climate change require innovative solutions that must fulfil energy service demands sustainably. The concept of small-scale, biomass-based polygeneration (SBP) is one such technological approach, which optimizes locally supplied fuels to provide several energy services like electricity, heating, cooling, potable water, and/or bio-chemical products. By presenting chosen SBP systems and models employed in various socio-geographic locations, in particular distributed applications, the thesis identifies benefits as well as drawbacks of the SBP concept and aims to promote its wider usage in the field.
Because a multitude of technologies can be applied for polygeneration system design, the thesis starts with a thorough review of the highly complex and rapidly evolving field, where relevant literature is presented and assimilated. Based on this review, several models have been created for various solar-assisted SBP systems: Firstly, a small-scale Combined Cooling, Heating, and Power (CCHP) system based on biomass gasification has been investigated for a hotel resort on one of the Andaman Islands, India. Apart from economic and environmental superiority compared to a fossil-fuel reference system, the study also expanded technological aspects by adding a socio-political analysis of the benefits and drawbacks of the system for the entire island community. In the second study, a novel control algorithm was devised for a biogas-based polygeneration system generating electricity and potable water generation for a rural off-grid village in El Pando, Bolivia. It was found that the proposed system could lead to significant cost and emissions reductions paired with greater energy autonomy. In the third study, an optimization model for a combined gasification-based CCHP/Heat Pump (HP) system is presented for a tourist facility in Barcelona considering various climate scenarios. The study reveals that the system design is only slightly affected by future changes in climate and that the CCHP/HP system shows only a moderate economic performance but still considerable CO2-savings potential.
The overall findings of these studies reveal that the economic feasibility of SBP systems depends greatly not just on their inherent design but also on their location. However, all proposed polygeneration systems could lower emissions significantly, while excelling in energy efficiency as well as adaptability towards service demands and other technologies. The presented studies contribute to the state of the art by adding innovative polygeneration system designs, proposing new modelling approaches and subsequent models including SBP system enhancing technologies, as well as by investigating the effects of geographical location and climate change on the system design process.; Los colosales riesgos y retos puestos por el cambio climático requieren soluciones creativas para satisfacer las demandas de servicios energéticos de una manera más sostenible, comparado con los sistemas actuales. El concepto de poligeneración a escala pequeña y basada en biomasa (Small-scale, biomass-based polygeneration o SBP) es uno de estos enfoques, que optimiza el uso de combustible locales para proveer varios servicios energéticos como electricidad, calor, enfriamiento, agua potable y/o productos bioquímicos. Presentando una selección de sistemas SBP y modelos empleados en varias localizaciones socio-geográficas, esta tesis identifica los beneficios e inconvenientes del concepto SBP con el objetivo de promover su un uso más amplio en el mundo.
Como se puede aplicar una multitud de tecnologías para el diseño de sistemas SBP, la tesis empieza con una revisión profunda del campo, altamente complejo y dinámico, donde la literatura relevante está presentada en una forma estructurada y resumida. Basado en esta revisión, se han creado varios modelos SBP para varios sistemas SBP con asistencia solar: Principalmente, se ha investigado un sistema de generación conjunta de frio, calor y electricidad (en inglés: Combined Cooling, Heating, and Power or CCHP) basado en gasificación de biomasa para un resort (hotelero) en una de las islas Andamán, India. Además de mostrar de una superioridad económica y ambiental comparado con el sistema de referencia de combustibles fósiles, el estudio expandió el conocimiento científico añadiendo un análisis socio-político de los beneficios e inconvenientes del sistema SBP para la comunidad de la isla entera. En el segundo estudio, se ha desarrollado un nuevo algoritmo de control para un sistema de poligeneración basado en biogás, que genera electricidad y agua potable para una comunidad rural y sin conexión a una red eléctrica más grande en el Pando, Bolivia. Se ha revelado que el sistema propuesto podría bajar significantemente los costes y las emisiones junto con un aumento de la autonomía energética. En el tercer estudio se ha presentado un modelo de optimización para un sistema combinado de CCHP y bombas de calor (sistema CCHP/HP), que se considera para una estructura museístico-turística en Barcelona y para varios escenarios climáticos. En el estudio se ha descubierto que el cambio climático influye sólo ligeramente en el diseño del sistema óptimo, y que el sistema CCHP/HP demuestra sólo un moderado desempeño económico, similar al convencional, pero también un potencial considerable para la reducción de emisiones de CO2.
El conjunto de los estudios revela que la viabilidad económica de los sistemas SBP depende altamente no solo de su diseño inherente, sino también de su entorno. De todos modos, todos los sistemas SBP propuestos podrían bajar las emisiones significantemente, mientras sobresalen en eficiencia energética y adaptabilidad a servicios energéticos y tecnologías alternativas. Los estudios presentados contribuyen al estado del arte añadiendo diseños innovadores de sistemas SBP, proponiendo nuevos enfoques de modelado y cálculo, y subsecuentemente nuevos modelos incluyendo tecnologías aumentando sistemas SBP, e investigando los efectos de la ubicación geográfica y del cambio climático al proceso del diseño de los sistemas SBP.; Sammanfattning
Klimatförändringen bär med sig kolossala risker och utmaningar, som kräver innovativa lösningar för att tillhandahålla energitjänster på ett mer hållbart sätt än med tidigare energisystem. Konceptet med småskaliga, biomassa-baserade polygeneration (SBP) system är ett sådant teknologiskt tillvägagångssätt, vilket optimerar användningen av lokalt producerat bränsle för att tillhandahålla olika energitjänster som elektricitet, värma, kyla, dricksvatten, eller/och bio-kemiska produkter. Doktorsarbetet identifierar för- och nackdelar hos olika SBP konceptet genom att presentera ett urval av SBP system och modeller av dem för olika geografiska regioner, med mål att främja vidare applikation av dem i fält.
Eftersom en mängd tekniker kan användas för design av polygenerationssystem, börjar avhandlingen med en grundlig genomgång av det mycket komplexa och snabbt utvecklande området, där relevant litteratur presenteras och assimileras. Baserat på denna recension har flera modeller skapats för olika solassisterade SBP-system: För det första har ett småskaligt kombinerat kyl-, värme- och kraftsystem (CCHP) baserat på biomassaförgasning undersökts för en hotellanläggning på en av Andamanöarna, Indien. Bortsett från ekonomisk och miljömässig överlägsenhet jämfört med ett referenssystem för fossila bränslen har studien även inkluderat tekniska aspekter genom att lägga till en socio-politisk analys av fördelarna och nackdelarna med systemet för hela ö-samhället. I den andra studien utvecklades en ny regleralgoritm för ett biogasbaserat polygenereringssystem som genererar el och renar vatten till dricksvatten för en by utan elförsörjning i El Pando, Bolivia. Det konstaterades att det föreslagna systemet kan leda till betydande kostnads- och utsläppsminskningar i kombination med större energiautonomi. I den tredje studien presenteras en optimeringsmodell för ett kombinerat förgasningsbaserat CCHP / värmepumpsystem (HP) för en turistanläggning i Barcelona under olika klimatscenarier. Studien avslöjar att systemdesignen bara i låg grad påverkas av framtida klimatförändringar och att CCHP / HP-systemet endast visar en måttlig ekonomisk prestanda men fortfarande en betydande potential för CO2-besparingar. De övergripande resultaten av dessa studier visar att den ekonomiska genomförbarheten för SBP-system inte bara beror på deras inneboende design utan också på deras lokalisering. Alla föreslagna SBP-system kan emellertid sänka emissionerna betydligt, samtidigt som de sticker ut i energieffektivitet samt anpassningsbarhet efter energitjänster och annan teknik. De presenterade studierna bidrar till vetenskapen genom att lägga till innovativa SBP-systemdesigner, föreslå nya modelleringsmetoder och efterföljande modeller inklusive SBP-systemförbättrande teknik, samt genom att undersöka effekterna av geografisk plats och klimatförändringar på systemdesignprocessen
Tesi en modalitat de cotutela, Universitat Politècnica de Catalunya i Kungliga Tekniska högskolan, dins del programa Erasmus Mundus Joint Doctoral Programme SELECT+
2021-06-27T00:05:04ZWegener, Moritz Benjamin GustaveThe colossal risks and challenges posed by climate change require innovative solutions that must fulfil energy service demands sustainably. The concept of small-scale, biomass-based polygeneration (SBP) is one such technological approach, which optimizes locally supplied fuels to provide several energy services like electricity, heating, cooling, potable water, and/or bio-chemical products. By presenting chosen SBP systems and models employed in various socio-geographic locations, in particular distributed applications, the thesis identifies benefits as well as drawbacks of the SBP concept and aims to promote its wider usage in the field.
Because a multitude of technologies can be applied for polygeneration system design, the thesis starts with a thorough review of the highly complex and rapidly evolving field, where relevant literature is presented and assimilated. Based on this review, several models have been created for various solar-assisted SBP systems: Firstly, a small-scale Combined Cooling, Heating, and Power (CCHP) system based on biomass gasification has been investigated for a hotel resort on one of the Andaman Islands, India. Apart from economic and environmental superiority compared to a fossil-fuel reference system, the study also expanded technological aspects by adding a socio-political analysis of the benefits and drawbacks of the system for the entire island community. In the second study, a novel control algorithm was devised for a biogas-based polygeneration system generating electricity and potable water generation for a rural off-grid village in El Pando, Bolivia. It was found that the proposed system could lead to significant cost and emissions reductions paired with greater energy autonomy. In the third study, an optimization model for a combined gasification-based CCHP/Heat Pump (HP) system is presented for a tourist facility in Barcelona considering various climate scenarios. The study reveals that the system design is only slightly affected by future changes in climate and that the CCHP/HP system shows only a moderate economic performance but still considerable CO2-savings potential.
The overall findings of these studies reveal that the economic feasibility of SBP systems depends greatly not just on their inherent design but also on their location. However, all proposed polygeneration systems could lower emissions significantly, while excelling in energy efficiency as well as adaptability towards service demands and other technologies. The presented studies contribute to the state of the art by adding innovative polygeneration system designs, proposing new modelling approaches and subsequent models including SBP system enhancing technologies, as well as by investigating the effects of geographical location and climate change on the system design process.
Los colosales riesgos y retos puestos por el cambio climático requieren soluciones creativas para satisfacer las demandas de servicios energéticos de una manera más sostenible, comparado con los sistemas actuales. El concepto de poligeneración a escala pequeña y basada en biomasa (Small-scale, biomass-based polygeneration o SBP) es uno de estos enfoques, que optimiza el uso de combustible locales para proveer varios servicios energéticos como electricidad, calor, enfriamiento, agua potable y/o productos bioquímicos. Presentando una selección de sistemas SBP y modelos empleados en varias localizaciones socio-geográficas, esta tesis identifica los beneficios e inconvenientes del concepto SBP con el objetivo de promover su un uso más amplio en el mundo.
Como se puede aplicar una multitud de tecnologías para el diseño de sistemas SBP, la tesis empieza con una revisión profunda del campo, altamente complejo y dinámico, donde la literatura relevante está presentada en una forma estructurada y resumida. Basado en esta revisión, se han creado varios modelos SBP para varios sistemas SBP con asistencia solar: Principalmente, se ha investigado un sistema de generación conjunta de frio, calor y electricidad (en inglés: Combined Cooling, Heating, and Power or CCHP) basado en gasificación de biomasa para un resort (hotelero) en una de las islas Andamán, India. Además de mostrar de una superioridad económica y ambiental comparado con el sistema de referencia de combustibles fósiles, el estudio expandió el conocimiento científico añadiendo un análisis socio-político de los beneficios e inconvenientes del sistema SBP para la comunidad de la isla entera. En el segundo estudio, se ha desarrollado un nuevo algoritmo de control para un sistema de poligeneración basado en biogás, que genera electricidad y agua potable para una comunidad rural y sin conexión a una red eléctrica más grande en el Pando, Bolivia. Se ha revelado que el sistema propuesto podría bajar significantemente los costes y las emisiones junto con un aumento de la autonomía energética. En el tercer estudio se ha presentado un modelo de optimización para un sistema combinado de CCHP y bombas de calor (sistema CCHP/HP), que se considera para una estructura museístico-turística en Barcelona y para varios escenarios climáticos. En el estudio se ha descubierto que el cambio climático influye sólo ligeramente en el diseño del sistema óptimo, y que el sistema CCHP/HP demuestra sólo un moderado desempeño económico, similar al convencional, pero también un potencial considerable para la reducción de emisiones de CO2.
El conjunto de los estudios revela que la viabilidad económica de los sistemas SBP depende altamente no solo de su diseño inherente, sino también de su entorno. De todos modos, todos los sistemas SBP propuestos podrían bajar las emisiones significantemente, mientras sobresalen en eficiencia energética y adaptabilidad a servicios energéticos y tecnologías alternativas. Los estudios presentados contribuyen al estado del arte añadiendo diseños innovadores de sistemas SBP, proponiendo nuevos enfoques de modelado y cálculo, y subsecuentemente nuevos modelos incluyendo tecnologías aumentando sistemas SBP, e investigando los efectos de la ubicación geográfica y del cambio climático al proceso del diseño de los sistemas SBP.
Sammanfattning
Klimatförändringen bär med sig kolossala risker och utmaningar, som kräver innovativa lösningar för att tillhandahålla energitjänster på ett mer hållbart sätt än med tidigare energisystem. Konceptet med småskaliga, biomassa-baserade polygeneration (SBP) system är ett sådant teknologiskt tillvägagångssätt, vilket optimerar användningen av lokalt producerat bränsle för att tillhandahålla olika energitjänster som elektricitet, värma, kyla, dricksvatten, eller/och bio-kemiska produkter. Doktorsarbetet identifierar för- och nackdelar hos olika SBP konceptet genom att presentera ett urval av SBP system och modeller av dem för olika geografiska regioner, med mål att främja vidare applikation av dem i fält.
Eftersom en mängd tekniker kan användas för design av polygenerationssystem, börjar avhandlingen med en grundlig genomgång av det mycket komplexa och snabbt utvecklande området, där relevant litteratur presenteras och assimileras. Baserat på denna recension har flera modeller skapats för olika solassisterade SBP-system: För det första har ett småskaligt kombinerat kyl-, värme- och kraftsystem (CCHP) baserat på biomassaförgasning undersökts för en hotellanläggning på en av Andamanöarna, Indien. Bortsett från ekonomisk och miljömässig överlägsenhet jämfört med ett referenssystem för fossila bränslen har studien även inkluderat tekniska aspekter genom att lägga till en socio-politisk analys av fördelarna och nackdelarna med systemet för hela ö-samhället. I den andra studien utvecklades en ny regleralgoritm för ett biogasbaserat polygenereringssystem som genererar el och renar vatten till dricksvatten för en by utan elförsörjning i El Pando, Bolivia. Det konstaterades att det föreslagna systemet kan leda till betydande kostnads- och utsläppsminskningar i kombination med större energiautonomi. I den tredje studien presenteras en optimeringsmodell för ett kombinerat förgasningsbaserat CCHP / värmepumpsystem (HP) för en turistanläggning i Barcelona under olika klimatscenarier. Studien avslöjar att systemdesignen bara i låg grad påverkas av framtida klimatförändringar och att CCHP / HP-systemet endast visar en måttlig ekonomisk prestanda men fortfarande en betydande potential för CO2-besparingar. De övergripande resultaten av dessa studier visar att den ekonomiska genomförbarheten för SBP-system inte bara beror på deras inneboende design utan också på deras lokalisering. Alla föreslagna SBP-system kan emellertid sänka emissionerna betydligt, samtidigt som de sticker ut i energieffektivitet samt anpassningsbarhet efter energitjänster och annan teknik. De presenterade studierna bidrar till vetenskapen genom att lägga till innovativa SBP-systemdesigner, föreslå nya modelleringsmetoder och efterföljande modeller inklusive SBP-systemförbättrande teknik, samt genom att undersöka effekterna av geografisk plats och klimatförändringar på systemdesignprocessenSolar fuels via two-step thermochemical redox cycles for power and fuel production
http://hdl.handle.net/2117/342105
Solar fuels via two-step thermochemical redox cycles for power and fuel production
Uddin, Azhar
With the issue of the rise of anthropogenic CO2, global warming and rise of the primary energy demand, strong measures for the energy transition and the diversification with renewables and existing fossil-based infrastructure are required. Also, carbon capture and utilization of CO2 would also be needed. In that sense, thermochemical redox cycles gain particular interest to produce synthetic fuels, which can be used for energy generation and production of chemicals. In a two-step redox cycles, metal oxides acts as oxygen carriers and undergo looping between two reactors. In the reduction reactor, metal oxide is reduced with release of oxygen (solar-thermal) or produces syngas (for fuel reduction) whereas, in oxidation, CO2/H2O splits for form syngas when in contact with the metal oxide. Ceria being readily available at large scale and due to its nature of undergoing reduction non-stoichiometrically at low temperature makes it a good candidate.
