Investigating the Influence of Water Wash Design and Operating Conditions on MEA Emissions in Amine Scrubbing

Abstract

Karbonfangst spiller en avgjørende rolle i bekjempelsen av den presserende utfordringen med klimaendringer. Ettersom utslippene av drivhusgasser fortsetter å øke, har behovet for effektive strategier for å redusere karbondioksid (CO2) nivåene i atmosfæren blitt helt avgjørende. Blant de ulike tilgjengelige teknologiene utmerker absorpsjonsbaserte CO2-fangstprosesser seg som en etablert løsning, og da spesielt aminrensing. En utfordring relatert til denne teknologien er utslipp av aminer, da det kan skade både miljøet og menneskers helse. Derfor er det viktig å undersøke teknologier som reduserer utslipp i aminrensing, som for eksempel vannvask, da denne forskningen bidrar til å minimere miljøpåvirkningene. Denne avhandlingen undersøker effekten av vannvasksdesign og driftsforhold på aminutslipp i en aminrensingsprosess med mål om å optimalisere vannvasken for å minimere utslipp. Gjennom casestudier og simuleringer ved bruk av CO2SIM verktøyet ble ulike parametere som vannvaskhøyde, vanntemperatur, regenerert amin-temperatur, strømningshastighet, aminkonsentrasjon og antall vannvaskseksjoner undersøkt. Målet var å holde de flyktige utslippene under 1 ppm, ettersom CO2SIM kun gir informasjon om utslipp i form av dampfase.

Det ble funnet at økning av vannvaskhøyde reduserte aminutslippene, men kostnadsaspekter må tas i betraktning ved valg av optimal høyde. Økt strømningshastighet bidro til reduserte utslipp, men på grunn av de økte kostnadene knyttet til høyere strømningshastighet, er det nødvendig å finne en balanse mellom høy og lav strømningshastighet for å oppnå optimal utslippsreduksjon. Regenerert amintemperatur og vanntemperatur ble identifisert som viktige faktorer som påvirket utslipp, der høyere temperaturer resulterte i økte utslipp. Imidlertid må praktiske begrensninger som klima og prosesseffektivitet vurderes ved valg av temperaturforhold. Lav vanntemperatur er gjennomførbart i kaldere land som Norge, men er mindre sannsynlig å fungere i land med varmere klima, som for eksempel i Sentral-Europa. Økning av aminkonsentrasjonen i vannet som kommer inn i det andre vannvasksstadiet førte til høyere utslipp. Selv om dette var forventet, var det interessant å få bekreftet at utslippene også er avhengig av konsentrasjonen og ikke bare av temperaturen. I den siste casestudien ble ett vannvaskssteg fjernet for å undersøke effekten av bruk av ett vannvaskssteg i forhold til to vannvaskssteg. Fjerning av ett vannvaskssteg resulterte i en betydelig økning i utslipp, noe som understreker effektiviteten av å bruke to vannvaskssteg.

I den siste studien, hvor all informasjon i denne avhandlingen ble samlet, ble det funnet at optimalisering av vannvaskhøyden hadde en større innvirkning på utslippsreduksjon sammenlignet med regenerert amintemperatur. I den siste studien ble det bestemt at kun to parametere skulle endres, mens resten av parametrene ble holdt konstante som i basecasen. Dette indikerer at basecasen viste gunstige utslippsnivåer og at den opprinnelige utformingen av vannvasksseksjonen og driftsforholdene allerede fungerte godt. Det er viktig å merke seg at justeringene som ble gjort i vannvasksseksjonen ikke hadde noen innvirkning på energiforbruket. Dette antyder at de foreslåtte optimaliseringene kan implementeres uten å gå på bekostning av energieffektiviteten, og dermed sikre bærekraftig og kostnadseffektiv drift.

Denne avhandlingen hadde som mål å gi verdifulle innsikter i optimaliseringen av vannvasksseksjonen i aminrensingsprosessen for å minimere aminutslipp. Funnene understreker betydningen av å kontrollere parametrene og gir praktisk veiledning for å oppnå effektiv reduksjon av utslipp i aminrensingssystemer. Disse innsiktene bidrar til utviklingen av aminrensingsprosesser og gir et grunnlag for videre forskning på dette området.

Carbon capture plays a crucial role in addressing the urgent challenge of climate change. As greenhouse gas emissions continue to rise, the need for effective strategies to reduce carbon dioxide (CO2) levels in the atmosphere has become paramount. Among the various technologies available, absorption-based CO2 capture processes such as amine scrubbing, stands out as a mature solution. However, a challenge related to this technology is the emissions of the solvent which can harm both the environment and human health. Therefore, it is essential to investigate technologies that reduce emissions in an amine scrubbing process, such as the water wash section, to minimize environmental impact. This thesis investigates the impact of water wash design and operating conditions on monoethanolamine (MEA) emissions in an amine scrubbing process with the objective of optimizing the water wash to minimize emissions. Through case studies and simulations using the CO2SIM tool, various parameters including water wash height, water temperature, lean amine temperature, flow rate, amine concentration, and the number of water wash stages were investigated. The aim of this thesis was to keep the volatile emissions under 1 ppm, as CO2SIM only provides information on vapor-phased emissions.

It was found that increasing the water wash height significantly reduced emissions, but cost considerations must be taken into account when determining the optimal height. Higher flow rates were found to reduce emissions, but also here the cost will increase with increasing flow rates. This emphasize the need to strike a balance between high and low flow rates for optimal emission reduction without compromising cost efficiency. Lean amine temperature and water temperature were identified as important factors influencing the emissions, with higher temperatures resulting in increased emissions. However, practical constraints such as climate and process efficiency should be considered when selecting temperature conditions. Low water temperature is feasible in colder countries such as Norway, but is less likely to work in countries with warmer climates, for instance in central Europe. Increasing amine concentration in the water entering the second water wash stage led to higher emissions. Although this was expected, it was interesting to confirm that the emissions are concentration dependent as well as temperature dependent. In the last case study performed, one water wash stage was removed to see the impact of using one versus two water wash stages. Removing one water wash stage resulted in a substantial increase in emissions, highlighting the effectiveness of employing two water wash stages.

In the final study, which was a study conducted with all the information gained throughout this thesis, optimizing the water wash height was found to have a more significant impact on emission reduction compared to lean amine temperature. It was decided to only change two parameters in the final study, keeping the rest of the parameters studied in this thesis the same as in the base case. This indicates that the base case demonstrated favorable emission levels, and that the initial water wash design and operating conditions were already working well. It is important to highlight that the adjustments made to the water wash section did not have any impact on the energy consumption. This suggests that the proposed optimizations can be implemented without compromising energy efficiency, thereby ensuring sustainable and cost-effective operations.

In conclusion, this thesis aimed to provide valuable insights into optimizing the water wash section of the amine scrubbing process to minimize amine emissions. The findings emphasize the significance of controlling parameters and provide practical guidance for achieving effective emission reduction in amine scrubbing systems. These insights contribute to the advancement of amine scrubbing processes and offer a basis for further research in this field.