Innovative Precipitating Solvent Process for Carbon dioxide removal from various Gas Sources (INSPIRE)

Bakgrunn og hensikt med prosjektet:
CO₂-fangst med faseskiftende absorbenter er et relativt nytt konsept med et energibesparende potensiale og dermed reduserte kostnader for CSS. En utfordring med denne kategorien absorbenter er at utfelling av faststoff kan føre til driftsproblemer fordi deler av anlegget må kunne håndtere væske med signifikante mengder faststoff.

Flere studier foreslår å bruke en designert krystalliseringsenhet som samler opp faststoff slik at solvent ladet med CO₂ («rik» solvent) kan sendes til regenerering ved høyere CO₂-konsentrasjon slik at den termiske energibruken kan bli redusert. På den andre siden er krystallisering i absorberen nødvending i dette konseptet for å få ut dette energetiske potensialet ved utfelling, fordi utfelling må skje under selve absorpsjonen ved kontakt med CO₂ fra eksosgassen. INPSIRE er derfor en prosess som tillater utfelling under absorpsjonsprosessen slik at høyere syklisk kapasitet er potensielt mulig samtidig som man kan eliminere behovet for en separat krystalliseringsenhet, som øker prosesskompleksiteten. Konseptet muliggjør også bruk av restvarme fra industrielle kilder til direkte bruk til CO₂-fangst.

Formålet med INSPIRE-prosjektet har vært å demonstrere en prosess som tillater faststoffutfelling i absorpsjonsprosessen ved å bruke en patentert absorbent fra SINTEF, samtidig som en designert utfellingsreaktor fra Westech Inc. (WES, USA) blir brukt, med formål å måle og demonstrere energibesparelser ved CO₂-fangsten.

INSPIRE har etablert et godt internasjonalt samarbeid mellom SINTEF, forskningsorganisasjonen CMC Research Institute i Canada, og teknologileverandøren WES i USA. Prosjektet har vært utformet med fokus på kompetanseutvikling og kommersialisering av teknologi.

Hva var målet til prosjektet:
1. Å utvikle en CO₂-fangstprosess med bruk av et nytt utfellende solventsystem som utnytter potensialet for høyere effektivitet samtidig som dette solventsystemet har minimal innvirkning på miljøet. Dette skal vises gjennom omfattende pilotdemonstrasjoner.
2. Tilegne nødvendig operasjonell og teknisk kompetanse slik at det kan videreføres til større testanlegg for framtidig kommersialisering.
3. Pilotdemonstrasjon i en spesialdesignet absorber som håndterer faststoffutfelling.

Hva er gjort i forhold til aktiviteter:
1. Optimalisering av absorpsjonssolvent: Hovedfokuset for arbeidet var optimalisering av fellingsabsorbenten med hensyn til absorpsjonshastighet og kapasitet. Nødvendige data for det optimaliserte systemet ble målt og deretter brukt som basis til prosessmodellering og oppskalering. Dette inkluderer termofysiske egenskaper (tetthet, viskositet, overflatespenning, varmekapasitet), flyktighet likevektsmålinger av CO₂ i et trefasesystem og CO₂ -reaksjonsvarme. Ytterligere pilottesting ble utført i SDR-riggen (Solvent degradation rig) for å undersøke termisk degradering av løsningen. Et nytt og forbedret absorbentsystem (PAS) ble formulert.

2. Prosessmodellering og simulering: En modell for trefasesystemet (damp-væske-faststoff-likevekt, VLSE) ble tilpasset fra målinger. Fysikalske og termodynamiske modeller ble implementert i simulatoren CO₂SIM, med formål å validere fra pilotdataene. Prosess-simulatoren kan deretter bli brukt til modellering av et tenkt fullskalaanlegg.

3. Pilotdemonstrasjon: To pilotkampanjer ble gjennomført på SINTEF/NTNU Gløshaugen, Trondheim.

• Apparatur for håndtering av tofase-suspensjon ble designet, produsert og installert ved pilotanlegget på SINTEF/NTNU, Gløshaugen. Denne apparaturen ble koplet til «slurry-absorberen» designet av WES.
• En demonstrasjon av fellingssystemet ble gjennomført med SINTEF’s PAS6-system, i en pakket kolonne sammen med en egendesignet platekolonne, i serie.
• En sekundær demonstrasjon ble gjort med PAS6-systemet der platekolonnen ble byttet ut til fordel for WES’s utfellingsreaktor.
• Det ble i disse pilot-demonstrasjonene påvist CO₂ absorpsjon med signifikant «intra-utfelling» i absorpsjonskolonnene, samtidig som stasjonærtilstand ble oppnådd. Det ble høstet signifikant driftserfaring og læring, spesielt med hensyn til prosessutforming og drift av dette nye systemet.

4. Optimalisering: To WES-suspensjonsreaktorer ble designet og fabrikkert på WES-anlegget på Hawaii der den ene ble sendt til Trondheim og installert til pilotanlegget. Den andre ble brukt i WES-laboratoriet på Hawaii. Disse suspensjonsreaktorene er designet på en måte som muliggjør utfelling av faststoff uten at kolonnen tetter seg.

5. Integrasjon og oppskalert design: Planlegging og design av prosessen for pilotanlegget på Tiller ble igangsatt. Dette innebar design av «slurry-absorber», Wes-absorber og spesifikk dimensjonering av kryssvarmeveksler.

6. Måloppnåelser:
• i leveranser
• Fir publikasjoner
• Beslutningskriterier for fase 2 ble oppfylt.

Fremtidsplaner:
INSPIRE-prosjektet er av interesse på grunn av potensielle energieffektive løsninger for CCS, og fordi denne teknologien potensielt muliggjør bruk av lavkvalitets fjernvarme fra prosessindustrien. SINTEF vil fortsette å se etter muligheter for videreutvikling av denne patenterte teknologien.