CO₂ capture from industrial point sources and further development of amine reclaimer

Goal of project:
Prosjektet undersøker hvordan post combustion CO₂ capture kan integreres i kraftintensiv industri, som sement, aluminium og petrokjemi. Videre skal man utvikle metoder for å håndtere ”amine reclaimer waste” (ARW), inkludert metoder for biologisk behandling av ARW og kjemisk karakterisering av slikt avfall. NOx reduksjons potensialet ved bruk av aminer skal også undersøkes.

Technical content:
Arbeidspakke 1 fokuserer på CO₂ fangst og energi-integrasjon. Det gjøres en sammenligning mellom to ulike fangstteknologier: MEA og chilled ammonia. Gjennom en utvidet case studie i aluminiumsindustrien, undersøkes det ved hjelp av simuleringer i Aspen Hysys og Aspen Plus hvordan overskuddsvarme fra produksjonen kan utnyttes til CO₂ fangst, og hva som er en optimal CO₂-konsentrasjon i røykgassen for fangst ved de ulike teknologiene. Det er også gjort eksperimenter i lab.
Gjennom labforsøk undersøkes det i arbeidspakke 2 hvordan aminavfall kan karakteriseres kjemisk. Resultatene fra herfra er igjen benyttet mot arbeidspakke 3, der det gjøres forsøk med biologisk nedbrytning av aminavfall for å se hvorvidt slik behandling kan være et alternativ til forbrenning. Forbrenning har på sin side vært undersøkt i den siste arbeidspakken, med fokus på effekt av amin på NOx dannelse ved tilførsel av aminavfall (amine reclaimer waste – ARW) i en sementovn


Technical advantages:
Det antas at prosjektet vil bidra til at spillvarme fra en industriprosess bedre kan utnyttes i forbindelse med CO₂-fangst. For aluminiumsproduksjon spesielt vil prosjektet gi viktige bidrag til å definere et optimum med tanke på oppkonsentrering av CO₂ i røykgassen før fangst.
Videre vil prosjektet forbedre kunnskapen om biologisk nedbryting av aminavfall, og kunne danne grunnlag for å utvikle en industriell prosess for slik behandling av ARW.
Se også avsnitt om resultater.

R&D challenges:
Viktige forskningsmessige utfordringer i prosjektet har vært å sammenligne MEA og Chilled Ammonia prosessene med utgangspunkt i aluminiumsproduksjon som case. Dette arbeidet sluttføres nå i løpet av de siste månedene av prosjektet. Videre har vi fokusert på å benytte virkelig aminavfall (fra Searles Valley Minerals, California) til så mange forsøk som mulig både i forbindelse med utvikling av metoder for kjemisk karakterisering og for behandling av aminavfall. Det har vært et kontinuerlig ønske fra prosjektets side å få tilgang til tilsvarende avfall fra andre anlegg, noe som har vist seg svært vanskelig. Vi har derfor ikke kunnet gjøre sammenlignende analyser/eksperimenter med virkelig ARW. Vi mener allikevel at de metoder som er utviklet både for analyse og for biologisk behandling av ARW, er representative og anvendbare uavhengig av opphav til avfallet. Det er likevel ikke til å legge skjul på at dersom muligheten til å teste ARW fra andre CO₂-fangstanlegg enn det til SVM, så vil vi gjerne forsøke å få det til. På samme vis har det vist seg vanskelig å få tak i ARW i tilstrekkelig store mengder (4-5 m3) til å kjøre kontrollerte fabrikkforsøk for å etterprøve oppnådde laboratorieresultater for NOx-reduksjon.


Results to date:
I Norge satses det på teknologiutvikling for CO₂-fjerning basert på absorpsjon av CO₂ i aminløsninger men også fangstprosessen chilled ammonia som utnytter ammoniakk. For aluminiumproduksjon er det gjennomført simuleringer av CO₂-fangst anlegg med de to nevnte teknologiene. Fangstanlegget er tenkt koblet mot en hall med elektrolyseceller. Ut fra en slik celle er det i dag lave volumfraksjoner av CO₂, typisk rundt 1 vol % av avgassen. Hvis cellene blir bygd om, vil konsentrasjonen av CO₂ og temperaturen i avgassen ut av cellene kunne øke. I dette prosjektet det er det gjort analyser av fangstgrad og energiforbruk for å finne optimal CO₂ konsentrasjon ved en slik ombygging.
Gjennom kostnadsestimeringer og videre prosess-simuleringer forbedres nå grunnlaget for å definere en optimal konsentrasjon av CO₂.

En betydelig driftskostnad knyttet til Post combustion CO₂ fangst med aminer, er degradering
av aminet. Aminet vil over tid bli degradert på grunn av reaksjoner med urenheter som NOx og SOx i fangst anlegget. Sammensetningen av en degradert prøve vil variere avhengig av type produksjonsprosess. I dette prosjektet er det utført kromatografiske analyser av MEA avfall fra en fullskala CO₂ fangst prosess og av en kunstig fremstilt aminavfallsprøve ved bruk av HPLC (high performance liquid chromatography) og IC (ion exchange chromatography). Det fokuseres på utvikling og optimalisering av kromatografiske analysemetoder som kan separere komponenter i en degradert prøve. Det fokuseres også på identifikasjon av degraderte komponenter. I sluttfasen av prosjektet vil HPLC metoden forbedres ytterligere.

Avfall fra aminbasert CO₂-fangst blir betraktet som skadelig avfall i henhold til norske og
europeiske reguleringer, og må derfor behandles på en forsvarlig måte. I dette prosjektet ser vi
både på biologisk behandling (degradering) av aminavfall, og på effekt av aminkomponenter
i forbindelse med forbrenning av slikt avfall i sementovn - en teknologi som allerede er vist at fungerer. Flere bioreaktorer for anaerob (uten luft) nedbrytning av amin-avfall har vært i drift over lang tid med analyser av nedbrytningsgrad og hastighet under ulike betingelser. Prosessene utvikler biogass med opp til 80 % metaninnhold. Stabil drift og over 80 % nedbrytning er dokumentert gjennom pågående doktorgradsarbeid, som nå er under avslutning.

Når det gjelder forbrenning av aminavfall i sementovn, har vi i dette prosjektet undersøkt hvorvidt aminavfall har en NOx-reduserende effekt og i hvilken grad slikt avfall eventuelt kan erstatte ammoniakk som reduksjonsmiddel i en selektiv ikke-katalytisk NOx-reduksjonsprosess (SNCR). Den NOx-reduserende effekten av aminavfall (amine reclaimer waste = AWR) har blitt undersøkt i laboratoriet, i et samarbeid mellom Tel-Tek, Høyskolen i Telemark og Danmarks Tekniske Universitet. Effekt av temperatur, forholdet mellom totalt nitrogen og nitrogenoksid (NO) og andre parametre har blitt gjenstand for utstrakt testing. Våre resultater viser at AWR har et betydelig NOx-reduserende potensial. Gjennom å sammenholde med tidligere tester av forbrenning av aminholdig avfall i fabrikkforsøk ved Norcems fabrikk i Brevik, har vi dokumentert at effekten av å forbrenne AWR har en NOx-reduserende effekt som er sammenlignbar med effekten av MEA, men mindre enn ved tilsetting av NH3 som i en SNCR prosess. (SNCR: Selective Non-Catalytic Reduction)