Title: Temperature swing adsorption process scale up from bench to pilot scale The ViennaGreenCO2 pilot program
Language: English
Authors: Fuchs, Johannes 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Hofbauer, Hermann 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 160
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die großtechnische Abscheidung von CO2 aus Kraftwerks- und Industrieabgasen ist nicht unumstritten, aber immer mehr als unumgänglich anzusehen, um die Ziele aus dem Pariser Klimaabkommen zu erreichen. Unabhängig von der politischen Diskussion ist jedoch allgemein anerkannt, dass speziell die Abscheidung von CO2 aus verdünnten Abgasströmen eine große Herausforderung darstellt. Zwar gibt es mit der CO2 Rauchgaswäsche mittels wässriger Aminlösung bereits eine ausgereifte Technologie, jedoch bringt diese einige Nachteile mit sich. Prozessbedingt ist der Energiebedarf für die Abscheidung von CO2 nicht zuletzt aufgrund der hohen Wärmekapazität der eingesetzten Amin Lösung hoch. Neben dem hohen Energieverbrauch bedingt der Einsatz von wässrigen Aminlösungen aber auch zusätzliche Emissionen von potenziell gesundheitsgefährdenden Stoffen, führt zu Korrosionsproblemen und bedingt hohe Investitions- und Betriebskosten. Aus oben genannten Gründen beschäftigen sich viele Studien der letzten Jahre mit neuen Technologien zur CO2 Abscheidung. Eine vielversprechende und oft zitierte Technologie ist die Abscheidung von CO2 mittels Temperaturwechseladsorption (TSA). Im Gegensatz zur Aminwäsche, zirkuliert bei TSA ein pulverförmiger Feststoff zwischen einem Adsorptionsreaktor, wo das CO2 aus dem Abgas aufgenommen wird und einem Regenerationsreaktor, wo das auf dem Feststoff gebundeneCO2 meist in konzentrierter Form wieder freigegeben wird. Der Einsatz eines Feststoffes anstelle der wässrigen Lösung bietet das Potential einerseits den Energiebedarf deutlich zu senken, und andererseits auch einige der obengenannten Probleme zu eliminieren oder zumindest deutliche Verbesserungen zu erzielen. TSA ist zwar kein grundlegend neuer Prozess und in verschiedenenIndustriebereichen schon seit langem im Einsatz, der Einsatz der Technologie für die großtechnischeCO2 Abscheidung aus Industrie- und Kraftwerksabgasen birgt jedoch viele Herausforderungen, die eingut durchdachtes Anlagenkonzept bedürfen.Im Jahr 2015, wurde ein neuartiges Konzept zur Abscheidung von CO2 mittels TSA in mehrstufigen Wirbelschichtreaktoren von der TU Wien vorgestellt und innerhalb einer eigens entwickelten Laboranlage erfolgreich demonstriert. Das neue Konzept konnte eine vielversprechende Abscheideleistung erzielen und wurde im Zuge zahlreicher Parametervariationen im Detail untersucht. Im Zuge dieser Arbeit, wird das Design einer darauf basierenden TSA Pilotanlage erarbeitet und vorgestellt. Im Vergleich zu den flüssigen Aminlösungen, ist die Prozessführung mit pulverförmigen Adsorbenzien jedoch deutlich komplizierter. Auf die damit verbundenen technologischen Herausforderungen wird im Detail eingegangen und Lösungen für die verschiedenen Subsysteme werden erarbeitet. Wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist dabei die Zusammenführung von verschiedenen Detailuntersuchungen zur wirbelschichttechnischen Auslegung der Hauptkomponenten, Untersuchungen zum Wärmeübergang, sowie Ergebnissen von Laborexperimenten und Prozessmodellierung. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Detailuntersuchungen wird eine Designstrategie für eine TSA Pilotanlage mit einer Abscheidekapazität von einer Tonne CO2 pro Tag abgeleitet und die Prozesshauptkomponenten dimensioniert. Des Weiteren wird ein Überblick über die Detailplanung der Anlage sowie Ergebnisse der Errichtungs- und Inbetriebnahme Phase präsentiert.

Although, carbon capture and storage is not undisputed, it is more and more seen as inevitable to achieve climate targets of the Paris Climate Agreement. On the other side, what is broadly accepted is, that especially the capture part of CCS is a major challenge. CO2 scrubbing by utilization of aqueous amine solutions is still seen as the current state of the art technology. But due to the utilization of a water-based liquid, some inherent drawbacks come with this technology. Besides the large energy demand required to achieve the temperature swing necessary for removal of the CO2 and subsequent regeneration of the liquid, the process also suffers from additional emissions of harmful species, corrosion and fouling issues as well as high investment and operating costs. Therefore, many studies in the past two decades focused on the identification of alternative paths for separation of CO2. One emerging technology with high potential is temperature swing adsorption(TSA). Instead of a liquid solvent, TSA for CO2 capture utilizes a solid sorbent (usually in form of a powder) which is circulated between an adsorption reactor, where CO2 is loaded onto the sorbent, anda regenerator, where the CO2 is released preferably in a concentrated form. The utilization of a solid sorbent has the potential to eliminate above mentioned drawbacks or to bring a significant improvement at least. Although, TSA is not new at all, the application of TSA for capture of CO2 from large scale sources is novel and comes with many challenges. To fully exploit advantages of solid sorbents, a sophisticated process set-up is required. In 2015 a novel TSA set-up based on multistage fluidized beds was presented by TU Wien and a proveof concept was delivered by continuous operation of a bench scale unit. Several parameter variations indicated highly promising process performance, but various limitations and uncertainties of results atbench scale hindered further process development. Within this work, the design of a TSA pilot plant based on multistage fluidized beds for capture of CO2 is elaborated. Although some of the advantages of a solid sorbent over a liquid amine solvent are evident, the handling of powdery material within a continuous process is more complicated. Ininvestigations of the process sub systems the special requirements and challenges for the multistage fluidized bed columns, sorbent transport sections, and a heat recovery system are investigated, and design solutions are derived. An essential part of this work is the integration of detailed studies on the fluid-dynamic design of multistage fluidized bed systems, heat exchanger design, as well as experimental results from bench scale and modelling results. With the gained knowledge, a design strategy for a TSA pilot unit with a capture capacity of 1 ton/day is elaborated and the main equipment is dimensioned. Furthermore, an overview of results from detailed engineering, erection and commissioning phase are presented.
Keywords: CO2-Abscheidung; Biomassekraftwerk; Adsorption; Feststoffamine; WS-Demoanlage
CO2-separation; Biomass-CHP; Adsorption; Solid amines; Fluidized bed demo plant
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.87322
http://hdl.handle.net/20.500.12708/17116
DOI: 10.34726/hss.2021.87322
Library ID: AC16173115
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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