The Effect of the Absorber Design and Operating Conditions on the MEA Emissions and Energy Consumption in an Absorption-Based Carbon Capture Plant

Abstract

Industri er en av de største kildene til menneskeskapte utslipp av klimagasser. Absorpsjons- basert CO2-fangst er et viktig skadebegrensningstiltak for å redusere CO2 utslippene og sikre en bærekraftig fremtid. En av hovedutfordringene med karbonfangst er det høye energiforbruket i prosessen. Energi er nødvendig for å regenerere absorbenten. Dette vil resultere i høye driftsutgifter. En annen utfordring er utslipp av absorbenten, som vil ha en negativ effekt på miljøet og menneskers helse.

Hovedmålet med denne avhandlingen var å undersøke hvordan designet og driftsforholdene av absorberen påvirker MEA utslippet og energiforbruket i et absorpsjons-basert karbon- fangstanlegg. Prosessen ble simulert i CO2SIM hvor 30 vekt-% MEA-løsning ble brukt. Modellen ble validert med eksperimentell data. Modellen ga god prediksjon av den eksperi- mentelle dataen. Fem parameterstudier ble satt opp. Målet var å evaluere hvordan dimensjonene av absorber kolonnen, væskestrømmen, masseoverføringsarealet og det effektive masseoverføringsarealet påvirket trykkfallet i kolonnen, MEA utslippet, fangstraten, loading og energiforbruket i reboileren. En intern MATLAB modell, mist modellen, ble brukt for å undersøke aerosol dannelse og vekst i absorber kolonnen og vannvasken.

Det ble funnet at ved konstant gass- og væskestrøm vil en økning i absorber diameter resultere i en reduksjon i trykkfallet. Resultatene viste også at energiforbruket i reboileren kan reduseres ved å øke diameteren på absorberen på bekostning av en større væskestrøm. Det ble funnet et klart kompromiss mellom energiforbruk og utslipp. Gassfase utslipp kan reduseres ved å øke absorber diameteren, i gjengjeld vil dette resultere i et høyere energiforbruk. Det ble funnet at fangstraten kan justeres ved å endre absorber kolonne dimensjonene. Det kan fanges mer CO2 på bekostning av en større kolonne.

Konsentrasjonen av aerosol antallet hadde en stor innvirkning på resultatene. Høyere konsentrasjon ga størst utslipp. Aerosol utslippene kunne reduseres ved å øke høyden til absorberen eller ved å øke diameteren til vannvasken. Mindre væskestrøm resulterte i lavere aerosol utslipp. Det ble funnet at en isoterm absorpsjonskolonne vil gi lavere utslipp, og et lavere energiforbruk.

Industry is one of the largest anthropogenic sources for greenhouse gas emissions. Absorption- based CO2 capture is an important mitigation strategy to reduce the CO2 emissions and provide a sustainable future. One of the main challenges of carbon capture is the high energy requirement of the process. Energy is required to regenerate the solvent, which results in high operating costs. Another challenge is emissions of the solvent, as it have a negative impact on the environment and human health.

The main objective of this thesis was to investigate how the absorber design and operating conditions affected the MEA emissions and energy consumption of an absorption-based car- bon capture plant. The capture process was simulated in CO2SIM, where 30 wt% MEA was used as solvent. The model was validated with experimental data. The model gave a good prediction of the experimental data. Five parameter studies was set up. The aim was to evaluate how the dimensions of the absorber column, the liquid flow rate, mass-transfer and effective mass-transfer area impacted the pressure drop, gas-phase and aerosol MEA emis- sions, capture rate, loadings and the reboiler duty. An in-house MATLAB model, the mist model, was then used to investigate aerosol formation and growth in the absorber column and water wash.

It was found that at a constant gas and liquid flow rate, an increase in absorber column diameter resulted in a reduced pressure drop. The results also showed that the reboiler duty could be reduced by an increase in diameter at the expense of a larger liquid flow. A clear trade-off was found between the energy consumption and emissions. The gas-phase emissions can be decreased by increasing the absorber diameter. This will in return result in a larger reboiler duty due to lower lean and rich loading. It was found that the capture rate could be adjusted by changing the absorber column dimensions. More CO2 can be captured at the expense of a larger absorber column.

The aerosol number concentration had a large impact on the results. A high aerosol number concentration resulted in the highest emissions. The aerosol emissions could be reduced by increasing the height of the absorber column or by increasing the diameter of the water wash. A lower liquid flow also resulted in lower aerosol emissions. It was seen that an isotherm absorber column resulted in both lower emissions and a lower energy consumption.