In the present thesis, a detailed investigation of thermochemical dissociation of CO2 and H2O considering solar thermal and fuel reduction with a focus on non-structured reactors is carried out.
For the solar-driven cycle, an assessment of counter-current flow moving bed reactors for reduction and oxidation is performed and a chemical looping (CL) unit is added to a 100 MW power plant. With an operating temperature of 1600oC and 10-7 bar pressure, a maximum power output of 12.9 MW with solar to electricity efficiency of 25.4% is calculated. This additional power would bring down the efficiency loss due to carbon capture from 11.3 to 6%. Even though a considerable efficiency is obtained on very optimistic operating conditions, it still requires a huge solar field. Economics revealed that with a carbon tax of $40/tone of CO2 the levelized cost of electricity (LCOE) achieved is 17.8 times higher than the existing market price (without carbon capture). If a higher carbon tax of 80$/MWh is considered that it would still be 6.28 times higher for a plant with a carbon tax.
As an alternative, methane-driven CL unit is integrated into a power plant to access the overall system efficiency and amount of efficiency regain after carbon capture. Since there exists no solid-state kinetic model in the literature for methane driven CO2/H2O splitting cycle, an experimental investigation was performed which revealed that an Avrami-Erofe’ev (AE3) model fit best to both oxidation and reduction, with activation energies of 283 kJ/mol and 59.7 kJ/mol, respectively. A comparative assessment was performed to investigate the influence of kinetics. A CL unit based on thermodynamics and kinetics (with moving bed reactors) were tested in a power plant. A drop of 20% in the efficiency of the CL unit was observed when the kinetic-based CL unit is considered. However, due to thermal balance within the system, a similar thermal efficiency of the overall plant was achieved as 50.9%. However, when the thermodynamic-based CL unit layout is considered there exists an excess heat which predicts the possibility of improving the efficiency. An economic assessment revealed a specific overnight capital cost of 2455$/kW, a levelized cost of CO2 savings of 96.25 $/tonneCO2, and a LCOE of 128.01 $/MWh. However, with a carbon tax of 6 $/tonneCO2, the LCOE would drop below 50 $/MWh.
The methane-driven CL unit is later integrated as an add-on unit to a polygeneration plant that produces electricity and dimethyl ether. The results showed that the plant can produce 103 MWe and 2.15 kg/s of DME with energy and exergy efficiency of 50% and 44%, respectively. The capital investment required for the plantis about $534 million. With the carbon tax of $40/tonne of CO2, a current DME price of $18/GJ and an electricity price of $50/MWh would be achieved.
Overall, the integration of the CL unit as an add-on unit to the power plant is more suitable than polygeneration with respect to the existing market price.; El aumento del CO2 antropogénico y el calentamiento global y el aumento de la demanda de energía primaria hace que se requieran medidas para la transición energética y la diversificación con energías renovables e infraestructuras existentes basadas en combustibles fósiles. Además de implementar medidas para la captura y el secuestro de carbono, también se necesita desarrollar métodos para la utilización de CO2. En ese sentido, los ciclos redox termoquímicos son particularmente interesantes para producir combustible sintético que, a su vez, pueden utilizarse para la producción de otras substancias químicas. La rotura de CO2 / H2O (CL) mediante una vía termoquímica de dos pasos está compuesta por dos reacciones redox con un óxido metálico. El primer paso es la reducción de los óxidos metálicos al perder oxígeno y crear vacantes en la red a una temperatura más alta y convertirse en óxido de metal de valencia más baja. Durante la etapa de oxidación, los gases reactivos CO2 / H2O reaccionan con el óxido metálico reducido formando CO y H2. Se ha investigado el uso de diferentes óxidos metálicos en función de su capacidad de transporte de oxígeno y sus propiedades para realizar ciclos redox continuos a distintos valores de temperatura y presión. Después de un examen cuidadoso, se ha seleccionado a la ceria para la división de CO2 / H2O a gran escala.
En el presente trabajo, se investigan las divisiones termoquímicas de CO2 / H2O impulsadas por energía solar y la reducción de metano para la producción de gas de síntesis, con especial atención a su aplicación en reactores no estructurados. Se evalúa el uso de reactores de lecho móvil basado en flujo contracorriente y reactores de lecho fluidizado que funcionan en diferentes regímenes de fluidización. Es un reactor de lecho móvil tanto para la etapa de reducción como para la etapa de oxidación se obtienen altas selectividades de CO y H2 con volúmenes óptimos del reactor, mientras que en un reactor de lecho fluidizado el volumen requerido es mucho más alto, lo que lo hace inviable. Los modelos de reactor se han desarrollado en Aspen plus y se validan a partir de la literatura. Un análisis de sensibilidad ha revelado que la unidad CL depende en gran medida de la temperatura y la presión. El análisis se ha ampliado integrando la unidad desarrollada de CL como una unidad adicional a una central eléctrica de 100 MW con captura de carbono. La eficiencia de la planta se ha investigado considerando sólo la división de CO2, sólo la del H2O y la mezcla de CO2 y H2O como alimentación al reactor de oxidación de la unidad CL. El resultado es de una potencia máxima de 12.9 MW con una eficiencia de energía solar a eléctrica de 25.4%. Esta potencia adicional reduciría la pérdida de eficiencia debido a la captura de carbono de 11.3 a 6%. Para lograr esto, el reactor de reducción de la unidad CL debe funcionar a 1600 ° C y 10-7 bar de presión. Estas condiciones necesitarían un enorme campo solar y la operación, en ausencia de almacenamiento térmico, se limitaría a unas pocas horas durante el día. El análisis técnico-económico ha revelado que el coste nivelado de la electricidad es de 1321 $/MWh sin incluir incentivos ni impuestos sobre el carbono.
Posteriormente, se ha considerado la reducción del metano como una alternativa a la reducción térmica. Al principio, se realizaron análisis termodinámicos de la unidad de CL impulsada por metano. A partir del análisis, se ha demostrado que la temperatura mínima requerida es de 900°C con 50% de exceso de metano para la reducción, lo que supone una eficiencia de la unidad CL de 62% con un rendimiento óptimo de CO y H2. La división de CO2/H2O en el reactor de oxidación a una mayor temperatura de salida beneficiaría considerablemente la eficiencia energética del ciclo redox CL completo. La variación de la relación H2/CO en la salida con respecto a los parámetros de entrada variables que incluyen la composición del gas al reactor de oxidación se ha estudiado con el fin de especificar las condiciones operativas idóneas.
Posteriormente, la unidad CL impulsada por metano se ha integrado como una unidad adicional a una central eléctrica de 500 MW alimentada por oxígeno. Se ha investigado el rendimiento de un sistema con un ciclo combinado de gas natural convencional con o sin captura de carbono. Se ha obtenido una eficiencia de sistema y eficiencia energética de 50.7 y 47.4%, respectivamente. La eficiencia del sistema podría mejorarse a 61.5%, sujeto a la optimización del sistema. La evaluación tecno-económica ha revelado un coste de capital durante la noche de 2455 $/kW con un coste de ahorro de CO2 de 96.25 $/tonelada CO2 y un LCOE de 128.01 $/MWh. Sin embargo, con créditos de carbono de 6 $/tonelada CO2, el LCOE caería por debajo de 50 $/MWh.; Con l'aumento delle emissioni di CO2 antropogenica che contribuiscono al riscaldamento globale e l'incremento della domanda mondiale di energia primaria, sono richieste significative misure per favorire la diversificazione delle fonti e la transizione energetica tramite fonti rinnovabili a partire dalle infrastrutture esistenti basate su combustibili fossili. Prima ancora degli interventi per la cattura e il sequestro dell’anidride carbonica, anche l’utilizzo della CO2 rappresenta una misura necessaria al raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. In questo senso, i cicli redox termochimici hanno acquisito particolare interesse per la produzione di combustibile sintetico da utilizzare come intermedio nella produzione di altri prodotti chimici. La separazione chimica di CO2/H2O attraverso un ciclo termochimico – chemical looping splitting (CL) – in due fasi è composta da due reazioni redox con un ossido di metallo. La prima fase del ciclo avviene alla temperatura più elevata e consiste nella riduzione dell’ossido di metallo, che cede ossigeno creando vacanze nel reticolo e diventando ossido di metallo a bassa valenza. Durante la fase di ossidazione, i gas reagenti CO2/H2O reagiscono con l'ossido di metallo ridotto che forma CO e H2. Una mappatura dettagliata dei diversi ossidi di metallo è stata effettuata in base alla loro capacità di trasporto dell’ossigeno e alle proprietà nei cicli di ossido-riduzione a funzionamento continuo in condizioni di variazione di temperatura e pressione. Dopo un attento esame, l’ossido di Cerio - ceria - è stato selezionato per l'applicazione che può essere disponibile per la scissione CO2 / H2O su larga scala.
In questo lavoro, sia la separazione termochimica di CO2/H2O alimentata tramite energia solare, sia i cicli con riduzione tramite metano, entrambi finalizzati all
produzione di syngas sono stati studiati con particolare attenzione ai reattori non strutturati.
Per il ciclo termochimico basato su energia solare, è stata effettuata la valutazione dei reattori a letto mobile a flusso in controcorrente e a letto fluido che operano in diversi regimi di fluidizzazione. Il reattore a letto mobile è stato individuato come il più performante sia per la riduzione che l’ossidazione, con elevate selettività verso CO e H2 e volumi ottimali del reattore, mentre una resa analoga con reattori a letto fluidizzato potrebbe essere ottenuta solo con volumi di reattore molto alti, rendendo questa scelta irrealizzabile nella pratica. I modelli di reattore sono stati sviluppati in Aspen plus e sono stati validati dalla letteratura. Un'analisi di sensitività ha rivelato che la performance dell'unità CL è in larga misura dipendente dalla temperatura e dalla pressione di riduzione. L'analisi è stata estesa integrando l'unità CL sviluppata come unità aggiuntiva di una centrale elettrica a ossicombustione da 100 MW con cattura di carbonio. L'efficienza dell'impianto è stata studiata considerando di alimentare il reattore di ossidazione dell'unità CL sia con CO2, sia con H2O, sia con una miscela di CO2 e H2O. I risultati indicano una potenza massima di 12,9 MW con un rendimento da solare a elettricità del 25,4% generabile grazie all’unità di CL. Questa potenza aggiuntiva ridurrebbe la perdita di efficienza dovuta alla cattura di carbonio dall'11,3 al 6%. Per ottenere ciò, il reattore di riduzione dell'unità CL deve operare a 1600 ° C con una pressione di 10-7 bar. Queste condizioni avrebbero bisogno di un enorme campo solare e l'operazione sarebbe limitata a poche ore durante il giorno senza l’integrazione di un accumulo termico. L'analisi tecno-economica ha rivelato che il costo livellato (levelizad cost) dell'elettricità era di 1321 $ / MWh, senza includere incentivi o tassazione sul carbonio.
Successivamente, è stata considerata la riduzione della ceria con metano come alternativa alla riduzione termica. Inizialmente, sono state condotte analisi termodinamiche dell'unità CL con riduzione a metano. Dall'analisi è emerso che la temperatura minima richiesta era 900 °C per la riduzione con un eccesso di metano del 50%, che ha prodotto un'efficienza dell'unità CL del 62% con una resa ottimale di CO e H2. In questo caso, la scissione di CO2/H2O nel reattore di ossidazione consisteva nell'ossidazione completa esotermica della ceria, per cui una temperatura di uscita più elevata avrebbe notevolmente migliorato l'efficienza energetica del ciclo CL redox completo. La variazione del rapporto H2 / CO all'uscita rispetto ai vari parametri di input, compresa la composizione del gas inviato al reattore di ossidazione, è stata studiata per specificare le condizioni operative necessarie.
Successivamente, l'unità CL a metano è stata integrata come unità aggiuntiva in una centrale elettrica a ossicombustione da 500 MW. Sono state studiate le prestazioni del sistema in una valutazione comparativa con un ciclo combinato convenzionale a gas naturale, un ciclo a ossicombustione con cattura di carbonio e l'impianto proposto. Sono stati ottenuti per l’impianto rispettivamente un rendimento del sistema e un'efficienza energetica del 50,7% e del 47,4%. L'efficienza del sistema potrebbe essere migliorata fino al 61,5% tramite l'ottimizzazione del recupero termico del sistema, valutata attraverso la pinch analysis del sistema. Una dettagliata valutazione tecno-economica ha rivelato un costo specifico del capitale di 2455 $ / kW (overnight cost), un costo livellato delle emissioni di CO2 evitate 96,25 $ / tonnellata di CO2, e un costo dell’elettricità (LCOE) di 128,01 $ / MWh. Tuttavia, considerando un incentivo di 6 $ / tonnellata di CO2 evitata, il LCOE scenderebbe sotto i 50 $ / MWh.
L'unità CL a metano viene successivamente integrata come unità aggiuntiva in un impianto di poligenerazione che produce elettricità e dimetil-etere. I risultati hanno mostrato che l'impianto può produrre 103 MWe e 2,15 kg/s di DME con un’efficienza energetica ed exergetica del 50% e del 44% rispettivamente. L'investimento di capitale richiesto per l'impianto ammonta a 534 M$. Con un valoré per la carbon tax di $ 40 / tonnellata di CO2, il DME e l’elettricità raggiungerebbero la parità con gli attuali prezzi di mercato, pari a $18/GJ per il DME e $50/MWh per l’elettricità. I costi risultanti sono dovuti all'unità di separazione dell'aria richiesta per la centrale elettrica a ossicombustione e può essere ridotta sostituendo l'unità di separazione dell'aria con una tecnologia a membrana per la separazione dell'ossigeno.
Poiché in letteratura non esiste un modello completo per cinetica dello stato solido che descriva la riduzione con metano della ceria, esso è stato ricavato per via sperimentale. Sono stati condotti esperimenti in un reattore tubolare orizzontale a letto fisso in un intervallo di temperatura di 900-1100 °C. E’ stata studiata la cinetica della scissione della CO2, essendo una reazione più complessa rispetto alla scissione dell'acqua, la cui cinetica è stata invece ottenuta dalla letteratura. In base all’analisi sperimentale condotta, il modello cinetico Avrami-Erofe'ev (AE3) è risultato essere il migliore per entrambe le reazioni, con le rispettive energie di attivazione ottenute rispettivamente come 283 kJ/mol e 59,68 kJ/mol. L'ordine della reazione è stato ricavato come relazione tra temperatura e concertazione dei reagenti.
