Cold flow model study on a sorbent based multistage fluidized bed system for continuous CO2 capture

Abstract

Die Verwendung von festen Adsorptionsmittel hat sich als vielversprechende Methode zur Abscheidung von CO2 nach Verbrennungsprozessen erwiesen. Im Vergleich zur Aminwäsche, die als Stand der Technik bezeichnet werden kann, wird eine Reduktion der Regenerationsenergie für möglich gehalten. In den letzten Jahren wurde an der Technischen Universität Wien ein Verfahren basierend auf Temperaturwechseladsorption entwickelt und im Labormaßstab erfolgreich getestet. Die Laboranlage mit einer Abscheidekapazität von 50 kg CO2 pro Tag arbeitet in einem kontinuierlichen Prozess und besteht aus einem Adsorber, in welchem das Abgas behandelt wird und einem Desorber, in welchem die Partikel das gebundene CO2 wieder abgeben. Ein Feststoff-Transportsystem, welches aus L-valves und Steigrohren besteht, verbindet diese beiden Elemente. Adsorber und Desorber sind beide als mehrstufige Wirbelschichtkolonnen ausgeführt, was einen Gegenstrom von Gas und Feststoff erlaubt. Dadurch ergeben sich im Vergleich zu einstufigen Systemen erhebliche Vorteile, wie eine erhöhte Adsorption von CO2 und eine verbesserte Regeneration des Adsorptionsmittels. Basierend auf den Erfahrungen von hunderten Betriebsstunden mit der Laboranlage soll der Prozess für eine Anlage im Pilotmaßstab weiterentwickelt werden. Das Hochskalieren von Wirbelschichtanlagen ist eine komplexe Aufgabe, und wird daher üblicherweise mit Kaltmodellversuchen unterstützt, um fluiddynamische Herausforderungen bereits in einer frühen Phase der Prozessentwicklung zu erkennen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von fluiddynamischen Aspekten des Systems, welche während des Betriebes der Laboranlage identifiziert wurden. Bei den in dieser Arbeit präsentierten umfangreichen Kaltmodellversuchen wurden die fluiddynamischen Eigenschaften beider mehrstufigen Wirbelschichtkolonnen untersucht, sowie das Feststoff- Transportsystem optimiert. Abschließend wird das Design einer Pilotanlage mit einer Abscheidekapazität von etwa 1 Tonne CO2 pro Tag vorgestellt.

Solid sorbent based processes have shown to be a promising technology for post combustion CO2 capture. Compared to the state of the art process amine scrubbing, a reduction of the regeneration energy demand might be achieved. In the last years, a sorbent based process using temperature swing adsorption was developed and successfully tested at bench scale size at the TU Wien. The unit has got a capture capacity of 50 kg CO2 per day and comprises an adsorber where the flue gas is treated, and a desorber, in which the CO2 is stripped from the solids. A solids transport system with L-valves and pneumatic risers is used to circulate the solids between those two components. Adsorber as well as desorber are both realized as multistage fluidized bed columns, which brings significant advantages for the adsorption and regeneration of the solids. Based on the experience from the bench scale unit, the process will be developed to pilot scale. Upscaling is a complex task for fluidized bed systems and is, therefore, usually supported by cold flow model investigations to recognize fluid dynamic challenges in an early stage of development. The aim of this work is to investigate the critical fluid dynamic aspects of the system that have been identified during the operation of the bench scale unit. During extensive cold flow model studies, the fluid dynamic properties of the multistage fluidized bed columns were tested, and the solids transport system was optimized. Finally, the conclusions for the design of a temperature swing adsorption unit with a capture capacity of around 1 ton per day of CO2 are presented.