Researching the behaviour of aerosol emissions in an amine scrubbing system

Abstract

Denne mastergradsavhandlingen undersøker oppførselen til aerosol amin utslipp fra karbonfangstanlegg som anvender kjemisk absorbsjon med aminløsemiddel for å fange CO2. Aerosol utslipp har i de siste årene fått økt oppmerksomhet ettersom utslippene kan være svært høye. Utslippene fører til økte kostnader forbundet med operasjon av systemet og har en uønsket påvirkning på miljøet. Målet med denne forskningen er å bidra til økt forståelse av aerosolfasen i karbonfangstsystem for å få avgjørende kunnskap om hvordan et slikt system kan utformes med reduserte utslipp. Dette ble gjennomført ved å gjennomføre flere studier som undersøkte effekten av systemvariabler og ulike modifikasjoner på systemet. Studiene ble utført ved å sette opp en base simulering som ble sammenlignet med simuleringer hvor forandringer av systemet var implementert. Base simuleringen bestod av en absorber og to vannvask seksjoner, og simuleringene ble gjennomført i simuleringsprogrammet CO2SIM. En ekstern aerosol modell av Majeed m.fl (2017) ble brukt til å prediktere aerosolfasen. For å sikre pålitelige resultater ble likevektsmodellen i simuleringsprogrammet validert mot eksperimentelle data. Base simuleringen ble også validert mot eksperimentelle data. Systemvariablene som ble undersøkt var høyden til vannvask seksjonen, og CO2 innhold i røykgassen som ble behandlet. Effekten av å ikke kjøle ned røykgassen med lavt CO2 innhold ble også undersøkt. Videre ble modifikasjonen intern nedkjøling, med og uten redusert absorber høyde undersøkt. Den siste modifikasjonen som ble undersøkt var effekten av å operere absorberen isotermt. Denne avhandlingen har bidratt til bedre forståelse av aerosol utslippene til karbonfangstanlegg ved kjemisk absorpsjon i aminbaserte løsemidler. Oppgaven identifiserer temperaturprofilen i absorber kolonnen som en viktig parameter i forhold til aerosol utslipp, og oppdaget at modifikasjoner og systemvariabler som reduserte temperaturtoppen også reduserte utslippene ved å redusere mengden MEA som ble overført til aerosol fasen. Redusert temperaturtopp førte også til redusert vekst av aerosolpartiklene i absorberen og i vannvask seksjonen. Økt vekst av aerosolpartiklene i vannvaskseksjonen kan derimot oppnås ved å øke høyden på vannvask kolonnene.

In the work of this thesis, the behaviour of aerosol phase amine emissions from an amine scrubbing system is investigated. Aerosol emissions has in the last few years been reported as significant and causes increased operating costs to the system as well has having an undesirable effect on the environment. The aim of this thesis is to contribute to the research on the behaviour of aerosol based amine emissions to gain necessary insight on how to design an amine scrubbing system with reduced emissions. This is done by performing several case studies where the effect of operating variables and modifications to amine scrubbing is investigated in regards to aerosol amine emissions. The case studies are performed using the simulation tool CO2SIM. To ensure reliable results, the equilibrium model used is validated for ranges where the amine concentration is low. A Base Case with an absorber and two water washes was set up and validated against experimental data. The Base Case is used to compare the effect of the different variables and modifications. The effect of water wash height, the effect of the intercooling modification with and without a height reduction in the absorber, the effect of operating the absorber isothermally and the effect of CO2 content in the flue gas as well as the effect of not cooling the gas before entering the absorber was investigated in the case studies. The aerosol phase is predicted using a separate model by Majeed et. Al (2017). The research in this thesis contributes to gaining better knowledge of the behaviour of aerosol emissions and identifies the temperature profile in the absorber column as an important parameter in regards to aerosol emissions. The results from the case studies shows that the variables and modifications that has the effect of reducing the magnitude of the bulge temperature in the absorber column also had the effect of reducing the aerosol emissions by reducing the transfer of MEA into the aerosol phase. A reduced temperature bulge also reduces the growth of the droplets both in the absorber and in the wash sections. It was also found that increasing the height of the water wash contributed to an increased residence time in the wash sections, which reduced the overall emissions.