CO2-fangst i saltsmelter : absorpsjon og desorpsjon av CO2 i smeltet NaF/CaF2 med CaO-sorbent

Abstract

Verdens avhengighet av fossil energi har allerede resultert i en sterk økning i atmosfæriske CO2-nivåer og en medfølgende oppvarming av den nedre delen av atmosfæren. FNs Klimapanel (IPCC, Interngovernmental Panel of Climate Change) har slått fast at oppvarmingen vil føre til irreversible klimaendringer dersom den globale årlige gjennomsnittstemperaturen øker med mer enn 2°C. CO2-fangst og lagring (CCS, Carbon Capture and Storage) er et av de viktigste virkemidlene som må tas i bruk for å unngå dette. Prinsippet bak CCS er å fange opp CO2 fra store stasjonære utslippskilder (f.eks. kullkraftverk), og dermed forhindre utslipp til atmosfæren. CO2-gassen vil så komprimeres og transporteres til et egnet sted (geologisk reservoar) hvor den lagres permanent. Det forskes mye på ulike teknologier for CO2-fangst fra slike utslippskilder, og mange av disse er inne i en oppskaleringsperiode. Allikevel er det mye og hente ift. å bl.a. redusere energikostnaden og sorbentforbruket ved disse prosessene. Aminfangst er den teknologien som er nærmest kommersiell anvendele, mens Ca-looping er en annen svært lovende fangstteknologi. CO2-fangst i saltsmelter (CCMS) er en ny metode for CO2-fangst, som bygger på de samme prinsippene som Ca-looping. CO2 absorberes av CaO og danner CaCO3. Den største utfordringen ved Ca-looping er degradering av sorbenten (faste CaO-partikler) ved gjentatte absorpsjons- og desorpsjonssykluser, noe som primært skyldes sintring og slitasje av CaOpartiklene. Ved CCMS benyttes også CaO som sorbent, men løst i en saltsmelte, og ikke i partikkelform. Potensielle fordeler ved CCMS ift. Ca-looping er sterkt redusert degradering og raskere reaksjonskinetikk. CCMS er en høy-temperaturprosess, som Ca-looping, og vil derfor sannsynligvis ha den samme lave energikostnaden som Ca-looping (sammenliknet med f.eks. aminfangst). CaO er også en billig og rikt tilgjengelig sorbent, som kan fremstilles fra naturlig kalkstein. CCMS undersøkes i et forskningsprosjekt ved UMB. Denne masteroppgaven inngår som en del av dette arbeidet, og ser nærmere på CO2-absorpsjon og -desorpsjon i en saltsmelte av eutektisk NaF/CaF2 med CaO-sorbent. Målet har vært å få en bedre forståelse for det kjemiske systemet som benyttes, samt forsøke å belyse hvorfor tidligere eksperimenter (utført av forskningsgruppen) har vist lavere desorpsjonsrate enn forventet. Det eksperimentelle arbeidet er utført ved analyse av materialprøver fra systemet ved XRD, og ved måling av masseendring under CO2-absorpsjon og -desorpsjon (TGA). I oppgaven gis det i tillegg en forholdsvis grundig gjennomgang av Ca-looping, for å gi en bedre forståelse for CCMS, og for å kunne sammenlikne disse prosessene. Absorpsjonen er vist å være vellykket. Det ble funnet at CaCO3 reagerer med NaF (saltet) og danner Na2CO3 og CaF2. Totalreaksjonen for absorpsjonen; CaO(diss) + CO2(g) + 2NaF(l) = CaF2(l) + Na2CO3(diss), har negativ ΔG for temperaturer opp til ca. 1120ºC. Det medfører at desorpsjon i dette saltet må utføres ved høyere temperatur enn forventet (ut fra basisreaksjonen; CaO(diss) + CO2(g) = CaCO3(diss), som har negativ ΔG opp til ca. 900ºC). Konsekvensene av dette er at prosessen enten må utføres i et annet salt (som er inert og ikke reagerer med CaO eller CaCO3), eller at desorpsjonen må utføres ved høyere temperatur (>1120ºC). CCMS virker som en lovende alternativ fangstteknologi. Det gjenstår imidlertid en del arbeid ift. å undersøke hvordan sorbenten påvikes av repeterte absorpsjon/desorpsjonssykluser og hvordan denne teknologien fungerer i større skala.

The world's dependence on fossil fuels has already resulted in a significant increase in atmospheric CO2 levels and the consequent heating of the lower atmosphere. The Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) has stated that global warming will cause irreversible climate change if the global annual average temperature increases by more than 2°C. Carbon Capture and Storage (CCS) is a key measure that must be adopted to avoid this. The principle behind CCS is to capture CO2 from large stationary sources (eg. coal-fired power plants), thereby preventing emissions to the atmosphere. The CO2 gas will then be compressed and transported to a suitable location (geological reservoirs) where it is stored permanently. A lot of research is carried out on different technologies for CO2 capture from these sources, and many of these are in a period of upscaling. There are still significant improvements to be made in eg. reducing the energy costs and sorbent consumption of these processes. Amin Catch is the technology that is closest to commercial application, while Ca-looping is another very promising capture technology. CO2 Capture in Molten Salts (CCMS) is a new method for CO2 capture, which is based on the same principles as the Calooping process. The biggest challenge of Ca-looping is the degradation of the sorbent (solid CaO particles) by repeated absorption and desorption cycles, primarily due to sintering and attrition of the CaO particles. CaO is also used as a sorbent for CCMS, but dissolved in a molten salt, and not in particulate form. Potential benefits of CCMS compared to Ca-looping is the possibility of greatly reduced degradation and rapid reaction kinetics. CCMS is a high temperature process, such as Calooping, and the process will probably have the same low energy cost as Ca-looping (compared to eg. Amine trapping). CaO is also a cheap and abundant sorbent, which can be produced from natural limestone. CCMS is investigated in a research project at the Norwegian University of Life Sciences (UMB). This thesis is a part of this project, and takes a closer look at the CO2 absorption and desorption by CaO in a molten salt of eutectic NaF/CaF2. The goal is to gain a better understanding of the chemical system used, and to attempt to elucidate why previous experiments (performed by the research group) have shown slower desorption rates than expected. The experimental work has been carried out by analysis of material samples from the system by XRD, and measurement of the mass change during the CO2 absorption and desorption (TGA). A review of Ca-looping is also given, to provide a better understanding of CCMS, and to compare these processes. The absorption is shown to be successful. It was found that CaCO3 reacts with NaF to form Na2CO3 and CaF2. The overall reaction for the absorption; CaO(diss) + CO2(g) + 2NaF(l) = CaF2(l) + Na2CO3(diss), has negative ΔG for temperatures up to approx. 1120ºC. This means that desorption in this salt must be carried out at a temperature higher than expected (from the base reaction; CaO(diss) + CO2(g) = CaCO3(diss), which has negative ΔG for tempratures just below 900ºC). The consequence of this is that the process must either be performed in a different salt (which is inert and does not react with CaO or CaCO3), or that the desorption must be performed at a higher temperature (>1120°C). CCMS seems like a promising alternative capture technology. There remains, however, some work to investigate how the sorbent is influenced by repeated absorption and desorption cycles, and how this technology works in larger scale.