Solvents for the next generation of post combustion CO₂ capture systems (SOLVit – Phase 3)

Prosjektet har hovedfokus på utvikling av energieffektive og miljøvennlige absorpsjonsprosesser for CO₂-fangstanlegg (post combustion capture). I prosjektet jobbes det med områder som utvikling av forbedrede solventer, prosessoptimalisering, teknologiutvikling og validering. Målet er å redusere miljøpåvirkning og kostnader for implementering av CO₂-fangst gjennom teknologiforbedringer.

Fase 3 av SOLVit prosjektet bygger på de erfaringer og resultater som er oppnådd i fase 1 og 2. For å nå prosjektets overordnede mål er det i fase 3 av SOLVit jobbet videre med to ulike spor:

1. Optimalisering og validering av de mest lovende 1. generasjons solventer og prosesser fra fase 1 og 2 gjennom laboratorie- og pilot forsøk
2. Identifisering og utvikling av nye lovende 3. generasjons prosesser som kan gi betydelig reduksjon i energiforbruk. Formålet har vært å oppnå «proof of principle» for 3. generasjons prosesser ved demonstrasjon på Tiller pilotanlegget

SOLVit 3 ble igangsatt i juli 2013 og avsluttet i desember 2015. Fase 3 av prosjektet har vært strukturert på samme måte som fase 1 og 2 og består av fire arbeidspakker:

WP1: Utvikling av kjemikalier herunder tredjegenerasjons prosesser
WP2: Modellering av solventsystemer og fangstanlegg
WP3: Pilot og demo tester
WP4: Utvikling av ny teknologi

I tillegg er det hos NTNU gjennomført en kompetanseoppbygnings program (finansiert separat av Norges Forskningsråd og Aker Solutions) som har bistått SOLVit med mere grunnleggende forskning i absorpsjonsprosesser.

I WP1 er det blitt jobbet videre med karakterisering og forbedring av de mest lovende aminblandinger (1. gen. solventer) identifisert i fase 1 og 2. I tillegg har det vært et stort fokus på utvikling av kjemikalier til tredjegenerasjons prosesser som forventes å gi størst reduksjon i energiforbruk. Bl.a. er det jobbet med konsepter med to væskefaser. De mest lovende 3. gen. solventer er ytterligere karakterisert for nøkkelegenskaper som VLE, korrosivitet mot stål, oksidativ og termisk degradering. Arbeidet med utvikling av avansert analysemetodikk for økt forståelse av degraderingsmekanismer har fortsatt også i fase 3 hvor SINTEF har utviklet svært sensitive analysemetoder for aminer og degraderingsprodukter. Oppbygningen av denne ekspertise har gjort det mulig å analysere tusenvis av solventprøver fra de mange testkampanjer på ulike pilotanlegg.

I WP 2 har SINTEF fortsatt utviklingen av prosess simuleringsverktøyet CO₂SIM. I fase 3 er CO₂SIM blitt oppgradert med mere sofistikerte termodynamiske modeller for de beste 1. gen. solventer slik at CO₂SIM kan håndtere multikomponent kjemikalieblandinger og dermed forbedre nøyaktigheten. CO₂SIM har i vid utstrekning blitt brukt til å validere resultater fra testkampanjer fra pilotanlegg og til å evaluere potensialet av ulike prosessforbedringer.

Som en del av teknologiutviklingen i WP4 har teknologien for termisk opprensning av aminer (reclaiming) blitt videreutviklet og optimalisert for 1. gen. solventer. Dette har resultert i en reclaimer design og prosedyrer for reclaiming med minimum av amintap og produksjon av avfall. Ved å anvende de avanserte analysemetoder fra WP1 på prøver fra reclaiming forsøk har det vært mulig å dokumentere skjebnen til de enkelte degraderings produkter under reclaiming. I WP4 har det også vært jobbet med uttesting av diverse lavkost byggematerialer for aminanlegg, heriblant polymermaterialer, ulike stålkvaliteter og betong. Dette har resultert i kvalifisering av tre nye PP materialer for bekledning av betong absorbere med mere enn 40 års forventet levetid. For de beste 1. gen solventer har det også blitt demonstrert at karbonstål kan anvendes i direkte kontakt med amin i mange deler av anlegget med helt ubetydelige korrosjonsrater. Dessuten er det blitt vist at vanlige rustfrie ståltyper (304 og 316) kan anvendes i hele anlegget uten signifikant korrosjon.