L'analisi è stata effettuata seguendo un approccio termodinamico, ma la reazione eterogenea dell'ossido di metallo e dei gas reagenti limita il raggiungimento dell'equilibrio durante la reazione e dipende sempre dal tipo di reattore scelto per
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l'applicazione. Pertanto, un modello di reattore a letto mobile è stato sviluppato considerando la riduzione del metano ottenuta sperimentalmente e la cinetica di splitting della CO2 è stata incorporata per valutare i due impianti proposti: la centrale elettrica e l'impianto di poligenerazione. È stata osservata una riduzione del 20% nell'efficienza dell'unità CL. Tuttavia, grazie all’integrazione termica interna al sistema, l’efficienza termica dell'impianto complessivo è molto simile a quella raggiunta nell’analisi termodinamica, con un valore del 50,9%. Tuttavia, a differenza del layout termodinamico, non è disponibile calore in eccesso per migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema. Oltre al riciclo e all'utilizzo della CO2, come criteri di valutazione della sostenibilità per il layout proposto sono stati analizzati anche l’occupazione del suolo terreno e il fabbisogno idrico. Sia il fabbisogno di terra che di acqua aumentano di 2,5 volte rispetto ad una centrale convenzionale a ciclo combinato a gas naturale.
Inoltre, anche l’impianto di poligenerazione con produzione di energia elettrica e dimetil etere (DME) è stato studiato considerando un modello dell’unità CL basato sulla cinetica e ha rilevato che la produzione di DME scenderebbe da 2,15 kg/s a 1,48 kg/s e la potenza elettrica prodotta da 103 a 72 MW. Pertanto, la cinetica ha una forte influenza sulla prestazione complessiva del sistema, e considerarla nell’analisi porta a ridurre la produzione di energia e DME di circa il 30% con un aumento di costo del 30%.
Complessivamente, l'integrazione dell'unità CL come unità aggiuntiva ad una centrale elettrica a ossicombustione risulta più adatta rispetto alla poligenerazione, considerando il prezzo di mercato attuale per le commodities prodotte.
Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Politecnico di Torio. Doctoral Program of Erasmus Mundus in Environomical Pathways for Sustainable
Energy Services (SELECT+)
2021-03-21T01:01:25ZUddin, AzharWith the issue of the rise of anthropogenic CO2, global warming and rise of the primary energy demand, strong measures for the energy transition and the diversification with renewables and existing fossil-based infrastructure are required. Also, carbon capture and utilization of CO2 would also be needed. In that sense, thermochemical redox cycles gain particular interest to produce synthetic fuels, which can be used for energy generation and production of chemicals. In a two-step redox cycles, metal oxides acts as oxygen carriers and undergo looping between two reactors. In the reduction reactor, metal oxide is reduced with release of oxygen (solar-thermal) or produces syngas (for fuel reduction) whereas, in oxidation, CO2/H2O splits for form syngas when in contact with the metal oxide. Ceria being readily available at large scale and due to its nature of undergoing reduction non-stoichiometrically at low temperature makes it a good candidate.
In the present thesis, a detailed investigation of thermochemical dissociation of CO2 and H2O considering solar thermal and fuel reduction with a focus on non-structured reactors is carried out.
For the solar-driven cycle, an assessment of counter-current flow moving bed reactors for reduction and oxidation is performed and a chemical looping (CL) unit is added to a 100 MW power plant. With an operating temperature of 1600oC and 10-7 bar pressure, a maximum power output of 12.9 MW with solar to electricity efficiency of 25.4% is calculated. This additional power would bring down the efficiency loss due to carbon capture from 11.3 to 6%. Even though a considerable efficiency is obtained on very optimistic operating conditions, it still requires a huge solar field. Economics revealed that with a carbon tax of $40/tone of CO2 the levelized cost of electricity (LCOE) achieved is 17.8 times higher than the existing market price (without carbon capture). If a higher carbon tax of 80$/MWh is considered that it would still be 6.28 times higher for a plant with a carbon tax.
As an alternative, methane-driven CL unit is integrated into a power plant to access the overall system efficiency and amount of efficiency regain after carbon capture. Since there exists no solid-state kinetic model in the literature for methane driven CO2/H2O splitting cycle, an experimental investigation was performed which revealed that an Avrami-Erofe’ev (AE3) model fit best to both oxidation and reduction, with activation energies of 283 kJ/mol and 59.7 kJ/mol, respectively. A comparative assessment was performed to investigate the influence of kinetics. A CL unit based on thermodynamics and kinetics (with moving bed reactors) were tested in a power plant. A drop of 20% in the efficiency of the CL unit was observed when the kinetic-based CL unit is considered. However, due to thermal balance within the system, a similar thermal efficiency of the overall plant was achieved as 50.9%. However, when the thermodynamic-based CL unit layout is considered there exists an excess heat which predicts the possibility of improving the efficiency. An economic assessment revealed a specific overnight capital cost of 2455$/kW, a levelized cost of CO2 savings of 96.25 $/tonneCO2, and a LCOE of 128.01 $/MWh. However, with a carbon tax of 6 $/tonneCO2, the LCOE would drop below 50 $/MWh.
The methane-driven CL unit is later integrated as an add-on unit to a polygeneration plant that produces electricity and dimethyl ether. The results showed that the plant can produce 103 MWe and 2.15 kg/s of DME with energy and exergy efficiency of 50% and 44%, respectively. The capital investment required for the plantis about $534 million. With the carbon tax of $40/tonne of CO2, a current DME price of $18/GJ and an electricity price of $50/MWh would be achieved.
Overall, the integration of the CL unit as an add-on unit to the power plant is more suitable than polygeneration with respect to the existing market price.
El aumento del CO2 antropogénico y el calentamiento global y el aumento de la demanda de energía primaria hace que se requieran medidas para la transición energética y la diversificación con energías renovables e infraestructuras existentes basadas en combustibles fósiles. Además de implementar medidas para la captura y el secuestro de carbono, también se necesita desarrollar métodos para la utilización de CO2. En ese sentido, los ciclos redox termoquímicos son particularmente interesantes para producir combustible sintético que, a su vez, pueden utilizarse para la producción de otras substancias químicas. La rotura de CO2 / H2O (CL) mediante una vía termoquímica de dos pasos está compuesta por dos reacciones redox con un óxido metálico. El primer paso es la reducción de los óxidos metálicos al perder oxígeno y crear vacantes en la red a una temperatura más alta y convertirse en óxido de metal de valencia más baja. Durante la etapa de oxidación, los gases reactivos CO2 / H2O reaccionan con el óxido metálico reducido formando CO y H2. Se ha investigado el uso de diferentes óxidos metálicos en función de su capacidad de transporte de oxígeno y sus propiedades para realizar ciclos redox continuos a distintos valores de temperatura y presión. Después de un examen cuidadoso, se ha seleccionado a la ceria para la división de CO2 / H2O a gran escala.
En el presente trabajo, se investigan las divisiones termoquímicas de CO2 / H2O impulsadas por energía solar y la reducción de metano para la producción de gas de síntesis, con especial atención a su aplicación en reactores no estructurados. Se evalúa el uso de reactores de lecho móvil basado en flujo contracorriente y reactores de lecho fluidizado que funcionan en diferentes regímenes de fluidización. Es un reactor de lecho móvil tanto para la etapa de reducción como para la etapa de oxidación se obtienen altas selectividades de CO y H2 con volúmenes óptimos del reactor, mientras que en un reactor de lecho fluidizado el volumen requerido es mucho más alto, lo que lo hace inviable. Los modelos de reactor se han desarrollado en Aspen plus y se validan a partir de la literatura. Un análisis de sensibilidad ha revelado que la unidad CL depende en gran medida de la temperatura y la presión. El análisis se ha ampliado integrando la unidad desarrollada de CL como una unidad adicional a una central eléctrica de 100 MW con captura de carbono. La eficiencia de la planta se ha investigado considerando sólo la división de CO2, sólo la del H2O y la mezcla de CO2 y H2O como alimentación al reactor de oxidación de la unidad CL. El resultado es de una potencia máxima de 12.9 MW con una eficiencia de energía solar a eléctrica de 25.4%. Esta potencia adicional reduciría la pérdida de eficiencia debido a la captura de carbono de 11.3 a 6%. Para lograr esto, el reactor de reducción de la unidad CL debe funcionar a 1600 ° C y 10-7 bar de presión. Estas condiciones necesitarían un enorme campo solar y la operación, en ausencia de almacenamiento térmico, se limitaría a unas pocas horas durante el día. El análisis técnico-económico ha revelado que el coste nivelado de la electricidad es de 1321 $/MWh sin incluir incentivos ni impuestos sobre el carbono.
Posteriormente, se ha considerado la reducción del metano como una alternativa a la reducción térmica. Al principio, se realizaron análisis termodinámicos de la unidad de CL impulsada por metano. A partir del análisis, se ha demostrado que la temperatura mínima requerida es de 900°C con 50% de exceso de metano para la reducción, lo que supone una eficiencia de la unidad CL de 62% con un rendimiento óptimo de CO y H2. La división de CO2/H2O en el reactor de oxidación a una mayor temperatura de salida beneficiaría considerablemente la eficiencia energética del ciclo redox CL completo. La variación de la relación H2/CO en la salida con respecto a los parámetros de entrada variables que incluyen la composición del gas al reactor de oxidación se ha estudiado con el fin de especificar las condiciones operativas idóneas.
Posteriormente, la unidad CL impulsada por metano se ha integrado como una unidad adicional a una central eléctrica de 500 MW alimentada por oxígeno. Se ha investigado el rendimiento de un sistema con un ciclo combinado de gas natural convencional con o sin captura de carbono. Se ha obtenido una eficiencia de sistema y eficiencia energética de 50.7 y 47.4%, respectivamente. La eficiencia del sistema podría mejorarse a 61.5%, sujeto a la optimización del sistema. La evaluación tecno-económica ha revelado un coste de capital durante la noche de 2455 $/kW con un coste de ahorro de CO2 de 96.25 $/tonelada CO2 y un LCOE de 128.01 $/MWh. Sin embargo, con créditos de carbono de 6 $/tonelada CO2, el LCOE caería por debajo de 50 $/MWh.
Con l'aumento delle emissioni di CO2 antropogenica che contribuiscono al riscaldamento globale e l'incremento della domanda mondiale di energia primaria, sono richieste significative misure per favorire la diversificazione delle fonti e la transizione energetica tramite fonti rinnovabili a partire dalle infrastrutture esistenti basate su combustibili fossili. Prima ancora degli interventi per la cattura e il sequestro dell’anidride carbonica, anche l’utilizzo della CO2 rappresenta una misura necessaria al raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. In questo senso, i cicli redox termochimici hanno acquisito particolare interesse per la produzione di combustibile sintetico da utilizzare come intermedio nella produzione di altri prodotti chimici. La separazione chimica di CO2/H2O attraverso un ciclo termochimico – chemical looping splitting (CL) – in due fasi è composta da due reazioni redox con un ossido di metallo. La prima fase del ciclo avviene alla temperatura più elevata e consiste nella riduzione dell’ossido di metallo, che cede ossigeno creando vacanze nel reticolo e diventando ossido di metallo a bassa valenza. Durante la fase di ossidazione, i gas reagenti CO2/H2O reagiscono con l'ossido di metallo ridotto che forma CO e H2. Una mappatura dettagliata dei diversi ossidi di metallo è stata effettuata in base alla loro capacità di trasporto dell’ossigeno e alle proprietà nei cicli di ossido-riduzione a funzionamento continuo in condizioni di variazione di temperatura e pressione. Dopo un attento esame, l’ossido di Cerio - ceria - è stato selezionato per l'applicazione che può essere disponibile per la scissione CO2 / H2O su larga scala.
In questo lavoro, sia la separazione termochimica di CO2/H2O alimentata tramite energia solare, sia i cicli con riduzione tramite metano, entrambi finalizzati all
produzione di syngas sono stati studiati con particolare attenzione ai reattori non strutturati.
Per il ciclo termochimico basato su energia solare, è stata effettuata la valutazione dei reattori a letto mobile a flusso in controcorrente e a letto fluido che operano in diversi regimi di fluidizzazione. Il reattore a letto mobile è stato individuato come il più performante sia per la riduzione che l’ossidazione, con elevate selettività verso CO e H2 e volumi ottimali del reattore, mentre una resa analoga con reattori a letto fluidizzato potrebbe essere ottenuta solo con volumi di reattore molto alti, rendendo questa scelta irrealizzabile nella pratica. I modelli di reattore sono stati sviluppati in Aspen plus e sono stati validati dalla letteratura. Un'analisi di sensitività ha rivelato che la performance dell'unità CL è in larga misura dipendente dalla temperatura e dalla pressione di riduzione. L'analisi è stata estesa integrando l'unità CL sviluppata come unità aggiuntiva di una centrale elettrica a ossicombustione da 100 MW con cattura di carbonio. L'efficienza dell'impianto è stata studiata considerando di alimentare il reattore di ossidazione dell'unità CL sia con CO2, sia con H2O, sia con una miscela di CO2 e H2O. I risultati indicano una potenza massima di 12,9 MW con un rendimento da solare a elettricità del 25,4% generabile grazie all’unità di CL. Questa potenza aggiuntiva ridurrebbe la perdita di efficienza dovuta alla cattura di carbonio dall'11,3 al 6%. Per ottenere ciò, il reattore di riduzione dell'unità CL deve operare a 1600 ° C con una pressione di 10-7 bar. Queste condizioni avrebbero bisogno di un enorme campo solare e l'operazione sarebbe limitata a poche ore durante il giorno senza l’integrazione di un accumulo termico. L'analisi tecno-economica ha rivelato che il costo livellato (levelizad cost) dell'elettricità era di 1321 $ / MWh, senza includere incentivi o tassazione sul carbonio.
Successivamente, è stata considerata la riduzione della ceria con metano come alternativa alla riduzione termica. Inizialmente, sono state condotte analisi termodinamiche dell'unità CL con riduzione a metano. Dall'analisi è emerso che la temperatura minima richiesta era 900 °C per la riduzione con un eccesso di metano del 50%, che ha prodotto un'efficienza dell'unità CL del 62% con una resa ottimale di CO e H2. In questo caso, la scissione di CO2/H2O nel reattore di ossidazione consisteva nell'ossidazione completa esotermica della ceria, per cui una temperatura di uscita più elevata avrebbe notevolmente migliorato l'efficienza energetica del ciclo CL redox completo. La variazione del rapporto H2 / CO all'uscita rispetto ai vari parametri di input, compresa la composizione del gas inviato al reattore di ossidazione, è stata studiata per specificare le condizioni operative necessarie.
Successivamente, l'unità CL a metano è stata integrata come unità aggiuntiva in una centrale elettrica a ossicombustione da 500 MW. Sono state studiate le prestazioni del sistema in una valutazione comparativa con un ciclo combinato convenzionale a gas naturale, un ciclo a ossicombustione con cattura di carbonio e l'impianto proposto. Sono stati ottenuti per l’impianto rispettivamente un rendimento del sistema e un'efficienza energetica del 50,7% e del 47,4%. L'efficienza del sistema potrebbe essere migliorata fino al 61,5% tramite l'ottimizzazione del recupero termico del sistema, valutata attraverso la pinch analysis del sistema. Una dettagliata valutazione tecno-economica ha rivelato un costo specifico del capitale di 2455 $ / kW (overnight cost), un costo livellato delle emissioni di CO2 evitate 96,25 $ / tonnellata di CO2, e un costo dell’elettricità (LCOE) di 128,01 $ / MWh. Tuttavia, considerando un incentivo di 6 $ / tonnellata di CO2 evitata, il LCOE scenderebbe sotto i 50 $ / MWh.
