Experimental studies on a multi-stage fluidized bed system for post-combustion CO2 capture

Abstract

Post-combustion CO2 capture by means of temperature swing adsorption using amine-functionalized sorbents has the potential of overcoming many deficiencies of the current state-of-the-art in this field, i.e. aqueous amine scrubbing. In the past decade, an effort has been made in developing CO2 sorbents suitable for post-combustion CO2 capture, whereas the development of processes that implement these newly developed sorbents has gained comparably little attention. At the Institute for Chemical, Environmental and Biological Engineering at TU Wien, a temperature swing adsorption process based on an interconnected multi-stage fluidized bed design has been developed and extensively investigated at bench scale. The bench scale unit features two reactor columns, the adsorber and the desorber, which each consisting of five vertically stacked fluidized bed stages. This design enables a counter-current contacting regime of gas and solids, which is necessary for efficient CO2 capture operation. The sorbent materials utilized in the bench scale unit feature amine groups on the surface, which allow for selective and reversible CO2 adsorption. For further upscaling of the temperature swing adsorption process, it must be ensured that CO2 can be captured in an efficient and cost-effective manner, especially in comparison to the current state-of-the-art. Subject matters with high practical relevance were investigated in the course of numerous experimental studies in the temperature swing adsorption bench scale unit. The obtained results were used to derive recommendations for the post-combustion CO2 capture process based on temperature swing adsorption using amine-functionalized sorbents. Results obtained from parameter variations showed that high CO2 capture efficiencies can be achieved in a wide range of operating conditions within the proposed temperature swing adsorption system. It was shown that sufficient heat transfer in the fluidized bed columns becomes critical at high CO2 feeding rates, whereas at high flue gas feeding velocities in the adsorber, fast reaction kinetics and efficient gas-solids contact are required to ensure efficient CO2 capture operation. Reactive gas constituents, such as SO2 and NOx, are typically present in flue gases at ppm-levels. Even at these low concentrations, degradation of amine-functionalized sorbents has been documented by other workers. An experimental campaign at the site of a combined heat and power plant revealed the detrimental impact of these gas constituents on the CO2 capture performance of the temperature swing adsorption bench scale unit. The removal of process emissions can increase construction cost, as well as the operational cost associated with CO2 capture units. Therefore, potential environmental emissions need to be identified and quantified. Two 120-hour experiments were conducted in the bench scale unit, each with a different amine-functionalized sorbent to allow for assessment in this regard. It was shown that nitrogenous emissions from the temperature swing adsorption process are significantly lower than comparable emissions from an amine scrubbing process using the benchmark solvent i.e. aqueous monoethanolamine. A major constituent of flue gas is water. Since amine-functionalized sorbents are able to co-adsorb considerable amounts of water, it is important to understand the role of water in the temperature swing adsorption process. In a dedicated experiment, the impact of water co-adsorption on the process heat demand was identified and possible strategies for controlling water co-adsorption are discussed. Heat integration within a process can contribute in a reduction of the process heat demand. In amine scrubbing, a heat exchanger is used to transfer heat from the hot lean solvent to the cooler rich solvent. A similar strategy was investigated in the temperature swing adsorption bench scale unit. Here, a heated moving bed heat exchanger was used to pre-heat rich sorbent before it enters the desorber, and a cooled moving bed heat exchanger was used to simulate the recovery of sensible heat from the lean sorbent exiting the desorber. In an initial experiment with these heat exchangers, a considerable reduction in the desorber heat demand could be observed. From the conducted work, a number of recommendations are drawn regarding the design of the next-scale temperature swing adsorption unit for post-combustion CO2 capture. These design recommendations are aimed at intensifying gas-solids contact in the adsorber as well as improving heat transfer within the fluidized bed columns and facilitating heat integration within the process. A sorbent recommendation is given that allows for operation with low environmental emissions and low sorbent degradation. Furthermore, critical flue gas constituents that have shown to cause sorbent degradation are identified and corresponding flue gas specifications are given. Additionally, co-adsorption and subsequent transport of water between the columns has been identified to allow for higher flexibility in a techno-economic evaluation.

