Operating procedures and evaluation of a carbon capture pilot plant

Abstract

The rise in global emissions of carbon dioxide and the need for new technologies to combat climate change has prompted extensive research into carbon capture methods. This master thesis focuses on a novel carbon capture absorption technology, developed at Lund University, that utilizes the amine 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) in the organic solvent dimethyl sulfoxide (DMSO) to capture CO2. A characteristic of this system is that when AMP in the AMP/DMSO system reacts with CO2, a carbamate that precipitates is produced, and a two-phase system is formed. Previous research has shown that during the regeneration of the absorbent the carbamate is dissolved, CO2 is separated and the regenerated AMP/DMSO solution is precipitate-free. Encouraged by promising results, a pilot plant to assess this technology on a larger scale has been built.

The primary objectives of this master thesis were to try and achieve operational functionality of the pilot plant, develop sampling methods to measure emissions of AMP, DMSO and the nitrosamine N-dimethylnitrosamine (NDMA) and to investigate the regeneration conditions (e.g., temperature, time) for the AMP/DMSO system.

During the course of this work, continuous operation of the pilot plant could not be achieved due to low temperatures that caused the AMP/DMSO system to freeze and due to issues with regeneration that left precipitate in the solution, which resulted in clogging. Despite difficulties caused by persistent clogging, noteworthy findings were obtained. Contrary to previous research, it was discovered that precipitate remained present in the AMP/DMSO solution even after undergoing regeneration. Additionally, the results in this master thesis showed that the structure of the precipitate might be influenced by the presence of water in the solution. Regeneration experiments conducted at the regeneration conditions employed at the pilot plant, 80°C and – 10 mbarg, indicated that the conditions should be sufficient for regenerating the AMP/DMSO system to the equilibrium curve of the solubility of CO2 in AMP/DMSO.

Emissions of AMP, DMSO and NDMA demonstrated lower levels than the initial estimation based on the temperature and vapor pressure of the pure components. However, these results are not representative for continuous operation of the pilot plant since only intermittent operation could be achieved due to the clogging issues.

Regarding the future for the pilot plant project, the persistence of precipitate in the solution after the regeneration step and the potential impact of water on the precipitates structure are subjects of interest for further research. Additionally, addressing the clogging challenges at the pilot plant remain crucial for future research.

Popular Abstract (Swedish)

I takt med att vi blir fler människor på jorden så förbrukar och förbränner vi också mer fossila bränslen, vilket har lett till en drastisk ökning av koldioxid (CO_2) i vår atmosfär. En ökning som leder till att jordens medeltemperatur ökar vilket kan komma att ha ödesdigra konsekvenser för klimatet, jordens ekosystem och i slutändan människors liv. Ny teknik behövs för att kunna bekämpa och motverka klimatförändringarna och den globalt växande uppmärksamheten för klimatkrisens har föranlett omfattande forskning om metoder och tekniker för att minska våra utsläpp.

Detta examensarbete fokuserar på en ny teknik som har potentialen att kunna fånga in och separera koldioxid som släpps ut av energisektorn. För att fånga in koldioxiden så utnyttjas ett fenomen som kallas absorption, vilket är egenskapen hos ett ämne att ta upp andra ämnen, och att vissa aminer har förmågan att reagera med koldioxid. Detta öppnar upp möjligheten till att kunna fånga in, separera och sedermera avskilja CO_2 från industrins rökgaser (avgaser) för att sedan lagra den i en permanent förvaring.

Tekniken är utvecklad av forskare vid Lunds universitet och består av en absorbent i form av aminen 2-amino-2-metyl-1-propanol (AMP), löst i det organiska lösningsmedlet dimetylsulfoxid (DMSO). En egenskap hos detta system är att när AMP i AMP/DMSO-systemet reagerar med CO_2 bildas det ett fast ämne, en karbamat, som fäller ut och kristalliserar i lösningen och bildar ett tvåfassystem, bestående av en fast fas, karbamaten, och en vätskefas (lösningen). Lovande resultat i labbskala har lett till att en pilotanläggning byggts för att utvärdera denna teknik i större skala.

De primära målen för detta examensarbete har varit att få pilotanläggningen i drift, utveckla provtagningsmetoder för att mäta utsläpp av AMP, DMSO och nitrosaminenen N-dimethylnitrosamine (NDMA) samt att undersöka olika driftförhållanden (t.ex. temperatur, uppehållstid) för AMP /DMSO-systemet.

Arbetet med att få pilotanläggningen i drift har präglats av problem med igensättning av utrustning och orsaken har varit tvåfaldiga. Dels har låga temperaturer bidragit till att lösningen stelnat och rören och utrustningen har satts igen, dels har den fasta fasen i AMP/DMSO-lösningen, fällningen, fastnat och orsakat igensättningar. Men även om det inte har varit möjligt att hålla pilotanläggningen i kontinuerlig drift, har arbetet ändå resulterat i värdefulla resultat.

I motsats till tidigare forskning upptäcktes det att fällningen som bildas när AMP reagerar med CO_2 inte försvinner efter att AMP/DMSO lösningen har regenererats. Dessutom visade detta arbete att fällningens struktur påverkas och förändras i närvaro av vatten. Resultat från regenereringsexperiment i labbskala indikerade att de förhållanden som används vid pilotanläggningen, 80°C och -10 mbarg, borde vara tillräckliga för att regenerera AMP/DMSO lösningen till jämviktspunkten.

Halterna av AMP, DMSO och NDMA visade sig vara lägre än de nivåer som ursprungligen förväntades enligt förstudien av pilotanläggningen innan den byggdes. Dessa resultat är dock inte representativa, eftersom kontinuerlig drift av pilotanläggningen inte kunde uppnås.

Med avseende för framtida forskning så är det av intresse att undersöka varför fällningen finns kvar i lösningen efter regenereringssteget samt undersöka vattens potentiella påverkan på fällningsstrukturen. Dessutom är det av största intresse att ta itu med igensättningsutmaningarna vid pilotanläggningen så att vidare forskning kan fortskrida.

• author: Logeke, Isac
• supervisor: Helena Svensson; Hanna Karlsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Carbon Capture and Storage, CCS, AMP/DMSO, amine absorption, pilot plant, operating procedures, chemical engineering
• language: English
• id: 9140148
• date added to LUP: 2023-10-19 10:32:20
• date last changed: 2023-10-19 10:32:20