Production of 2nd generation dolomite-based solid sorbents for high-temperature CO2 capture
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3026844Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Verden står overfor en stadig økende miljøtrussel forårsaket av økende utslipp av menneskeskapt karbondioksid, det er derfor avgjørende å finne strategier for å redusere disse utslippene. Calcium-looping (Ca-L) har dukket opp som en energi- og kostnadseffektiv karbonfangstteknologi, hvor høytemperatur faste CaO-baserte sorbenter brukes. Denne teknologien er basert på den reversible reaksjonen mellom CaO og CO2, hvor de CaO-baserte sorbentene fanger opp og frigjør CO2 ved høye temperaturer gjennom karbonering og kalsinering. Dette prosjektet er en del av Moving Bed Carbonate Looping (MBCL)-prosjektet, som har som mål å redusere CO2-utslipp og bidra til å minimere global oppvarming. I denne teknologien sirkulerer CaO-baserte sorbenter mellom to reaktorer og utsettes for flere sykluser med karbonering og kalsinering, noe som resulterer i en rask nedgang i aktivitet forårsaket av sintring og slitasje. Målet med dette arbeidet var å syntetisere dolomittbaserte CaO-pellets med forbedret mekanisk styrke og kjemisk stabilitet for bruk i MBCL-teknologien.
I dette prosjektet ble dolomitt brukt som råstoff, da det har vist seg å ha god motstand mot sintering. Dolomittbaserte pellets ble produsert via "incipient wetness" impregnering og ekstrudering-pelletisering, hvor ZrO2 ble tilsatt som stabilisator og boehmite (AlO(OH)) ble brukt som bindemiddel. Videre ble ytelsen til de produserte sorbentene evaluert gjennom termogravimetrisk analyse under milde og realistiske forhold, og den mekaniske styrken ble undersøkt i form av trykkfasthet. I tillegg ble det utført karakterisering for å få ytterligere kunnskap om sorbentene og hvordan tilsetningsstoffene påvirket deres ytelse.
Pellets produsert med denne syntesemetoden og tilsetningsstoffene viste lovende ytelse når det gjelder CO2-kapasitet og stabilitet under flere sykluser med karbonering-kalsinering. Den lovende ytelsen ble tilskrevet dannelsen av CaZrO3, Ca12Al14O33 og Ca3Al2O6, som effektivt forhindret sintring. Den beste sorbenten ble funnet å være A3(2.8Zr11.2Al) med en sammensetning på 2.8 vekt% zirkonium og 11.2 vekt% aluminium, som oppnådde et kapasitetstap på 27.7 % etter 60 sykluser under realistiske forhold. Til sammenligning oppnådde kalsinert dolomitt et kapasitetstap på 59.9 % etter bare 30 sykluser. I tillegg ble den mekaniske styrken betydelig forbedret, tilskrevet den kompakte strukturen dannet ved ekstrudering-pelletisering og dannelsen av kalsium-aluminater. The world is facing an ever-increasing environmental threat caused by increasing emissions of anthropogenic carbon dioxide, it is therefore crucial to find strategies to reduce these emissions. Calcium-looping (Ca-L) has emerged as an energy and cost effective post-combustion carbon capture technology, where high-temperature solid CaO-based sorbents are used. This technology is based on the reversible reaction between CaO and CO2, where the CaO-based sorbents capture and release CO2 at high temperatures through carbonation and calcination. This project is part of the Moving Bed Carbonate Looping (MBCL) project, which aims to reduce CO2 emissions and contribute to minimize global warming. In this technology, CaO-based sorbents circulate between two reactors and are exposed to several cycles of carbonation and calcination, which results in a rapid decline in activity caused by sintering and attrition. The goal of this work was to synthesize dolomite-based CaO-pellets with enhanced mechanical strength and chemical stability for use in the MBCL-technology.
In this project dolomite was used as the raw material, as it has shown to have good resistance towards sintering. Dolomite-based pellets were produced via incipient wetness impregnation and extrusion-pelletization, where ZrO2 was added as a stabilizer and boehmite (AlO(OH)) was used as the binder. Furthermore, the performance of the produced sorbents were evaluated through thermogravimetric analysis in mild and realistic conditions, and the mechanical strength was investigated in terms of compressive strength. In addition, in-depth characterization was performed to gain further knowledge of the sorbents and how the additives affected their performance.
The pellets produced with this synthesis method and additives demonstrated promising performance in terms of CO2 capturing capacity and stability during multiple cycles of carbonation-calcination. The promising performance was attributed to the formation of CaZrO3, Ca12Al14O33 and Ca3Al2O6, which effectively prevented sintering. The best performing sorbent was found to be A3(2.8Zr11.2Al) with a composition of 2.8 wt% Zirconium and 11.2 wt% Aluminium, which achieved a capacity loss of only 27.7 % after 60 cycles in realistic conditions. In comparison, calcined dolomite achieved a capacity loss of 59.9 % after only 30 cycles. Additionally, the mechanical strength was significantly improved, ascribed to the compact structure formed by extrusion-pelletization and the formation of calcium-aluminates.