L'unità CL a metano viene successivamente integrata come unità aggiuntiva in un impianto di poligenerazione che produce elettricità e dimetil-etere. I risultati hanno mostrato che l'impianto può produrre 103 MWe e 2,15 kg/s di DME con un’efficienza energetica ed exergetica del 50% e del 44% rispettivamente. L'investimento di capitale richiesto per l'impianto ammonta a 534 M$. Con un valoré per la carbon tax di $ 40 / tonnellata di CO2, il DME e l’elettricità raggiungerebbero la parità con gli attuali prezzi di mercato, pari a $18/GJ per il DME e $50/MWh per l’elettricità. I costi risultanti sono dovuti all'unità di separazione dell'aria richiesta per la centrale elettrica a ossicombustione e può essere ridotta sostituendo l'unità di separazione dell'aria con una tecnologia a membrana per la separazione dell'ossigeno.
Poiché in letteratura non esiste un modello completo per cinetica dello stato solido che descriva la riduzione con metano della ceria, esso è stato ricavato per via sperimentale. Sono stati condotti esperimenti in un reattore tubolare orizzontale a letto fisso in un intervallo di temperatura di 900-1100 °C. E’ stata studiata la cinetica della scissione della CO2, essendo una reazione più complessa rispetto alla scissione dell'acqua, la cui cinetica è stata invece ottenuta dalla letteratura. In base all’analisi sperimentale condotta, il modello cinetico Avrami-Erofe'ev (AE3) è risultato essere il migliore per entrambe le reazioni, con le rispettive energie di attivazione ottenute rispettivamente come 283 kJ/mol e 59,68 kJ/mol. L'ordine della reazione è stato ricavato come relazione tra temperatura e concertazione dei reagenti.
L'analisi è stata effettuata seguendo un approccio termodinamico, ma la reazione eterogenea dell'ossido di metallo e dei gas reagenti limita il raggiungimento dell'equilibrio durante la reazione e dipende sempre dal tipo di reattore scelto per
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l'applicazione. Pertanto, un modello di reattore a letto mobile è stato sviluppato considerando la riduzione del metano ottenuta sperimentalmente e la cinetica di splitting della CO2 è stata incorporata per valutare i due impianti proposti: la centrale elettrica e l'impianto di poligenerazione. È stata osservata una riduzione del 20% nell'efficienza dell'unità CL. Tuttavia, grazie all’integrazione termica interna al sistema, l’efficienza termica dell'impianto complessivo è molto simile a quella raggiunta nell’analisi termodinamica, con un valore del 50,9%. Tuttavia, a differenza del layout termodinamico, non è disponibile calore in eccesso per migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema. Oltre al riciclo e all'utilizzo della CO2, come criteri di valutazione della sostenibilità per il layout proposto sono stati analizzati anche l’occupazione del suolo terreno e il fabbisogno idrico. Sia il fabbisogno di terra che di acqua aumentano di 2,5 volte rispetto ad una centrale convenzionale a ciclo combinato a gas naturale.
Inoltre, anche l’impianto di poligenerazione con produzione di energia elettrica e dimetil etere (DME) è stato studiato considerando un modello dell’unità CL basato sulla cinetica e ha rilevato che la produzione di DME scenderebbe da 2,15 kg/s a 1,48 kg/s e la potenza elettrica prodotta da 103 a 72 MW. Pertanto, la cinetica ha una forte influenza sulla prestazione complessiva del sistema, e considerarla nell’analisi porta a ridurre la produzione di energia e DME di circa il 30% con un aumento di costo del 30%.
Complessivamente, l'integrazione dell'unità CL come unità aggiuntiva ad una centrale elettrica a ossicombustione risulta più adatta rispetto alla poligenerazione, considerando il prezzo di mercato attuale per le commodities prodotte.Neutron capture cross section measurement of the heaviest s-process branching 204Tl and of 203Tl at CERN n_TOF
http://hdl.handle.net/2117/335418
Neutron capture cross section measurement of the heaviest s-process branching 204Tl and of 203Tl at CERN n_TOF
Casanovas Hoste, Adrià
Neutron capture cross sections are fundamental in the study of the slow neutron capture process of nucleosynthesis, also known as the s-process, which produces half of the observed solar system abundances of elements heavier than iron.
Some nuclei along the nucleosynthesis chain are unstable, and there the capture process competes with the decay process, creating a split in the nucleosynthesis path. The nuclear properties of some of these radionuclides change with the conditions of the stellar environment, a fact that influences the local abundance pattern. 204Tl is a very interesting branching point, because it is shielded from any contribution from other nucleosynthesis processes. The result is that both 204Tl and its stable daughter isotope 204Pb are only produced by the s-process. Hence, by competing with the beta decay, the capture cross section of 204Tl crucially determines the final abundance of 204Pb. A faithful prediction of the solar abundances of s-only isotopes, like 204Pb, is one of the key accuracy tests for modern stellar nucleosynthesis calculations.
However, until the present work, due to the challenges of performing a capture measurement on 204Tl, there was no experimental data of its cross section. Thus, large uncertainties existed in its capture cross section, which hampered a more accurate and precise knowledge of the predicted s-process production of 204Pb.
By affecting the abundance of 204Pb, the cross section of 204Tl(n,¿) also influences the ratio of abundances 205Pb/204Pb. 205Pb is also produced only by the s-process, and it is radioactive, with a long half-life of 17.2 My. Therefore, the ratio of abundances of 205Pb/204Pb has the potential to be used as a chronometer of the s-process.
In the year 2013, a sample enriched up to a few percent in 204Tl was produced by neutron irradiation of a 203Tl seed sample at the high thermal neutron flux nuclear reactor of the ILL, in Grenoble (France). Two years later, the 204Tl enriched sample was employed to measure, for the first time, the capture cross section of 204Tl at the n TOF time-of-flight facility at CERN. The measurement was possible thanks to the unique features of this facility, in particular, its high instant neutron flux low background levels. The measurement was performed employing the well-established total energy detection technique (TED), which offers a very low neutron sensibility, and low levels of background, compared to other methods like the Total Absorption technique.
The main challenges for the 204Tl measurement were the very high background due to the activity of the sample, the very low amount of material, and the limited knowledge of the geometry of the sample. Such difficulties required the adoption of specific solutions during the measurement and the posterior data analysis. Related to this, several sources of systematic error were evaluated by means of Monte Carlo simulations.
The complications with the 204Tl sample geometry required to apply an in-sample normalization procedure. For this purpose, an ancillary capture measurement on a 203Tl sample was also performed in the same experimental campaign. As a stable nuclide, most of the sources of systematic error could be kept under control. This allowed for an accurate R-matrix analysis of the most relevant capture levels in the resolved resonance region of 203Tl, including the first ever measurement under 3 keV of neutron energy. As a result, the present work has contributed, as well, to improve the 203Tl stellar capture cross section in the 8 to 25 keV neutron energy range.
With the improved 203Tl(n,gamma) cross section, an R-matrix analysis of several 204Tl resonances was made possible. These results were employed to experimentally constrain the 204Tl stellar cross section at low energies, and setting additional limits to the stellar cross section predicted by nuclear data evaluations at s-process temperatures.; Les seccions eficaces de captura de neutrons són fonamentals en l'estudi del procés lent de nucleosíntesi estel·lar dels elements, també conegut com a procés s (de l'anglès "slow"). El procés s és responsable de la producció d'aproximadament la meitat de les abundàncies solars dels elements més pesats que el ferro. Alguns nuclis en la cadena de nucleosíntesi són inestables, i en aquests el procés de captura competeix amb el procés de desintegració, el que dóna lloc a una ramificació del camí de producció dels elements. Les propietats nuclears d'alguns d'aquests núclids canvien amb les condicions de l'entorn estel·lar on són produïts, el que influencia el patró d'abundàncies local. El 204Tl és un punt de ramificació molt interessant, perquè està protegit de contribucions d'altres processos de nucleosíntesi. El resultat és que tant el 204Tl com el seu producte de desintegració 204Pb només són produïts pel procés s. Per tant, degut que competeix amb el procés de desintegració, la secció eficaç de captura neutrònica del 204Tl és clau per fixar l'abundància final de 204Pb. Una predicció cartera de l'abundància dels núclids només produïts pel procés s és una de les proves de precisió dels models de càlculs de nucleosíntesi estel·lar. Tot i això, fins el present treball, no hi havia dades de la seva secció eficaç degut al reptes en la realització d'una mesura de captura en el 204Tl. Això feia que hi hagués una incertesa important en la secció eficaç estel·lar, la qual cosa dificultava una predicció precisa de la producció de 204Pb pel procés s. De la mateixa manera, la secció eficaç de 204Tl(n,y) també afecta la relació d'abundàncies 205Pb/204Pb. Degut al fet que el 205Pb és radioactiu, amb un període de semidesintegració de 17,2 Ma, la dita relació té el potencial de ser usada com a cronòmetre del procés s. L'any 2013, es va produir una mostra enriquida en 204Tl per irradiació neutrònica d'una llavor de 203Tl al reactor nuclear del ILL de Grenoble (França). Dos anys després, la mostra enriquida es va fer servir per mesurar, per primera vegada, la secció eficaç de captura del 204Tl utilitzant la tècnica de temps de vol a l'experiment n_TOF del CERN. La mesura va ser possible gràcies a les característiques úniques d'aquesta instal·lació, en particular, l'elevat flux instantani de neutrons i els nivells baixos de fons. La mesura es va dur a terme mitjançant la tècnica de Detecció Total d'Energia (TED, en anglès), que té com a avantatges una sensibilitat de detecció de neutrons molt baixa, i una baixa taxa de detecció de fons. Els principals reptes en la mesura de 204Tl(n,y) van ser la gran quantitat de senyals de fons causats per l'activitat de la mostra, la baixa quantitat de material disponible, i el coneixement limitat de la geometria de la mostra després del procés d'irradiació. Totes aquestes dificultats han requerit l'adopció de solucions específiques durant la mesura i l'anàlisi de dades posterior. Les complicacions amb la geometria de la mostra van fer necessari aplicar un mètode d'autonormalització. Per aquest propòsit es va dur a terme una mesura auxiliar de captura en 203Tl durant la mateixa campanya experimental. Com que el 203Tl es estable, els principals errors sistemàtics de mesura es van poder mantenir baixos. Això ha permès fer un anàlisi de tipus R-matrix de les principals ressonàncies de captura neutrònica del 203Tl, incloent la primera mesura dels nivells per sota de 3 keV. Això ha contribuït a millorar la secció eficaç de captura estel·lar del 203Tl en el rang entre 8 keV i 25 keV d'energia tèrmica dels neutrons. La secció eficaç millorada de la reacció 203Tl(n,y) ha permès realitzar un anàlisi de diverses ressonàncies de captura del 204Tl. Els resultats s¿han utilitzat per fitar la secció eficaç estel·lar del 204Tl a energies de neutrons baixes, i així limitar els valors possibles a la secció transversal estel·lar predits per les avaluacions de dades nuclears a temperatures del procés s.
2021-01-17T01:03:02ZCasanovas Hoste, AdriàNeutron capture cross sections are fundamental in the study of the slow neutron capture process of nucleosynthesis, also known as the s-process, which produces half of the observed solar system abundances of elements heavier than iron.
Some nuclei along the nucleosynthesis chain are unstable, and there the capture process competes with the decay process, creating a split in the nucleosynthesis path. The nuclear properties of some of these radionuclides change with the conditions of the stellar environment, a fact that influences the local abundance pattern. 204Tl is a very interesting branching point, because it is shielded from any contribution from other nucleosynthesis processes. The result is that both 204Tl and its stable daughter isotope 204Pb are only produced by the s-process. Hence, by competing with the beta decay, the capture cross section of 204Tl crucially determines the final abundance of 204Pb. A faithful prediction of the solar abundances of s-only isotopes, like 204Pb, is one of the key accuracy tests for modern stellar nucleosynthesis calculations.
However, until the present work, due to the challenges of performing a capture measurement on 204Tl, there was no experimental data of its cross section. Thus, large uncertainties existed in its capture cross section, which hampered a more accurate and precise knowledge of the predicted s-process production of 204Pb.
By affecting the abundance of 204Pb, the cross section of 204Tl(n,¿) also influences the ratio of abundances 205Pb/204Pb. 205Pb is also produced only by the s-process, and it is radioactive, with a long half-life of 17.2 My. Therefore, the ratio of abundances of 205Pb/204Pb has the potential to be used as a chronometer of the s-process.
In the year 2013, a sample enriched up to a few percent in 204Tl was produced by neutron irradiation of a 203Tl seed sample at the high thermal neutron flux nuclear reactor of the ILL, in Grenoble (France). Two years later, the 204Tl enriched sample was employed to measure, for the first time, the capture cross section of 204Tl at the n TOF time-of-flight facility at CERN. The measurement was possible thanks to the unique features of this facility, in particular, its high instant neutron flux low background levels. The measurement was performed employing the well-established total energy detection technique (TED), which offers a very low neutron sensibility, and low levels of background, compared to other methods like the Total Absorption technique.
The main challenges for the 204Tl measurement were the very high background due to the activity of the sample, the very low amount of material, and the limited knowledge of the geometry of the sample. Such difficulties required the adoption of specific solutions during the measurement and the posterior data analysis. Related to this, several sources of systematic error were evaluated by means of Monte Carlo simulations.
The complications with the 204Tl sample geometry required to apply an in-sample normalization procedure. For this purpose, an ancillary capture measurement on a 203Tl sample was also performed in the same experimental campaign. As a stable nuclide, most of the sources of systematic error could be kept under control. This allowed for an accurate R-matrix analysis of the most relevant capture levels in the resolved resonance region of 203Tl, including the first ever measurement under 3 keV of neutron energy. As a result, the present work has contributed, as well, to improve the 203Tl stellar capture cross section in the 8 to 25 keV neutron energy range.
With the improved 203Tl(n,gamma) cross section, an R-matrix analysis of several 204Tl resonances was made possible. These results were employed to experimentally constrain the 204Tl stellar cross section at low energies, and setting additional limits to the stellar cross section predicted by nuclear data evaluations at s-process temperatures.