En viktig del av SOLVit fase 3 er arbeidet med demonstrasjon og validering av eksisterende og nye kjemikalieblandinger i pilotanlegg (WP3). Mer enn halvparten av budsjettet i fase 3 er brukt på å bygge, modifisere og drifte pilotanlegg. I alt fire forskjellige pilotanlegg har vært benyttet i fase 3: SINTEFs forskningspilot ved Tiller i Trondheim, Aker Solutions Mobile Test Unit (MTU), EnBWs pilotanlegg ved et kullkraftverk i Heilbronn, Tyskland og det store aminanlegget på TCM. I alt er der gjennomført 11 ulike test kampanjer med omkring 20.000 driftstimer i løpet av fase 3. Testkampanjene på MTU, Heilbronn og TCM har spilt en nøkkelrolle i uttestingen av førstegenerasjons solventer på reell eksosgass fra både gasskraftverk, kullkraftverk og sementanlegg. Det propanfyrte pilotanlegget på Tiller er primært benyttet til uttesting av tredjegenerasjons solventer i mere kontrollerte omgivelser.

Hovedresultatene i fase 3 som er oppnådd i forhold til prosjektets målsetning om reduksjon av energiforbruk er oppsummert under:

– Der er utviklet 1. gen. solventer med signifikant forbedret energiforbruk. Sammenlignet med prosjektets referanser «Bellingham plant» (gasskraft) og Esbjerg pilot anlegg (kullkraft), er det i pilotanleggene demonstrert en energibesparelse på 10-25% med førstegenerasjons solventer
– I kombinasjon med prosessforbedringer som f.eks. Energy Saver eller varmeintegrert stripper, er det vist med CO₂SIM at forbedring på opptil 35 % er mulig med førstegenerasjons solventer sammenlignet med referanseverdien
– Test med 3. gen. solventer på Tiller pilotanlegget indikerte nesten 30% reduksjon av energiforbruk ved bruk av «standard» prosess med mulighet for ytterlig reduksjon ved prosessforbedringer

I tillegg til forbedringer i energiforbruk har jobben med utviklingen og valideringen i SOLVit budt på en lang rekke av andre forbedringer av solvent basert CO₂ fangst teknologi blant annet:

– Mere miljøvennlige aminer med forbedret driftsmessige egenskaper (lav degraderings- og korrosjonsrate) har blitt utviklet
– Svært lave utslipp til luft av aminer og degraderingsprodukter er demonstrert
– Utvikling av svært sensitive analysemetoder og identifisering av alle vesentlige degraderingsprodukter har redusert usikkerheten knyttet til miljøpåvirkning av aminprosesser
– Demonstrasjon av solventer og fangst teknologi i langt større skala enn hittil (TCM omkring 2-10% av fullskala)
– Utstyr og konstruksjonsmaterialer er funksjonstestet
– Miljø- og helsemessige aspekter er grundig undersøkt

Alt dette har ført til at Aker Solutions nå står svært godt rustet til valg av solventer og oppskalering og design av fullskalaanlegg for CO₂ fangst.

Publikasjoner:

Publikasjoner (SOLVit fase 3):
A. Grimstvedt, E. F. da Silva and K. A. Hoff, Thermal degradation of MEA, effect of temperature and CO₂ loading, Trondheim Conference on CO₂ Capture, Transport and Storage , TCCS-7 Trondheim (2013)

G. Fytianos, S. Ucar, A. Grimstvedt, H. F. Svendsen, H. Knuutila, Corrosion evaluation of MEA solutions by SEM-EDS, ICP-MS and XRD, The 8th Trondheim Conference on Capture, Transport and Storage (2015) (also submitted to Energy Procedia 2015)

J. N. Knudsen, O. M. Bade, M. Anheden, R. Bjorklund, O. Gorset, S. Woodhouse, Novel Concept for Emission Control in Post Combustion Capture, Energy Procedia, 2013, 37, 1804-1813
M. Gupta, S. J. Vevelstad and H. F. Svendsen, Energy Procedia 2014, 63, 1115-1121.