Temperaturwechseladsorption mittels Amin-funktionalisierten Adsorbens hat das Potential zahlreiche Defizite des gegenwärtigen Standes der Technik auf dem Gebiet der CO2-Abscheidung aus Verbrennungsabgasen zu überwinden. In den letzten zehn Jahren wurden große Anstrengungen im Bereich der CO2-Adsorbens-Forschung unternommen, während die Entwicklung von Prozessen, die diese neuartige Adsorbentien implementiert, vergleichsweise wenig Beachtung gefunden hat. Am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften an der TU Wien wurde ein Temperaturwechseladsorptionsverfahren auf Basis eines mehrstufigen Wirbelschichtdesigns entwickelt und im Labormaßstab umfassend untersucht. Die dafür verwendete Versuchsanlage verfügt über zwei Reaktorkolonnen, den Adsorber und den Desorber. Diese Kolonnen bestehen jeweils aus fünf Wirbelschichtstufen die senkrecht übereinander angeordnet sind. Das mehrstufige Reaktordesign ermöglicht den, für einen effizienten CO2-Abscheidebetrieb, notwendigen Gegenstromkontakt von Gas und Feststoff. Die untersuchten Adsorbensmaterialien verfügen über Amingruppen auf ihrer Oberfläche die es ihnen erlaubt CO2 reversibel und selektiv zu adsorbieren. Im nächstgrößeren Prozessmaßstab muss sichergestellt werden, dass CO2 effektiv und kosteneffizient abgeschieden werden kann, ins besondere in Hinblick auf den gegenwärtigen Stand der Technik, der Rauchgaswäsche mittels wässrigen Amin-Lösungen. Im Laufe von zahlreichen experimentellen Studien wurden Themengebiete mit besonders hoher praktischer Relevanz behandelt. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen wurden in weiterer Folge dazu genutzt Designempfehlungen für den nächsten Skalierungsschritt abzuleiten. Ergebnisse aus einigen Parametervariationen haben gezeigt, dass es mit dem vorgeschlagenen Temperaturwechseladsorptionssystem möglich ist unter einer Vielzahl verschiedener Betriebsbedingungen CO2 effizient abzuscheiden. Es hat sich gezeigt, dass bei hohen CO2-Einspeiseraten die Wärmeübertragung zwischen Wärmetauschern und der Wirbelschicht besonders wichtig wird. Des Weiteren wurde gezeigt das bei hohen Rauchgasgeschwindigkeiten im Adsorber, eine schnelle Reaktionskinetik und ein effizienter Gas-Feststoff-Kontakt erforderlich sind, um einen effizienten CO2-Abscheidebetrieb sicherzustellen. Reaktive Gasbestandteile wie SO2 und NOx liegen in Rauchgasen typischerweise im ppm-Bereich vor. Selbst bei diesen niedrigen Konzentrationen wurde eine Vergiftung des Amin-funktionalisierten Adsorbens dokumentiert. Eine experimentelle Kampagne am Standort eines Blockheizkraftwerks hat den nachteiligen Einfluss dieser Gasbestandteile auf die CO2-Abscheideleistung des Prozesses bestätigt. Maßnahmen zur Beseitigung von Prozessemissionen kann Bau- und Betriebskosten von CO2-Abscheideanlagen beträchtlich erhöhen. Daher müssen potenzielle Umweltemissionen identifiziert und quantifiziert werden. Um Prozessemissionen in dieser Hinsicht zu beurteilen, wurden zwei 120-Stunden Experimente mit jeweils einem anderen Amin-funktionalisierten Adsorbens durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass stickstoffhaltige Prozessemissionen signifikant niedriger sind als vergleichbare Emissionen aus der Aminwäsche mit einer Monoethanolamin-Lösung. Ein Hauptbestandteil von Rauchgasen ist Wasserdampf. Da Amin-funktionalisierte Adsorbentien in der Lage sind erhebliche Mengen an Wasser zu adsorbieren, ist es wichtig, die Rolle von Wasser im Temperaturwechseladsorptionsprozess zu verstehen. In einem gesonderten Experiment wurde der Einfluss der Wasser-Ko-Adsorption auf den Prozesswärmebedarf ermittelt und mögliche Strategien zur Steuerung der Wasser-Ko-Adsorption diskutiert. Die Wärmeintegration innerhalb eines Prozesses kann zur Reduzierung des Prozesswärmebedarfs beitragen. Bei der Rauchgaswäsche mit wässrigen Amin-Lösungen wird ein Wärmetauscher verwendet, um Wärme von der heißen CO2-armen Lösung auf die kühlere, CO2-reiche Lösung zu übertragen. Eine ähnliche Strategie wurde in der Laboranlage untersucht. Hier wurde ein beheizter Fließbettwärmetauscher verwendet, um CO2-reiches Adsorbens vor dem Eintritt in den Desorber vorzuwärmen, während in einem gekühlten Fließbettwärmetauscher die Rückgewinnung von sensibler Wärme simuliert wurde. In einem ersten Versuch mit diesen Wärmetauschern konnte der Wärmebedarf im Desorber erheblich reduziert werden.