Les seccions eficaces de captura de neutrons són fonamentals en l'estudi del procés lent de nucleosíntesi estel·lar dels elements, també conegut com a procés s (de l'anglès "slow"). El procés s és responsable de la producció d'aproximadament la meitat de les abundàncies solars dels elements més pesats que el ferro. Alguns nuclis en la cadena de nucleosíntesi són inestables, i en aquests el procés de captura competeix amb el procés de desintegració, el que dóna lloc a una ramificació del camí de producció dels elements. Les propietats nuclears d'alguns d'aquests núclids canvien amb les condicions de l'entorn estel·lar on són produïts, el que influencia el patró d'abundàncies local. El 204Tl és un punt de ramificació molt interessant, perquè està protegit de contribucions d'altres processos de nucleosíntesi. El resultat és que tant el 204Tl com el seu producte de desintegració 204Pb només són produïts pel procés s. Per tant, degut que competeix amb el procés de desintegració, la secció eficaç de captura neutrònica del 204Tl és clau per fixar l'abundància final de 204Pb. Una predicció cartera de l'abundància dels núclids només produïts pel procés s és una de les proves de precisió dels models de càlculs de nucleosíntesi estel·lar. Tot i això, fins el present treball, no hi havia dades de la seva secció eficaç degut al reptes en la realització d'una mesura de captura en el 204Tl. Això feia que hi hagués una incertesa important en la secció eficaç estel·lar, la qual cosa dificultava una predicció precisa de la producció de 204Pb pel procés s. De la mateixa manera, la secció eficaç de 204Tl(n,y) també afecta la relació d'abundàncies 205Pb/204Pb. Degut al fet que el 205Pb és radioactiu, amb un període de semidesintegració de 17,2 Ma, la dita relació té el potencial de ser usada com a cronòmetre del procés s. L'any 2013, es va produir una mostra enriquida en 204Tl per irradiació neutrònica d'una llavor de 203Tl al reactor nuclear del ILL de Grenoble (França). Dos anys després, la mostra enriquida es va fer servir per mesurar, per primera vegada, la secció eficaç de captura del 204Tl utilitzant la tècnica de temps de vol a l'experiment n_TOF del CERN. La mesura va ser possible gràcies a les característiques úniques d'aquesta instal·lació, en particular, l'elevat flux instantani de neutrons i els nivells baixos de fons. La mesura es va dur a terme mitjançant la tècnica de Detecció Total d'Energia (TED, en anglès), que té com a avantatges una sensibilitat de detecció de neutrons molt baixa, i una baixa taxa de detecció de fons. Els principals reptes en la mesura de 204Tl(n,y) van ser la gran quantitat de senyals de fons causats per l'activitat de la mostra, la baixa quantitat de material disponible, i el coneixement limitat de la geometria de la mostra després del procés d'irradiació. Totes aquestes dificultats han requerit l'adopció de solucions específiques durant la mesura i l'anàlisi de dades posterior. Les complicacions amb la geometria de la mostra van fer necessari aplicar un mètode d'autonormalització. Per aquest propòsit es va dur a terme una mesura auxiliar de captura en 203Tl durant la mateixa campanya experimental. Com que el 203Tl es estable, els principals errors sistemàtics de mesura es van poder mantenir baixos. Això ha permès fer un anàlisi de tipus R-matrix de les principals ressonàncies de captura neutrònica del 203Tl, incloent la primera mesura dels nivells per sota de 3 keV. Això ha contribuït a millorar la secció eficaç de captura estel·lar del 203Tl en el rang entre 8 keV i 25 keV d'energia tèrmica dels neutrons. La secció eficaç millorada de la reacció 203Tl(n,y) ha permès realitzar un anàlisi de diverses ressonàncies de captura del 204Tl. Els resultats s¿han utilitzat per fitar la secció eficaç estel·lar del 204Tl a energies de neutrons baixes, i així limitar els valors possibles a la secció transversal estel·lar predits per les avaluacions de dades nuclears a temperatures del procés s.Study of a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars for radiological environmental imaging
http://hdl.handle.net/2117/331635
Study of a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars for radiological environmental imaging
Rodríguez, María D.
Compton cameras are used for radiological imaging, which can be useful in environmental applications and especially in determining the position of hidden sources. Current Compton cameras are based on pixelated detectors with complex electronic instrumentation and these devices are usually expensive. In order to overcome these issues, a Compton camera consisting of scintillator bars with two photo-sensors placed at both ends is a promising option. In addition, it is expected that these kind of detectors make the Compton camera lightweight and robust.Characterization of two identical CsI(Tl) scintillator bars with two silicon photomultipliers each was done. The basic characterization parameters of detectors, such as the attenuation coefficient, position resolution and energy resolution, were determined experimentally with a collimated Cesio-137 point source. Different light attenuation coefficients were found for identical scintillators, causing different position resolutions. This fact highlights the importance of carrying out a control analysis for each detector. In addition, the position resolution and energy resolution were found to be independent of the position of ¿-ray interactions within the crystal. Monte Carlo (MC) simulations with PENELOPE/penEasy were carried out to design a Compton camera. In order to achieve this, the MC simulations needed to be validated. This was done by comparing both simulated and experimental data obtained in two different experimental measurement campaigns. In the first campaign, two detectors were irradiated individually with a collimated point source, while the second campaign consisted of irradiating a simple Compton camera made of two CsI(Tl) scintillator bars. The geometry defined in the MC simulations and the codes used to calculate the image for a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars were validated with these experimental campaigns. The response of each individual detector, the Compton camera efficiency, the angular resolution and images obtained with MC simulations and experimental measurements were compared. Results show good agreement between experimental and simulated data.Once the MC simulations were fully validated, the design of a Compton camera consisting of two layers with four CsI(Tl) scintillator bars each was done. The cross-section size of crystals and distance between layers were optimized based on Compton camera efficiency, angular resolution and image resolution. This analysis was carried out with an energy range of 360-1330 keV. The final optimized Compton camera consists of two layers separated by 10 cm. Each layer has four 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars. The characterization of the Compton camera was then carried out. The field of view, efficiency, angular resolution and image resolution were calculated. In addition, the ability of the Compton camera to make use of the simple back-projection method to identify radioactive material in the environment has also been evaluated by simulating several point sources. The Compton camera was able to detect several point sources simultaneously, however, as the number of sources increases, the images became blurred. The capacity of the Compton camera is promising, since it can detect several sources in the environment according to MC simulations. Therefore, the construction of a Compton camera based on eight 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars should prove to be useful for environmental measurements and for installation on unmanned aerial systems, commonly called “drones”.; Las Cámaras Compton son utilizadas para realizar imágenes radiológicas, lo cual puede ser de utilidad en aplicaciones medioambientales y en especial en la localización de fuentes. Las cámaras Compton actuales están formadas por un conjunto de pequeños detectores por lo que necesitan de una instrumentación electrónica compleja, haciendo que estos sistemas de detección sean normalmente caros. La utilización de barras de centelleo con dos foto-sensores colocados a ambos lados es una opción prometedora para hacer una cámara Compton económica y sencilla de utilizar. Además, se espera que una cámara Compton formada por este tipo de detectores sea ligera y robusta. Las caracterizaciones de dos barras de centelleo de CsI(Tl) con dos fotomultiplicadores de silicio cada uno fueron llevadas a cabo. Los parámetros básicos de la caracterización son el coeficiente de atenuación, la resolución en posición y la resolución en energía. Estos fueron determinados experimentalmente con una fuente puntual colimada de Cesio-137. Se encontraron diferentes coeficientes de atenuación para centelladores idénticos, haciendo que los detectores presenten una distinta resolución en posición. Este hecho pone de manifiesto la importancia de llevar a cabo un análisis de cada detector. Además, se comprobó que la resolución en energía y en posición son independientes de la posición de la interacción del rayo-gamma en el cristal.Simulaciones de Monte Carlo (MC) con PENELOPE/penEasy fueron llevadas a cabo para diseñar una cámara Compton. Para llevar a cabo esta tarea, las simulaciones MC necesitan primero ser validadas. Esto se realizó comparando datos simulados y experimentales obtenidos en dos campañas de medidas. En la primera campaña, los dos detectores fueron irradiados individualmente con una fuente colimada, mientras que la segunda campaña consistió en irradiar una cámara Compton simple formada por dos barras de centelleo de CsI(Tl). La geometría definida en las simulaciones MC y los códigos utilizados para calcular las imágenes para una cámara Compton formada por barras de centelleo de CsI(Tl) fueron validados con estas medidas experimentales. La respuesta de cada detector individual, la eficiencia de la cámara Compton, la resolución angular y las imágenes obtenidas fueron comparadas. Se encontró que los resultados experimentales están de acuerdo con los resultados de las simulaciones.Una vez que las simulaciones de MC fueron completamente validadas, el diseño de la cámara Compton fue llevado a cabo. La cámara Compton está formada por dos capas de detectores con cuatro centelladores de CsI(Tl) cada una. El tamaño de la sección transversal de los cristales y la distancia entre las capas fueron optimizadas en base a la eficiencia, resolución angular y resolución en imagen. Este análisis fue llevado a cabo en un rango de energías de 360-1330 keV. La cámara Compton optimizada está formada por dos capas de detectores separada 10 cm. Cada capa tiene cuatro barras de centelleo de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3. La caracterización de la cámara Compton fue entonces llevada a cabo. El campo de visión, eficiencia, resolución angular y resolución en imagen fueron calculados. Además, la habilidad de la cámara Compton usando el método "Simple back-projection method" para identificar material radiactivo en el medioambiente ha sido evaluado simulando varias fuentes puntuales. La cámara Compton fue capaz de detectar varias fuentes puntuales simultáneamente, sin embargo, a medida que el número de fuentes aumenta, las imágenes se hacen más ruidosas. La capacidad de la cámara Compton es prometedora, ya que puede detectar varias fuentes en el medioambiente de acuerdo con las simulaciones MC. Por tanto, la construcción de la cámara Compton formada por ocho detectores de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3 debería resultar útil para las medidas ambientales y para la instalación en sistemas aéreos
2020-11-08T01:01:56ZRodríguez, María D.Compton cameras are used for radiological imaging, which can be useful in environmental applications and especially in determining the position of hidden sources. Current Compton cameras are based on pixelated detectors with complex electronic instrumentation and these devices are usually expensive. In order to overcome these issues, a Compton camera consisting of scintillator bars with two photo-sensors placed at both ends is a promising option. In addition, it is expected that these kind of detectors make the Compton camera lightweight and robust.Characterization of two identical CsI(Tl) scintillator bars with two silicon photomultipliers each was done. The basic characterization parameters of detectors, such as the attenuation coefficient, position resolution and energy resolution, were determined experimentally with a collimated Cesio-137 point source. Different light attenuation coefficients were found for identical scintillators, causing different position resolutions. This fact highlights the importance of carrying out a control analysis for each detector. In addition, the position resolution and energy resolution were found to be independent of the position of ¿-ray interactions within the crystal. Monte Carlo (MC) simulations with PENELOPE/penEasy were carried out to design a Compton camera. In order to achieve this, the MC simulations needed to be validated. This was done by comparing both simulated and experimental data obtained in two different experimental measurement campaigns. In the first campaign, two detectors were irradiated individually with a collimated point source, while the second campaign consisted of irradiating a simple Compton camera made of two CsI(Tl) scintillator bars. The geometry defined in the MC simulations and the codes used to calculate the image for a Compton camera based on CsI(Tl) scintillator bars were validated with these experimental campaigns. The response of each individual detector, the Compton camera efficiency, the angular resolution and images obtained with MC simulations and experimental measurements were compared. Results show good agreement between experimental and simulated data.Once the MC simulations were fully validated, the design of a Compton camera consisting of two layers with four CsI(Tl) scintillator bars each was done. The cross-section size of crystals and distance between layers were optimized based on Compton camera efficiency, angular resolution and image resolution. This analysis was carried out with an energy range of 360-1330 keV. The final optimized Compton camera consists of two layers separated by 10 cm. Each layer has four 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars. The characterization of the Compton camera was then carried out. The field of view, efficiency, angular resolution and image resolution were calculated. In addition, the ability of the Compton camera to make use of the simple back-projection method to identify radioactive material in the environment has also been evaluated by simulating several point sources. The Compton camera was able to detect several point sources simultaneously, however, as the number of sources increases, the images became blurred. The capacity of the Compton camera is promising, since it can detect several sources in the environment according to MC simulations. Therefore, the construction of a Compton camera based on eight 2×2×10 cm3 CsI(Tl) scintillator bars should prove to be useful for environmental measurements and for installation on unmanned aerial systems, commonly called “drones”.
Las Cámaras Compton son utilizadas para realizar imágenes radiológicas, lo cual puede ser de utilidad en aplicaciones medioambientales y en especial en la localización de fuentes. Las cámaras Compton actuales están formadas por un conjunto de pequeños detectores por lo que necesitan de una instrumentación electrónica compleja, haciendo que estos sistemas de detección sean normalmente caros. La utilización de barras de centelleo con dos foto-sensores colocados a ambos lados es una opción prometedora para hacer una cámara Compton económica y sencilla de utilizar. Además, se espera que una cámara Compton formada por este tipo de detectores sea ligera y robusta. Las caracterizaciones de dos barras de centelleo de CsI(Tl) con dos fotomultiplicadores de silicio cada uno fueron llevadas a cabo. Los parámetros básicos de la caracterización son el coeficiente de atenuación, la resolución en posición y la resolución en energía. Estos fueron determinados experimentalmente con una fuente puntual colimada de Cesio-137. Se encontraron diferentes coeficientes de atenuación para centelladores idénticos, haciendo que los detectores presenten una distinta resolución en posición. Este hecho pone de manifiesto la importancia de llevar a cabo un análisis de cada detector. Además, se comprobó que la resolución en energía y en posición son independientes de la posición de la interacción del rayo-gamma en el cristal.Simulaciones de Monte Carlo (MC) con PENELOPE/penEasy fueron llevadas a cabo para diseñar una cámara Compton. Para llevar a cabo esta tarea, las simulaciones MC necesitan primero ser validadas. Esto se realizó comparando datos simulados y experimentales obtenidos en dos campañas de medidas. En la primera campaña, los dos detectores fueron irradiados individualmente con una fuente colimada, mientras que la segunda campaña consistió en irradiar una cámara Compton simple formada por dos barras de centelleo de CsI(Tl). La geometría definida en las simulaciones MC y los códigos utilizados para calcular las imágenes para una cámara Compton formada por barras de centelleo de CsI(Tl) fueron validados con estas medidas experimentales. La respuesta de cada detector individual, la eficiencia de la cámara Compton, la resolución angular y las imágenes obtenidas fueron comparadas. Se encontró que los resultados experimentales están de acuerdo con los resultados de las simulaciones.Una vez que las simulaciones de MC fueron completamente validadas, el diseño de la cámara Compton fue llevado a cabo. La cámara Compton está formada por dos capas de detectores con cuatro centelladores de CsI(Tl) cada una. El tamaño de la sección transversal de los cristales y la distancia entre las capas fueron optimizadas en base a la eficiencia, resolución angular y resolución en imagen. Este análisis fue llevado a cabo en un rango de energías de 360-1330 keV. La cámara Compton optimizada está formada por dos capas de detectores separada 10 cm. Cada capa tiene cuatro barras de centelleo de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3. La caracterización de la cámara Compton fue entonces llevada a cabo. El campo de visión, eficiencia, resolución angular y resolución en imagen fueron calculados. Además, la habilidad de la cámara Compton usando el método "Simple back-projection method" para identificar material radiactivo en el medioambiente ha sido evaluado simulando varias fuentes puntuales. La cámara Compton fue capaz de detectar varias fuentes puntuales simultáneamente, sin embargo, a medida que el número de fuentes aumenta, las imágenes se hacen más ruidosas. La capacidad de la cámara Compton es prometedora, ya que puede detectar varias fuentes en el medioambiente de acuerdo con las simulaciones MC. Por tanto, la construcción de la cámara Compton formada por ocho detectores de CsI(Tl) de tamaño 2×2×10 cm3 debería resultar útil para las medidas ambientales y para la instalación en sistemas aéreosEnhancement of methane production from the anaerobic digestion of chemical pulp and paper mill effluents
http://hdl.handle.net/2117/327403
Enhancement of methane production from the anaerobic digestion of chemical pulp and paper mill effluents
Rodriguez-Chiang, Lourdes
Sustainability of resources such as energy, water and waste have become important drivers in our current economy. For large industries that are water and energy intensive like pulp and paper (P&P) mills, this is a specifically relevant issue. The large and heterogenous volumes of effluents in P&P mills make it a difficult task to properly treat before discharge. Anaerobic digestion is an efficient wastewater technology that cleans the effluent, reduces wasted sludge and simultaneously produces methane that can be further used as energy. The research work described in this thesis aims to enhance the methane production from the anaerobic digestion of different chemical P&P mill effluents. Through effluent characterization, variability of process parameters, promoting agents and the assessment of biochemical methane potential (BMP) tests, the benefits of three potential methods to enhance methane yields of wastewaters were evaluated. In addition, the conversion of chemical pulp fibers directly to methane was explored. The attained results described the different improvements that can be made to enhance methane production.
