The development and application of a multi-component adsorption model for a temperature swing adsorption process in the field of post combustion CO2 capture : from particle to process integration

Abstract

Um die Effekte der globalen Erwärmung zu mäßigen muss der anthropogene Ausstoß von Treibhausgasen, insbesondere von CO2, in die Atmosphäre drastisch reduziert werden. Carbon capture and storage (CCS) ist eine Technologie mit der CO2 aus Abgasen oder der Luft abgeschieden und folglich in geologischen Lagerstätten sicher gelagert werden kann. Abgase von Großproduzenten wie der Industrie oder Kraftwerken machen einen großen Anteil des in die Atmosphäre abgegebenen CO2 aus. Der derzeitige Stand der Technik ist es, mittels Aminwäsche das CO2 aus diesen Emittenten abzuscheiden. Hierbei werden in Wasser gelöste Amine verwendet, um aus den Abgasen selektiv das gasförmige CO2 zu binden und somit vom restlichen Abgasstrom zu isolieren. Die Verwendung von Aminen ermöglicht einen sehr reinen CO2 Produktstrom, der in weiterer Folge verflüssigt und zu Speicherstätten transportiert werden kann. In den letzten Jahren wurde viel im Bereich der CO2 Abtrennung mittels Temperaturwechseladsorption geforscht. Diese neue Technologie hat das Potential viele Probleme mit denen die Aminwäsche heute kämpft zu lösen oder zu verbessern. Ein innovatives Reaktordesign auf Basis einer mehrstufigen Fluidbett Gas-Feststoff Technologie ist seit 2013 an der TU Wien erfolgreich in die Praxis umgesetzt worden. Durch die Verwendung von Feststoffen als CO2-Träger sind potenziell kleinere Anlagen, niedrigerer Energiebedarf, geringere Aminemissionen und ein geringerer Wasserbedarf möglich. Da diese Technologie noch in den Anfangsphasen steckt, sind viele Untersuchungen zu einer Reihe von Themen notwendig, um sie in realen Anwendungen umzusetzen. Diese Arbeit untersucht die Anwendung der mehrstufigen Temperaturwechseladsorption unter realen Bedingungen für den CO2 Ausstoß von Kraftwerksanlagen und ob die potentiellen Vorteile dieser neuen Technologie auch bei näherer Betrachtung bestehen. Um verlässliche Aussagen zu erhalten wird im Vorfeld in Laborversuchen ein geeigneter Feststoff auf seine CO2-Adsorptionseigenschaften unter zu erwarteten Prozessbedingungen untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein thermodynamisches Adsorptionsmodell erstellt. Des Weiteren werden CO2-Abscheidungsversuche in einer kontinuierlichen mehrstufigen Wirbelbettanlage durchgeführt und mit den Vorhersagen des Modells verglichen. Dies ermöglicht den Gültigkeitsbereich des Modells zu bestimmen. Das neu entwickelte und abgestimmte Modell wird in Folge dazu verwendet, alternative Prozessführungen zu untersuchen, Auswirkungen des Prozesses auf ausgewählte Anlagenteile zu erforschen und einen aktualisieren gesamt Energiebedarf zu bestimmen. All diese Untersuchungen sollen dazu beitragen, diese junge Technologie weiter zur Marktreife zu bringen.

In order to mitigate the effects of global warming the anthropogenic release of CO2 from fossil fuels into the atmosphere has to be drastically reduced. One technology capable of achieving that is carboncapture and storage (CCS). CO2 is separated from a gas stream and then subsequently transported and stored safely in geological formations. An option to capture CO2 from large point sources, for examplepower plants or industrial processes, is a post combustion carbon capture unit. Such a unit is able to selectively separate CO2 from an off gas stream and produce an almost pure CO2 stream that can be compressed and stored. The current state-of-the-art technology capable of achieving just that is amine scrubbing. In this process amine solutions are pumped in-between two contactors separating the CO2 from the gas stream by means of continuous absorption and desorption. This technology has been studied intensively and is proven to work, but intrinsic disadvantages of the process, like high energy demand and high process emissions, remain. In the past decade many developments in the field of carbon capture by means of temperature swing adsorption (TSA) with solid sorbent materials have been made. A novel reactor design based on multi-stage fluidized bed technology has been developed by TU Wien since 2013 and shows thepotential to address most of the downsides of the current state-of-the-art technology. By using solid sorbents instead of amines dissolved in water as the CO2 carrier, the process has the potential to build smaller, have less overall energy demand and lower water and amine evaporation. As this Technology is very young, many investigations have to be made in order to correctly assess the new technology. This work deals with the assessment of applying this young technology to actual process applications and investigates whether some of the potential advantages hold true upon closer inspection. This is done by developing a comprehensive process model that can be used to investigate various process setups of solid sorbent multi-stage TSA systems and give realistic information on the presumed Energy demands and process behaviour. To receive more reliable results, a solid sorbent material is characterized in lab tests for its CO2 adsorption behaviour under expected operating conditions. An adsorption model is then built based on those characteristics. Furthermore experiments with a continuous TSA bench scale unit are performed and the newly developed adsorption model is used to calculate the set operating conditions. With results from the continuous TSA process experiments and model calculations the reliability of the model can be shown. The model is then used to calculate various tasks for process optimisation, energy demand and alternative plant configurations in order to bring this new technology closer to market readiness.