O. Gorset, J. N. Knudsen, O. M. Bade, I. Askestad, Results from testing of Aker Solutions advanced amine solvents at CO₂ Technology Centre Mongstad, Energy Procedia 2014, 63, 6267-6280

O. M. Bade, J. N. Knudsen, O. Gorset, I. Askestad, Results from testing of Aker Solutions advanced amine solvents at CO₂ Technology Centre Mongstad, Energy Procedia 2014, 63, 884-892

S. J. Vevelstad, A. Grimstvedt, H. Knuutila and H. F. Svendsen, Energy Procedia 2013, 37, 2109-2117

S. J. Vevelstad, A. Grimstvedt, J. Elnan, E. F. da Silva and H. F. Svendsen, International Journal of Greenhouse Gas Control 2013, 18, 88-100

S. J. Vevelstad, A. Grimstvedt, A. Einbu, H. Knuutila, E. F. da Silva and H. F. Svendsen, International Journal of Greenhouse Gas Control 2013, 18, 1-14

S. J. Vevelstad, A. Grimstvedt, H. Knuutila, E. F. da Silva and H. F. Svendsen, International Journal of Greenhouse Gas Control 2014, 28, 156-167

S. J. Vevelstad and H. F. Svendsen, Energy Procedia 2016, 86, 181-196

Poster TCCS-8 (2015): S.J. Vevelstad & H. F. Svendsen, Challenges related to analysis of anions in degraded samples from pilot and lab experiments

Publikasjoner (SOLVit fase 1 og 2):
1. Mejdell, T., Vassbotn, T., Juliussen, O., Tobiesen, A., Einbu, A., Knuutila, H., Hoff, K.A., Andersson, V., Svendsen, H.F., ”Novel full height pilot plant for solvent development and modell validation”, GHGT-10, Energy Procedia, 4:1753-1760, (2011).
2. Lepaumier, H., da Silva, E.F., Einbu, A., Grimstvedt, A., Knudsen, J. N., Zahlsen, K., Svendsen, H.F., ”Comparison of MEA degradation in pilot-scale with lab-scale experiments”, GHGT-10, Energy Procedia, 4:1652-1659, (2011).
3. Vevelstad, S.J., Eide-Haugmo, I., da Silva, E.F., Svendsen, H.F., ”Degradation of MEA; a theoretical study”, GHGT-10, Energy Procedia, 4:1608-1615, (2011).
4. Tobiesen, A., Schumann-Olsen, H., “Obtaining optimum operation of CO₂ absorption plants”, GHGT-10, Energy Procedia 4:1745-1752, (2011).
5. Gupta M., da Silva E.F., Svendsen H.F., “Temperature Sensitivity of Piperazine and its Derivatives using Polarizable Continuum Solvation Model” published in the proceedings of the ICBEE 2010 by IEEE.
6. Owrang F., Svendsen H.F., “Estimating the Heat Losses from a Laboratory Pilot Plant For CO₂ Absorption”, ICBEE, Egypt, November 2-4, 2010.
7. Gupta M., “Temperature sensitivity of Piperazine and its derivatives using Polarizable Continuum Solvation Model”, 2nd International Conference on Chemical, Biological and Environmental Engineering (ICBEE 2010), Cairo, Egypt.
8. Vevelstad S.J., Grimstvedt A., Lepaumier H., Zahlsen K., Kjos M. and Svendsen H.F., “Identification and quantification of amine degradation products by Ion Chromatography”, The PACIFICHEM 2010, Honolulu, Hawaii, USA, 15-20 December 2010.8. Owrang F., Svendsen H.F., Knuutila H., Juliussen O., “Detailed Estimation of Heat Losses from a Laboratory Pilot Plant for CO₂ Absorption”, submitted to 1st Post Combustion Capture Conference 17th -19th Abu Dhabi, May 2011.
9. Trollebø A.A., Svendsen H.F. (2010), Third generation solvents for post-combustion CO₂ capture, Pacifichem conference, 15-20 December 2010, Honolulu, HI, USA (OP).