Easily degradable effluents such as hydrolyzed filtrates and evaporator condensates contain high concentrations of sugars and acetic acid respectively, which could encourage an oversaturation of acids during acidogenesis. An inoculum to substrate ratio (ISR) of 2 proved to be the optimal in order to add the required buffering capacity to neutralize the pH and produce significantly high methane yields of up to 333 mLCH4/gVS. The high productivity of these effluents can be then considered for co-digestion with harder to treat effluents such as lignin-rich streams. Lignin clearly hinders methane production indicated by the negative linear correlation found between lignin content and methane yield. The co-digestion of lignin-rich effluent with evaporator condensates from neutral sulfite semi-chemical (NSSC) pulping proved to enhance the overall methane productivity of the mill´s wastewater treatment. Furthermore, the assessment of hydrotalcites (HT) addition indicated a contribution towards an increase in methane yield, faster production rates and a greater lignin removal. The poor performance of calcined HT suggests that the advantages of HT addition came from the layered sheet structure. Finally, besides establishing the methane potential in various P&P effluents, the examination of methane productivity of different pulp fibers and its products proved to be a promising new energy alternative to explore. Brown, oxygen delignified and bleached pulp gathered biodegradabilities of up to 90% and methane yields as high as 380 mLCH4/gVS. With the current changing bio-economy this last approach paves the way in exploring alternative and novel uses for chemical pulp mill products.; La sostenibilidad en la gestión de recursos como la energía, el agua y los residuos se ha convertido en un aspecto clave en nuestra economía actual. Para grandes industrias que consumen mucha agua y energía, como la industria de pulpa y papel (P&P) este es un tema especialmente relevante. Los grandes y heterogéneos volúmenes de efluentes que producen las fábricas de P&P hacen que su adecuado tratamiento sea una tarea difícil. La digestión anaerobia es una tecnología eficiente para el tratamiento de aguas residuales; que limpia el efluente, reduce el lodo producido y simultáneamente produce metano que puede usarse como fuente de energía. El objetivo del trabajo de investigación descrito en esta tesis es aumentar la producción de metano a partir de la digestión anaerobia de diferentes efluentes producidos en fábricas de pulpa. A través de la caracterización del efluente, determinación de parámetros del proceso, agentes promotores y la evaluación de pruebas de producción de metano bioquímico se evaluaron los beneficios de tres métodos potenciales para mejorar los rendimientos de metano de los efluentes. Asimismo, se exploró la conversión directa de fibras de pulpa química a metano. Los efluentes fácilmente degradables, como los filtrados hidrolizados y los condensados del evaporador, contienen altas concentraciones de azúcares y ácido acético, respectivamente, lo que podría provocar una sobresaturación de ácidos durante la acidogénesis. Se ha demostrado que una relación de inóculo a sustrato de 2 resulta óptima para aumentar la capacidad tampón del sistema y neutralizar el pH y producir rendimientos de metano significativamente altos, de hasta 333 mLCH4/gVS. La alta productividad de estos efluentes hace que se puedan considerar para la co-digestión con efluentes más difíciles de tratar, como las aguas ricas en lignina. Claramente la lignina obstaculiza la producción de metano, tal y como indica la correlación lineal negativa encontrada entre el contenido de lignina y el rendimiento de metano. La co-digestión del efluente rico en lignina con el condensado de evaporadores de pulpa semi-química de sulfito ha demostrado mejorar la productividad de metano en el tratamiento de aguas residuales de la planta. Además, la adición de hidrotalcitas (HT) como catatlizadores contribuye hacia un aumento en la producción de metano, tasas de producción más rápidas y una mayor eliminación de lignina. Con HT calcinadas se han obtenido rendimientos bajos, lo que sugiere que las ventajas de la adición de HT provienen de su estructura laminar. Finalmente, además de establecer el potencial de metano que existen en los efluentes de P&P, la evaluación de la productividad de metano de diferentes fibras de pulpa y sus productos ha demostrado ser una nueva alternativa energética para explorar. El uso de pulpa blanqueada, sin blanquear y deslignificada con oxígeno muestran biodegradabilidades de hasta 90% y rendimientos de metano de hasta 380 mLCH4/gVS. Con la cambiante bioeconomía actual, este último enfoque estimula la exploración de usos alternativos y novedosos para productos de plantas de pulpa química.
Tesi en modalitat de cotutela, Universitat Politècnica de Catalunya i Aalto University, el marc del programa Erasmus Mundus SELECT+
Aplicat embargament des de la defensa de la tesi fins maig 2020.
2020-07-22T16:55:25ZRodriguez-Chiang, LourdesSustainability of resources such as energy, water and waste have become important drivers in our current economy. For large industries that are water and energy intensive like pulp and paper (P&P) mills, this is a specifically relevant issue. The large and heterogenous volumes of effluents in P&P mills make it a difficult task to properly treat before discharge. Anaerobic digestion is an efficient wastewater technology that cleans the effluent, reduces wasted sludge and simultaneously produces methane that can be further used as energy. The research work described in this thesis aims to enhance the methane production from the anaerobic digestion of different chemical P&P mill effluents. Through effluent characterization, variability of process parameters, promoting agents and the assessment of biochemical methane potential (BMP) tests, the benefits of three potential methods to enhance methane yields of wastewaters were evaluated. In addition, the conversion of chemical pulp fibers directly to methane was explored. The attained results described the different improvements that can be made to enhance methane production.
Easily degradable effluents such as hydrolyzed filtrates and evaporator condensates contain high concentrations of sugars and acetic acid respectively, which could encourage an oversaturation of acids during acidogenesis. An inoculum to substrate ratio (ISR) of 2 proved to be the optimal in order to add the required buffering capacity to neutralize the pH and produce significantly high methane yields of up to 333 mLCH4/gVS. The high productivity of these effluents can be then considered for co-digestion with harder to treat effluents such as lignin-rich streams. Lignin clearly hinders methane production indicated by the negative linear correlation found between lignin content and methane yield. The co-digestion of lignin-rich effluent with evaporator condensates from neutral sulfite semi-chemical (NSSC) pulping proved to enhance the overall methane productivity of the mill´s wastewater treatment. Furthermore, the assessment of hydrotalcites (HT) addition indicated a contribution towards an increase in methane yield, faster production rates and a greater lignin removal. The poor performance of calcined HT suggests that the advantages of HT addition came from the layered sheet structure. Finally, besides establishing the methane potential in various P&P effluents, the examination of methane productivity of different pulp fibers and its products proved to be a promising new energy alternative to explore. Brown, oxygen delignified and bleached pulp gathered biodegradabilities of up to 90% and methane yields as high as 380 mLCH4/gVS. With the current changing bio-economy this last approach paves the way in exploring alternative and novel uses for chemical pulp mill products.
La sostenibilidad en la gestión de recursos como la energía, el agua y los residuos se ha convertido en un aspecto clave en nuestra economía actual. Para grandes industrias que consumen mucha agua y energía, como la industria de pulpa y papel (P&P) este es un tema especialmente relevante. Los grandes y heterogéneos volúmenes de efluentes que producen las fábricas de P&P hacen que su adecuado tratamiento sea una tarea difícil. La digestión anaerobia es una tecnología eficiente para el tratamiento de aguas residuales; que limpia el efluente, reduce el lodo producido y simultáneamente produce metano que puede usarse como fuente de energía. El objetivo del trabajo de investigación descrito en esta tesis es aumentar la producción de metano a partir de la digestión anaerobia de diferentes efluentes producidos en fábricas de pulpa. A través de la caracterización del efluente, determinación de parámetros del proceso, agentes promotores y la evaluación de pruebas de producción de metano bioquímico se evaluaron los beneficios de tres métodos potenciales para mejorar los rendimientos de metano de los efluentes. Asimismo, se exploró la conversión directa de fibras de pulpa química a metano. Los efluentes fácilmente degradables, como los filtrados hidrolizados y los condensados del evaporador, contienen altas concentraciones de azúcares y ácido acético, respectivamente, lo que podría provocar una sobresaturación de ácidos durante la acidogénesis. Se ha demostrado que una relación de inóculo a sustrato de 2 resulta óptima para aumentar la capacidad tampón del sistema y neutralizar el pH y producir rendimientos de metano significativamente altos, de hasta 333 mLCH4/gVS. La alta productividad de estos efluentes hace que se puedan considerar para la co-digestión con efluentes más difíciles de tratar, como las aguas ricas en lignina. Claramente la lignina obstaculiza la producción de metano, tal y como indica la correlación lineal negativa encontrada entre el contenido de lignina y el rendimiento de metano. La co-digestión del efluente rico en lignina con el condensado de evaporadores de pulpa semi-química de sulfito ha demostrado mejorar la productividad de metano en el tratamiento de aguas residuales de la planta. Además, la adición de hidrotalcitas (HT) como catatlizadores contribuye hacia un aumento en la producción de metano, tasas de producción más rápidas y una mayor eliminación de lignina. Con HT calcinadas se han obtenido rendimientos bajos, lo que sugiere que las ventajas de la adición de HT provienen de su estructura laminar. Finalmente, además de establecer el potencial de metano que existen en los efluentes de P&P, la evaluación de la productividad de metano de diferentes fibras de pulpa y sus productos ha demostrado ser una nueva alternativa energética para explorar. El uso de pulpa blanqueada, sin blanquear y deslignificada con oxígeno muestran biodegradabilidades de hasta 90% y rendimientos de metano de hasta 380 mLCH4/gVS. Con la cambiante bioeconomía actual, este último enfoque estimula la exploración de usos alternativos y novedosos para productos de plantas de pulpa química.Levels and behaviour of radionuclides in water treatment plants : the case of the Barcelona metropolitan area urban water cycle
http://hdl.handle.net/2117/182139
Levels and behaviour of radionuclides in water treatment plants : the case of the Barcelona metropolitan area urban water cycle
Mulas Capuz, Daniel
The Barcelona metropolitan area (BMA; 3.2 M inhabitants) has an integrated urban water cycle management. Different type of treatment plants are located along the drinking, sewerage and reuse networks where specific treatments are applied to guarantee a good enough standard of the water quality. The presence of radionuclides in treatment plants and in the aquatic environment is well known. Primordial and daughters, cosmogenic, global fall-out and nuclear-legacy radionuclides can be found in the urban water cycle. Moreover in nuclear medicine (NM), short-lived radionuclides are administered to patients, excreting part directly into the sewage network and entering into the urban water cycle. Thus, the levels of radionuclides in waters and materials from water treatment plants were experimentally checked in the BMA in order to understand the behaviour during the water treatment and to perform a risk assessment. An integrated study focused on the study of the radionuclides levels at different three types of water treatment plants from the same network was carried out. A total of 233 samples were taken at 1 drinking water treatment plant (DWTP), 7 wastewater treatment plants (WWTPs) and 1 reclaimed water treatment plant (RWTP). The concentrations were determined by gamma-spectroscopy techniques after acquisitions performed by high-purity germanium detectors. Primordial and daughters radionuclides were found in materials from the DWTP studied and the highest specific activities found for sludge, sand and reverse osmosis brine corresponded to K-40. Nevertheless, the maximum concentration in the case of granular activated carbon was found for U-238. Moreover cosmogenic Be-7 and fall-out Cs-137 were found in sludges. A total of 5 different NM radionuclides were found in the analysis carried out in the samples from the 7 WWTPs. In the case of water and sewage sludge the highest maximum values and detection frequencies corresponded to Tc-99m and I-131. Moreover Ga-67, In-111 and I-123 were found but showing significantly lower levels. The detection frequencies and the mean levels found at the WWTPs of Ga-67, Tc-99m, In-111 and I-131 agreed with the NM radionuclides total activity administered in the region studied. Furthermore the concentrations and detection frequencies were significantly higher in the sewage sludge samples taken at the very large-sized WWTP-1 (325,000 m3/d), partially explained by their low sludge age. Medically-derived I-131 was also found in reclaimed water for reuse from the RWTP and materials from DWTP, which represent novel contributions to the current knowledge in this field.
Taking into account the present findings some considerations from the radiological protection point of view can be done. Despite the presence of radionuclides in the DWTP materials, they do not pose a radiological risk. In the case of the WWTPs and the RWTP studied, the levels found in waters and materials do not represent a significant risk, however, I-131 concentrations were pointed out as the most significant. With the aim to achieve a better understanding of I-131 behaviour in WWTPs and predict the I-131 levels novel methods of I-131 partitioning analysis as well as prognosis models were adapted successfully to a WWTP. I-131 partitioning results pointed out that the settling fraction predominates in the reactor while in the rest of the WWTP samples dissolved iodide fraction was the most significant. Furthermore the activated sludge reactors from WWTPs were revealed as the key step for I-131 removal from wastewater. Specifically, reactors with the highest total nitrogen kjeldahl removal were also the most effective for I-131 reduction. Regarding the I-131 modelling a total of 82 % of simulated data fit with the experimental results in the sewage effluent within uncertainties.; El Área Metropolitana de Barcelona (AMB; 3.2 M de habitantes) posee un sistema integrado para la gestión del ciclo urbano del agua con diferentes tipos de plantas de tratamiento. En las redes de agua potable, residual y regenerada se aplican tratamientos específicos para garantizar los estándares de calidad requeridos en cada caso. Estudios previos en plantas de tratamiento de aguas revelan la presencia de radionúclidos primordiales y de su cadena de desintegración, cosmogénicos y procedentes de accidentes y del legado nuclear. Además, en medicina nuclear (MN) radionúclidos artificiales de vida corta son administrados a pacientes, dichos isótopos son posteriormente excretados entrando en el ciclo urbano del agua a través del agua residual. En el presente estudio en el AMB las concentraciones de radionúclidos en aguas y materiales de las plantas de tratamiento se han estudiado de forma integrada con el objetivo de determinar su comportamiento durante el tratamiento y realizar una evaluación radiológica de los niveles. El estudio ha incluido 233 muestras tomadas en tres tipos diferentes de plantas de tratamiento, 7 estaciones depuradoras de agua residual (EDAR), 1 estación de regeneración de agua (ERA) y de 1 estación de tratamiento de agua potable (ETAP). Las concentraciones de radionúclidos se han determinado con detectores de germanio de alta pureza mediante la aplicación de técnicas de espectrometría gamma. Radionúclidos primordiales y de su cadena de desintegración fueron detectados en los materiales sólidos de la ETAP. Las actividades más altas en el caso de los fangos, las arenas y el rechazo del osmosis inversa correspondieron al K-40 mientras que en el caso de carbón activo granulado al U-238. Además, se confirmó la presencia de Be-7 y Cs-137. Un total de 5 radionúclidos relacionados con la MN fueron detectados en los análisis de las muestras de las 7 EDARs. Respecto a las aguas y los fangos analizados las máximas concentraciones y los más detectados fueron el Tc-99m y el I-131. Además, fueron detectados en concentraciones más bajas el Ga-67, In-111 y el I-123. Las frecuencias de detección y niveles concordaron con la actividad total administrada en la zona de estudio. Especial mención merecen los resultados de la EDAR-1 (325,000 m3/d), de grandes dimensiones, ya que los valores y frecuencia de detección fueron mayores que en el resto lo que se explica en parte por la reducida edad del fango que genera. El I-131 se encontró también en agua regenerada de la ERA y los materiales de EDAR estudiadas, lo que representa una nueva aportación por a lo que I-131 de origen médico se refiere. Con los presentes resultados se pueden realizar las siguientes consideraciones desde el punto de vista de la protección radiológica. A pesar de la presencia de radionúclidos en aguas y materiales de las plantas estudiadas, las concentraciones de actividad determinadas no suponen un riesgo radiológico significativo. Sin embargo, puede afirmarse que las concentraciones de I-131 fueron las más relevantes. Con el objetivo de avanzar en el conocimiento del comportamiento de I-131 en EDARs y predecir sus concentraciones nuevas metodologías de análisis del I-131 así como modelos predictivos se adaptaron satisfactoriamente a una de las EDAR estudiadas. La distribución fisicoquímica del I-131 resultó en que la fracción precipitable predominó en las muestras tomadas en el reactor ya que es un tratamiento clave para su eliminación, mientras que en el resto de muestras analizadas el yodo inorgánico disuelto fue mayoritario. Otro descubrimiento relevante fue constatar que los reactores que presentaban una mayor disminución de la concentración del nitrógeno kjeldahl mostraron también una reducción significativa del I-131. Respecto al modelo, un total del 82 % de las concentraciones de I-131 simuladas para los efluentes de planta se ajustaron satisfactoriamente a los resultados experimentales considerando las incertidumbres
2020-03-30T00:01:41ZMulas Capuz, DanielThe Barcelona metropolitan area (BMA; 3.2 M inhabitants) has an integrated urban water cycle management. Different type of treatment plants are located along the drinking, sewerage and reuse networks where specific treatments are applied to guarantee a good enough standard of the water quality. The presence of radionuclides in treatment plants and in the aquatic environment is well known. Primordial and daughters, cosmogenic, global fall-out and nuclear-legacy radionuclides can be found in the urban water cycle. Moreover in nuclear medicine (NM), short-lived radionuclides are administered to patients, excreting part directly into the sewage network and entering into the urban water cycle. Thus, the levels of radionuclides in waters and materials from water treatment plants were experimentally checked in the BMA in order to understand the behaviour during the water treatment and to perform a risk assessment. An integrated study focused on the study of the radionuclides levels at different three types of water treatment plants from the same network was carried out. A total of 233 samples were taken at 1 drinking water treatment plant (DWTP), 7 wastewater treatment plants (WWTPs) and 1 reclaimed water treatment plant (RWTP). The concentrations were determined by gamma-spectroscopy techniques after acquisitions performed by high-purity germanium detectors. Primordial and daughters radionuclides were found in materials from the DWTP studied and the highest specific activities found for sludge, sand and reverse osmosis brine corresponded to K-40. Nevertheless, the maximum concentration in the case of granular activated carbon was found for U-238. Moreover cosmogenic Be-7 and fall-out Cs-137 were found in sludges. A total of 5 different NM radionuclides were found in the analysis carried out in the samples from the 7 WWTPs. In the case of water and sewage sludge the highest maximum values and detection frequencies corresponded to Tc-99m and I-131. Moreover Ga-67, In-111 and I-123 were found but showing significantly lower levels. The detection frequencies and the mean levels found at the WWTPs of Ga-67, Tc-99m, In-111 and I-131 agreed with the NM radionuclides total activity administered in the region studied. Furthermore the concentrations and detection frequencies were significantly higher in the sewage sludge samples taken at the very large-sized WWTP-1 (325,000 m3/d), partially explained by their low sludge age. Medically-derived I-131 was also found in reclaimed water for reuse from the RWTP and materials from DWTP, which represent novel contributions to the current knowledge in this field.
Taking into account the present findings some considerations from the radiological protection point of view can be done. Despite the presence of radionuclides in the DWTP materials, they do not pose a radiological risk. In the case of the WWTPs and the RWTP studied, the levels found in waters and materials do not represent a significant risk, however, I-131 concentrations were pointed out as the most significant. With the aim to achieve a better understanding of I-131 behaviour in WWTPs and predict the I-131 levels novel methods of I-131 partitioning analysis as well as prognosis models were adapted successfully to a WWTP. I-131 partitioning results pointed out that the settling fraction predominates in the reactor while in the rest of the WWTP samples dissolved iodide fraction was the most significant. Furthermore the activated sludge reactors from WWTPs were revealed as the key step for I-131 removal from wastewater. Specifically, reactors with the highest total nitrogen kjeldahl removal were also the most effective for I-131 reduction. Regarding the I-131 modelling a total of 82 % of simulated data fit with the experimental results in the sewage effluent within uncertainties.
El Área Metropolitana de Barcelona (AMB; 3.2 M de habitantes) posee un sistema integrado para la gestión del ciclo urbano del agua con diferentes tipos de plantas de tratamiento. En las redes de agua potable, residual y regenerada se aplican tratamientos específicos para garantizar los estándares de calidad requeridos en cada caso. Estudios previos en plantas de tratamiento de aguas revelan la presencia de radionúclidos primordiales y de su cadena de desintegración, cosmogénicos y procedentes de accidentes y del legado nuclear. Además, en medicina nuclear (MN) radionúclidos artificiales de vida corta son administrados a pacientes, dichos isótopos son posteriormente excretados entrando en el ciclo urbano del agua a través del agua residual. En el presente estudio en el AMB las concentraciones de radionúclidos en aguas y materiales de las plantas de tratamiento se han estudiado de forma integrada con el objetivo de determinar su comportamiento durante el tratamiento y realizar una evaluación radiológica de los niveles. El estudio ha incluido 233 muestras tomadas en tres tipos diferentes de plantas de tratamiento, 7 estaciones depuradoras de agua residual (EDAR), 1 estación de regeneración de agua (ERA) y de 1 estación de tratamiento de agua potable (ETAP). Las concentraciones de radionúclidos se han determinado con detectores de germanio de alta pureza mediante la aplicación de técnicas de espectrometría gamma. Radionúclidos primordiales y de su cadena de desintegración fueron detectados en los materiales sólidos de la ETAP. Las actividades más altas en el caso de los fangos, las arenas y el rechazo del osmosis inversa correspondieron al K-40 mientras que en el caso de carbón activo granulado al U-238. Además, se confirmó la presencia de Be-7 y Cs-137. Un total de 5 radionúclidos relacionados con la MN fueron detectados en los análisis de las muestras de las 7 EDARs. Respecto a las aguas y los fangos analizados las máximas concentraciones y los más detectados fueron el Tc-99m y el I-131. Además, fueron detectados en concentraciones más bajas el Ga-67, In-111 y el I-123. Las frecuencias de detección y niveles concordaron con la actividad total administrada en la zona de estudio. Especial mención merecen los resultados de la EDAR-1 (325,000 m3/d), de grandes dimensiones, ya que los valores y frecuencia de detección fueron mayores que en el resto lo que se explica en parte por la reducida edad del fango que genera. El I-131 se encontró también en agua regenerada de la ERA y los materiales de EDAR estudiadas, lo que representa una nueva aportación por a lo que I-131 de origen médico se refiere. Con los presentes resultados se pueden realizar las siguientes consideraciones desde el punto de vista de la protección radiológica. A pesar de la presencia de radionúclidos en aguas y materiales de las plantas estudiadas, las concentraciones de actividad determinadas no suponen un riesgo radiológico significativo. Sin embargo, puede afirmarse que las concentraciones de I-131 fueron las más relevantes. Con el objetivo de avanzar en el conocimiento del comportamiento de I-131 en EDARs y predecir sus concentraciones nuevas metodologías de análisis del I-131 así como modelos predictivos se adaptaron satisfactoriamente a una de las EDAR estudiadas. La distribución fisicoquímica del I-131 resultó en que la fracción precipitable predominó en las muestras tomadas en el reactor ya que es un tratamiento clave para su eliminación, mientras que en el resto de muestras analizadas el yodo inorgánico disuelto fue mayoritario. Otro descubrimiento relevante fue constatar que los reactores que presentaban una mayor disminución de la concentración del nitrógeno kjeldahl mostraron también una reducción significativa del I-131. Respecto al modelo, un total del 82 % de las concentraciones de I-131 simuladas para los efluentes de planta se ajustaron satisfactoriamente a los resultados experimentales considerando las incertidumbresAdvanced carbon capture and storage technologies
http://hdl.handle.net/2117/170434
Advanced carbon capture and storage technologies
Ćwik, Agnieszka
In this work two research topics are presented: investigation of carbonation reactions of high – calcium waste materials and CO2 storage in coal.
Firstly, sorption capacity of CO2 and CH4 of hard coal and associated sorption-induced expansion of the material was measured. This investigation was maintained in isothermal and non-isothermal conditions. Experiments were done on purpose-design apparatus allowing simultaneous measurement of sorption kinetics and sorption-induced swelling/contraction of coal. Chosen coal sample had higher sorption capacity for CO2 when compare to capacity for CH4..
Next to CO2 storage, the topic of CO2 utilization has been investigated. Carbonation of European high-calcium fly ashes is assessed. The experiments have been done on different fly ashes with content of 5-36% CaO. Complementary, characterization and analysis of fly ash samples has been performed.
Acceleration of carbonation has been explored. Experiments has been done in temperature range between 25 and 290°C, 1-12 bar of CO2, CO2 + H2O and simulated flue gas over reaction times between 2 and 72 hours. Major conclusions of this work is that increasing the temperature and pressure strongly enhances the process of carbonation. Also, addition of water vapor substantially accelerates the process and increase its kinetics.
This thesis reports that maintaining the carbonation process without steam addition leads to effective carbonation conversion. Chemical fixation of CO2 molecules with solid material of fly ash with high content of CaO to produce calcium carbonate is possible. The highest sequestration capacity achieved is 117.7 g CO2/kg fly ash and highest carbonation efficiency obtained is 48%.
The microstructural analysis of fly ash samples showed the evolution of the cenosphere surface according to the carbonation experiments conditions. Different shapes and sizes of calcium carbonate has been detected after carbonation experiments.
The compositional constraints of fly ashes that control reaction with CO2 has been described. It was found that not the bulk content of CaO is the factor controlling the carbonation reaction, but the content of free lime.
Impact on carbonation of two pressure flow systems was assessed: batch and continuous flow, with and without addition of steam. Using he batch treatment with addition of steam gave the highest carbonation efficiency.
Another set of carbonation experiments which has been done was with using simulated flue gas (84% N2, 15% CO2, 1 % H2O) instead of pure CO2 stream, in conditions: 160°C, 6 bar of gas and 2 hours of reaction time. It was concluded that using flue gas instead of pure stream of carbon dioxide lowers the carbonation rate of about 9%.
Final part of this research was to determine the change of free lime content in fly ash
samples before and after carbonation. Carbonation reactions lead to substantial decrease of free lime contents in fly ashes. In most cases, the amount of free lime in fly ash after carbonation was compatible with the current EU legislations regarding fly ash incorporation to cement as admixture.; En este trabajo se presentan dos temas de investigación: almacenamiento de CO2 en carbón y carbonatación de residuos industriales con un alto contenido en calcio.
En primer lugar, se midió la capacidad de sorción de CO2 y CH4 de la hulla y su asociada expansión. Esta investigación se mantuvo en condiciones isotérmicas y no isotérmicas. Los experimentos se realizaron en un aparato diseñado específicamente, el cual permite la medición simultánea de la cinética de sorción y su asociada expansión y contracción. La muestra de carbón elegido tenía una mayor capacidad de absorción de CO2 comparado a CH4. Además, la absorción de CO2 indujo una expansión de volumen en el carbón, duplicando la obtenida tras la absorción de CH4. La cinética de deformación lineal muestra que la expansión del carbón inducida por ambos gases es anisotrópica, y es mayor en la dirección perpendicular al plano de estratificación que en paralelo a este. El análisis dilatométrico hace referencia a la deformación del material en presencia de CH4 es casi dos veces más baja que la obtenida en presencia de CO2, en el mismo rango de presión. El aumento de temperatura da como resultado una expansión adicional del carbón cuando se expone a CH4. La absorción de CO2 en el carbón en condiciones iso-térmicas conduce a la contracción de la muestra. Esto podría estar asociado con la composición petrográfica del carbón.
Los datos obtenidos de la cinética de absorción y expansión de carbón se ajustaron en una ecuación cinética. El modelo utilizado fue: ‘Ecuación Exponencial Estirada’. El modelado de la cinética de absorción y expansión es importante para determinar la respuesta del carbón como posible almacenamiento de gas y permite predecir los cambios en la absorción-transporte de carbón.
Junto al almacenamiento de CO2, la utilización de este también ha sido investigado. Se evalúa la carbonatación de las cenizas volante de origen europeo con alto contenido en calcio. Los experimentos se han realizado en diferentes cenizas volantes con un contenido entre 5-36% de CaO. Un estudio detallado de la carbonatación acelerada de las cenizas volantes has sido llevado a cabo
Los experimentos se han realizado en un rango de temperatura entre 25 y 290°C, 1 - 12 bares de CO2, CO2 + H2O y gases de combustión simulados durante tiempos de reacción entre 2 y 72 horas. La principal conclusión de este trabajo es: el aumento de temperatura, presión y la adición de vapor de agua acelera considerablemente el proceso de carbonatación en estos materiales.
Evidencias experimentales sugieren que una carbonatación efectiva se puede obtener sin la adición de vapor de agua. La mayor capacidad de CO2 secuestrado es de 117.7 g CO2/kg de cenizas volantes y la mayor eficiencia de carbonatación obtenida equivale a 48%.
El análisis microestructural de las cenizas volantes mostró una evolución de la superficie de la cenosferas según las condiciones de los experimentos de carbonatación. Se han detectado diferentes formas y tamaños de carbonato de calcio después de los experimentos de carbonatación Se han descrito las restricciones referidas a la composición de las cenizas volantes que controlan su reacción con CO2. Se encontró que el factor dominante que controla la reacción de carbonatación es el contenido mineralógico de cal libre, en lugar del contenido total de CaO.
Se evaluó el impacto en la carbonatación de dos sistemas presurizados: batch y flujo continuo, con y sin adición de vapor. Las reacciones llevadas a cabo en sistemas tipo batch con la adición de vapor produjeron la mayor eficiencia de carbonatación.
Otra serie de experimentos de carbonatación realizados consistieron en el uso de gas de combustión simulado (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) en lugar de CO2 puro. Las condiciones experimentales fueron: 160°C, 6 bares de presión total y 2 horas de tiempo de reacción. Se concluyó que el uso de gas de combustión en lugar de dióxido de carbono puro reduce la tasa de carbonatación de aproximadamente el 9%.
Finalizando, el contenido de cal libre ha sido determinado para cada muestra antes y después de las reacciones de carbonatación en una variedad de cenizas volantes. Las reacciones de carbonatación produjeron una disminución sustancial del contenido de cal libre en las cenizas volantes. En la mayoría de los casos, el contenido de cal libre después de la carbonatación fue compatible con las legislaciones actuales de la UE con respecto a la incorporación de cenizas volantes al cemento como aditivo.; W niniejszej przedstawiono dwa tematy badawcze: badanie reakcji karbonatyzacji odpadów wysoko wapniowych i składowania CO2 w węglu.
W pierwszej części badawczej dokonano analizy pojemności sorpcyjnej CO2 i CH4 węgla kamiennego oraz zmiany wolumetryczne węgla spowodowane procesem sorpcji. Eksperymenty prowadzono w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych. Do pomiarów użyto specjalistycznego aparatu do jednoczesnego pomiaru sorpcji oraz ekspansji próbek wywołanej sorpcją. Wybrana próbka węgla charakteryzowała się większą pojemnością sorpcyjną dla CO2 niż dla CH4. Odkształcenia próbki węgla spowodowane sorpcją CO2 były dwa razy większe niż odkształcenia próbki wzbudzone sorpcją metanu. Ekspansja próbki jest anizotropowa w wyniku sorpcji obu gazów i większa w kierunku prostopadłym niż równoległym. Analiza dylatometryczna wskazuje, że ekspansja węgla w obecności CH4 jest prawie dwukrotnie mniejsza niż ekspasnsja węgla podczas sorpcji CO2, w tym samym zakresie ciśnień. Prowadzenie eksperymentów sorpcji w warunkach nieizotermicznych powoduje dodatkową ekspansję węgla podczaj reakcji z CH4. Sorpcja CO2 na węglu w tych warunkach prowadzi do kontrakcji próbki. Przedstawione różnice wolumetryczne mogą być związane ze składem petrograficznym węgla.
Dane kinetyk sorpcji i rozszerzalności próbki węgla kamiennego zostały dopasowane do równania kinetycznego. Zastosowanym modelem było równanie ’Stretched Exponential Equation’. Modelowanie kinetyki sorpcji i rozszerzalności węgla jest ważne w celu określenia potencjalu zmagazynowania CO2 w węglu oraz pozwala przewidzieć zmiany wolumetryczne pokładów węglowych.
W drugiej części niniejszej pracy zbadano temat utylizacji ditlenku węgla. Przedstawiono oraz zbadano temat karbonatyzacji europejskich popiołów lotnych o wysokiej zawartościści tlenku wapnia. Doświadczenia przeprowadzono na różnych popiołach lotnych o całkowitej zawartości CaO w przedziale 5-36%. Dokonano również charakteryzacji oraz analizy wybranych próbek popiołów lotnych.
Przeprowadzono próby akceleracji kinetyki procesu karbonatyzacji. Eksperymenty wykonano w zakresie temperatur od 25 do 290°C, ciśnienia 1-12 barów CO2, CO2 + H2O lub mieszaniny gazów. Czas reakcji eskerymentów mieścił się w przedziale 2 a 72 godzin. Podwyższenie temperatury oraz ciśnienia CO2 zwiększa konwersję gazu i CaO do węglanu wapnia. Ponadto, dodanie pary wodnej do strumienia CO2 przyśpiesza proces karbonatyzacji.
Uzyskane wyniki eskerymentów pozwalają wnioskować, że karbonatyzacja w warunkach gaz – ciało stałe, bez dostępu wody jest możliwa do przeprowadzenia. Opisane warunki doświadczeń pozwoliły na interakcję cząsteczek CO2 z tlenkiem wapnia zawartym w popiele lotnym i wytworzenie kalcytu. Najwyższa uzyskana pojemność sekwestracyjna CO2 wyniosła 117,7 g CO2/kg popiołu lotnego, a najwyższa uzyskana wydajność karbonatyzacji wyniosła 48%.
Analiza mikrostrukturalna próbek popiołów lotnych ukazała ewolucję powierzchni cenosfer podczas zmieniających się warunków eskerymentalnych procesu karbonatyzacji. Podczas analizy próbek popiołu po karbonatyzacji wykryto w materiale różne kształty i rozmiary węglanu wapnia.
Zdeterminowano wpływ składu chemicznego popiołów lotnych na reakcję z ditlenkiem węgla. Stwierdzono, że zawartość wolnego wapna jest czynnikiem kontrolującym reakcję, a nie całkowita zawartość CaO.
Oceniono wpływ na reakcję karbonatyzacji dwóch układów przepływu ciśnieniowego: reaktor zamknięty oraz reaktor z ciągłym przepływem gazu, z dodatkiem pary wodnej lub bez. Zastosowanie reaktora zamkniętego z dodatkiem pary dało najwyższą wydajność karbonatyzacji.
W finalnej partii eskerymentów karbonatyzacji użyto symulowanego gazu spalinowego (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) zamiast czystego strumienia CO2, w warunkach: 160°C, 6 barów ciśnienia i 2 godzin czasu reakcji. Stwierdzono, że stosowanie gazu spalinowego zamiast czystego strumienia dwutlenku węgla obniża wydajność karbonatyzacji o około 9%.
Końcową częścią badań procesu karbonatyzacji było określenie zmiany zawartości wolnego wapna w próbkach popiołu lotnego przed i po nasyceniu ditlenkiem węgla. Reakcje karbonatyzacji prowadzą do znacznego zmniejszenia zawartości wolnego wapna w popiele lotnym. W większości przypadków ilość wolnego wapna w popiele lotnym po nasycaniu ditlenkiem węgla była zgodna z obowiązującymi przepisami UE dotyczącymi utylizacji popiołów lotnych w cemencie, jako domieszki.
Tesi en cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i AGH University of Science and Technology
2019-10-21T00:00:56ZĆwik, AgnieszkaIn this work two research topics are presented: investigation of carbonation reactions of high – calcium waste materials and CO2 storage in coal.
Firstly, sorption capacity of CO2 and CH4 of hard coal and associated sorption-induced expansion of the material was measured. This investigation was maintained in isothermal and non-isothermal conditions. Experiments were done on purpose-design apparatus allowing simultaneous measurement of sorption kinetics and sorption-induced swelling/contraction of coal. Chosen coal sample had higher sorption capacity for CO2 when compare to capacity for CH4..
Next to CO2 storage, the topic of CO2 utilization has been investigated. Carbonation of European high-calcium fly ashes is assessed. The experiments have been done on different fly ashes with content of 5-36% CaO. Complementary, characterization and analysis of fly ash samples has been performed.
Acceleration of carbonation has been explored. Experiments has been done in temperature range between 25 and 290°C, 1-12 bar of CO2, CO2 + H2O and simulated flue gas over reaction times between 2 and 72 hours. Major conclusions of this work is that increasing the temperature and pressure strongly enhances the process of carbonation. Also, addition of water vapor substantially accelerates the process and increase its kinetics.
This thesis reports that maintaining the carbonation process without steam addition leads to effective carbonation conversion. Chemical fixation of CO2 molecules with solid material of fly ash with high content of CaO to produce calcium carbonate is possible. The highest sequestration capacity achieved is 117.7 g CO2/kg fly ash and highest carbonation efficiency obtained is 48%.
The microstructural analysis of fly ash samples showed the evolution of the cenosphere surface according to the carbonation experiments conditions. Different shapes and sizes of calcium carbonate has been detected after carbonation experiments.
The compositional constraints of fly ashes that control reaction with CO2 has been described. It was found that not the bulk content of CaO is the factor controlling the carbonation reaction, but the content of free lime.
Impact on carbonation of two pressure flow systems was assessed: batch and continuous flow, with and without addition of steam. Using he batch treatment with addition of steam gave the highest carbonation efficiency.
Another set of carbonation experiments which has been done was with using simulated flue gas (84% N2, 15% CO2, 1 % H2O) instead of pure CO2 stream, in conditions: 160°C, 6 bar of gas and 2 hours of reaction time. It was concluded that using flue gas instead of pure stream of carbon dioxide lowers the carbonation rate of about 9%.
Final part of this research was to determine the change of free lime content in fly ash
samples before and after carbonation. Carbonation reactions lead to substantial decrease of free lime contents in fly ashes. In most cases, the amount of free lime in fly ash after carbonation was compatible with the current EU legislations regarding fly ash incorporation to cement as admixture.
En este trabajo se presentan dos temas de investigación: almacenamiento de CO2 en carbón y carbonatación de residuos industriales con un alto contenido en calcio.
En primer lugar, se midió la capacidad de sorción de CO2 y CH4 de la hulla y su asociada expansión. Esta investigación se mantuvo en condiciones isotérmicas y no isotérmicas. Los experimentos se realizaron en un aparato diseñado específicamente, el cual permite la medición simultánea de la cinética de sorción y su asociada expansión y contracción. La muestra de carbón elegido tenía una mayor capacidad de absorción de CO2 comparado a CH4. Además, la absorción de CO2 indujo una expansión de volumen en el carbón, duplicando la obtenida tras la absorción de CH4. La cinética de deformación lineal muestra que la expansión del carbón inducida por ambos gases es anisotrópica, y es mayor en la dirección perpendicular al plano de estratificación que en paralelo a este. El análisis dilatométrico hace referencia a la deformación del material en presencia de CH4 es casi dos veces más baja que la obtenida en presencia de CO2, en el mismo rango de presión. El aumento de temperatura da como resultado una expansión adicional del carbón cuando se expone a CH4. La absorción de CO2 en el carbón en condiciones iso-térmicas conduce a la contracción de la muestra. Esto podría estar asociado con la composición petrográfica del carbón.
Los datos obtenidos de la cinética de absorción y expansión de carbón se ajustaron en una ecuación cinética. El modelo utilizado fue: ‘Ecuación Exponencial Estirada’. El modelado de la cinética de absorción y expansión es importante para determinar la respuesta del carbón como posible almacenamiento de gas y permite predecir los cambios en la absorción-transporte de carbón.
Junto al almacenamiento de CO2, la utilización de este también ha sido investigado. Se evalúa la carbonatación de las cenizas volante de origen europeo con alto contenido en calcio. Los experimentos se han realizado en diferentes cenizas volantes con un contenido entre 5-36% de CaO. Un estudio detallado de la carbonatación acelerada de las cenizas volantes has sido llevado a cabo
Los experimentos se han realizado en un rango de temperatura entre 25 y 290°C, 1 - 12 bares de CO2, CO2 + H2O y gases de combustión simulados durante tiempos de reacción entre 2 y 72 horas. La principal conclusión de este trabajo es: el aumento de temperatura, presión y la adición de vapor de agua acelera considerablemente el proceso de carbonatación en estos materiales.
Evidencias experimentales sugieren que una carbonatación efectiva se puede obtener sin la adición de vapor de agua. La mayor capacidad de CO2 secuestrado es de 117.7 g CO2/kg de cenizas volantes y la mayor eficiencia de carbonatación obtenida equivale a 48%.
El análisis microestructural de las cenizas volantes mostró una evolución de la superficie de la cenosferas según las condiciones de los experimentos de carbonatación. Se han detectado diferentes formas y tamaños de carbonato de calcio después de los experimentos de carbonatación Se han descrito las restricciones referidas a la composición de las cenizas volantes que controlan su reacción con CO2. Se encontró que el factor dominante que controla la reacción de carbonatación es el contenido mineralógico de cal libre, en lugar del contenido total de CaO.
Se evaluó el impacto en la carbonatación de dos sistemas presurizados: batch y flujo continuo, con y sin adición de vapor. Las reacciones llevadas a cabo en sistemas tipo batch con la adición de vapor produjeron la mayor eficiencia de carbonatación.
Otra serie de experimentos de carbonatación realizados consistieron en el uso de gas de combustión simulado (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) en lugar de CO2 puro. Las condiciones experimentales fueron: 160°C, 6 bares de presión total y 2 horas de tiempo de reacción. Se concluyó que el uso de gas de combustión en lugar de dióxido de carbono puro reduce la tasa de carbonatación de aproximadamente el 9%.
Finalizando, el contenido de cal libre ha sido determinado para cada muestra antes y después de las reacciones de carbonatación en una variedad de cenizas volantes. Las reacciones de carbonatación produjeron una disminución sustancial del contenido de cal libre en las cenizas volantes. En la mayoría de los casos, el contenido de cal libre después de la carbonatación fue compatible con las legislaciones actuales de la UE con respecto a la incorporación de cenizas volantes al cemento como aditivo.
W niniejszej przedstawiono dwa tematy badawcze: badanie reakcji karbonatyzacji odpadów wysoko wapniowych i składowania CO2 w węglu.
W pierwszej części badawczej dokonano analizy pojemności sorpcyjnej CO2 i CH4 węgla kamiennego oraz zmiany wolumetryczne węgla spowodowane procesem sorpcji. Eksperymenty prowadzono w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych. Do pomiarów użyto specjalistycznego aparatu do jednoczesnego pomiaru sorpcji oraz ekspansji próbek wywołanej sorpcją. Wybrana próbka węgla charakteryzowała się większą pojemnością sorpcyjną dla CO2 niż dla CH4. Odkształcenia próbki węgla spowodowane sorpcją CO2 były dwa razy większe niż odkształcenia próbki wzbudzone sorpcją metanu. Ekspansja próbki jest anizotropowa w wyniku sorpcji obu gazów i większa w kierunku prostopadłym niż równoległym. Analiza dylatometryczna wskazuje, że ekspansja węgla w obecności CH4 jest prawie dwukrotnie mniejsza niż ekspasnsja węgla podczas sorpcji CO2, w tym samym zakresie ciśnień. Prowadzenie eksperymentów sorpcji w warunkach nieizotermicznych powoduje dodatkową ekspansję węgla podczaj reakcji z CH4. Sorpcja CO2 na węglu w tych warunkach prowadzi do kontrakcji próbki. Przedstawione różnice wolumetryczne mogą być związane ze składem petrograficznym węgla.
Dane kinetyk sorpcji i rozszerzalności próbki węgla kamiennego zostały dopasowane do równania kinetycznego. Zastosowanym modelem było równanie ’Stretched Exponential Equation’. Modelowanie kinetyki sorpcji i rozszerzalności węgla jest ważne w celu określenia potencjalu zmagazynowania CO2 w węglu oraz pozwala przewidzieć zmiany wolumetryczne pokładów węglowych.
W drugiej części niniejszej pracy zbadano temat utylizacji ditlenku węgla. Przedstawiono oraz zbadano temat karbonatyzacji europejskich popiołów lotnych o wysokiej zawartościści tlenku wapnia. Doświadczenia przeprowadzono na różnych popiołach lotnych o całkowitej zawartości CaO w przedziale 5-36%. Dokonano również charakteryzacji oraz analizy wybranych próbek popiołów lotnych.
Przeprowadzono próby akceleracji kinetyki procesu karbonatyzacji. Eksperymenty wykonano w zakresie temperatur od 25 do 290°C, ciśnienia 1-12 barów CO2, CO2 + H2O lub mieszaniny gazów. Czas reakcji eskerymentów mieścił się w przedziale 2 a 72 godzin. Podwyższenie temperatury oraz ciśnienia CO2 zwiększa konwersję gazu i CaO do węglanu wapnia. Ponadto, dodanie pary wodnej do strumienia CO2 przyśpiesza proces karbonatyzacji.
Uzyskane wyniki eskerymentów pozwalają wnioskować, że karbonatyzacja w warunkach gaz – ciało stałe, bez dostępu wody jest możliwa do przeprowadzenia. Opisane warunki doświadczeń pozwoliły na interakcję cząsteczek CO2 z tlenkiem wapnia zawartym w popiele lotnym i wytworzenie kalcytu. Najwyższa uzyskana pojemność sekwestracyjna CO2 wyniosła 117,7 g CO2/kg popiołu lotnego, a najwyższa uzyskana wydajność karbonatyzacji wyniosła 48%.
Analiza mikrostrukturalna próbek popiołów lotnych ukazała ewolucję powierzchni cenosfer podczas zmieniających się warunków eskerymentalnych procesu karbonatyzacji. Podczas analizy próbek popiołu po karbonatyzacji wykryto w materiale różne kształty i rozmiary węglanu wapnia.
Zdeterminowano wpływ składu chemicznego popiołów lotnych na reakcję z ditlenkiem węgla. Stwierdzono, że zawartość wolnego wapna jest czynnikiem kontrolującym reakcję, a nie całkowita zawartość CaO.
Oceniono wpływ na reakcję karbonatyzacji dwóch układów przepływu ciśnieniowego: reaktor zamknięty oraz reaktor z ciągłym przepływem gazu, z dodatkiem pary wodnej lub bez. Zastosowanie reaktora zamkniętego z dodatkiem pary dało najwyższą wydajność karbonatyzacji.
W finalnej partii eskerymentów karbonatyzacji użyto symulowanego gazu spalinowego (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) zamiast czystego strumienia CO2, w warunkach: 160°C, 6 barów ciśnienia i 2 godzin czasu reakcji. Stwierdzono, że stosowanie gazu spalinowego zamiast czystego strumienia dwutlenku węgla obniża wydajność karbonatyzacji o około 9%.
Końcową częścią badań procesu karbonatyzacji było określenie zmiany zawartości wolnego wapna w próbkach popiołu lotnego przed i po nasyceniu ditlenkiem węgla. Reakcje karbonatyzacji prowadzą do znacznego zmniejszenia zawartości wolnego wapna w popiele lotnym. W większości przypadków ilość wolnego wapna w popiele lotnym po nasycaniu ditlenkiem węgla była zgodna z obowiązującymi przepisami UE dotyczącymi utylizacji popiołów lotnych w cemencie, jako domieszki.