Carbon capture in molten salts : an extensive survey of chemical systems with MgO as sorbent
Master thesis
View/ Open
Date
2020Metadata
Show full item recordCollections
- Master's theses (RealTek) [1861]
Abstract
Stated in the Paris Agreement, utilization of Carbon Capture and Storage (CCS) technologies are an essential part of curbing the increasing trend of carbon dioxide (CO2) emissions into the atmosphere. CCS is a relatively new set of technologies. However, today’s CCS technologies are expensive, and further research and development are needed to lower the cost of this technology. Through the two last decades, a new technology for capturing CO2 has emerged, called Carbon Capture in Molten Salts (CCMS). The technology of CCMS is a further development of conventional Calcium Looping technology (CaL). Instead of using solid calcium oxide (CaO) as CO2-sorbent such as CaL, CCMS uses analkaline earth metal oxide (MO) dissolved orpartially dissolved in inorganic molten salts as a CO2-sorbent. CCMS takes advantage of the reversible reaction between the sorbent (MO) and CO2 to form acarbonate(MCO3). By having the sorbent dissolved in molten salts, the reaction kinetics between the sorbent and CO2 can be improved. Thecarbonate can release the captured CO2 and regenerate the sorbent throughendothermic decomposition. Unlike CaL, by having a dissolved or partially dissolved CO2-sorbent in molten salts, CCMS avoids the obstacle of degrad-ing the CO2-sorbent after a few cycles of CO2 capture and release, which isa costly problem for CaL. Today the CCMS technology has mostly been tested with CaO as CO2-sorbent. CaO has shown promising results during CO2 capture in CCMS. However, the reversible reaction between CaO and CO2 has a relativehigh reaction enthalpy, thus large amounts of energy is required to maintainthe reaction. This energy requirement is the main cost driver for CCMS with CaO. By using magnesium oxide (MgO) as CO2-sorbent instead of CaO in the CCMS process, much of the energy needs could be avoided. Since thereversible reaction between MgO and CO2 has a lower reaction enthalpy than CaO, thus, less energy is required to maintain the reversible reaction. MgO also has higher theoretical CO2 absorption capacity than CaO. For these reasons, finding chemical systems suitable for CCMS with MgO as sorbent is the focus of this thesis. Twenty-seven salt mixtures have been screened, all salt mixtures possess a lower eutectic melting point than 305°C. The largest group of salt mixtures screened is the nitrate salts, due to their low eutectic melting points of 117-237°C. The two other salt mixture groups are considerably smaller, one group consisting of halide salts, and the other group consists of both halideand nitrate salts. The halide salt mixtures have relatively high eutectic melting points, 217-301°C, and the salt mixtures consisting of both halideand nitrate salt have molar ratios heavily skewed towards the nitrate salt, >87.7 mol%. None of the nitrate salt mixtures possess a component that reacts withMgO and CO2, meaning the MgO is inert in a nitrate melt. All of the halide salt mixtures screened had a component would have an exchange reaction with MgO and CO2. The halides-nitrate salt mixtures do not have a component that reacts with MgO and CO2. Most of the salt mixtures screened possess Lewis base characteristics. Two successful experiments were conducted with LiF-NaF-KF or FLiNaK salt and MgO as CO2-sorbent. Both experiments used 450 g with saltand 50 g MgO. The first experiment was conducted with 500°C for 550 minutes, where the total CO2 absorbed was 16.6 g. The second experiment was conducted with 650°C; the experiment lasted for 1200 minutes; the total CO2 absorbed was 44.5 g; this shows that MgO has a high CO2 absorption capacity, but the CO2 capture rate is inefficient. A third experiment was attempted, with 450 g of molten CuCl-KCl salt and 50 g of MgO. The experiment was initially successful for 10 minutes before technical complications appeared, and the experiment had to be canceled. However, a useful insight into the behavior CuCl-KCl was observed inthe first 10 minutes, where almost no CO2was absorbed. Utalt i Parisavtalen, vil utnyttelse av Karbonfangst og lagrings (Carbon Capture and Storage - CCS) teknologier være en essensiell del av reduksjonen av karbondioksid (CO2) utslippene. CCS er en relativt ny gruppe av teknologier, men disse teknologiene er i dag dyre. Dermed er det nødvendig med videreforsking og utvikling av disse teknologiene, for å senke denne kostnaden. Gjennom de to siste tiårene, har en ny teknologi for karbonfangst blittutviklet. Denne teknologien kalles Karbonfangst i saltsmelter (Carbon Cap-ture in Molten Salts - CCMS). CCMS teknologien er en videreutvikling avkonvensjonellKalsiumlooping(Calcium Looping - CaL) teknologi. I motsetning av CaL som bruker kalsiumoksid (CaO) i fast fase som CO2-sorbent, bruker CCMS et jordalkalisk metalloksid (MO) som er oppløst eller delvisoppløst i smeltet uorganiske salter som CO2-sorbent. CCMS utnytter den reversible reaksjonen mellom CO2-sorbent (MO) og CO2, og den reversible reaksjonen skaper et karbonat (MCO3). Når CO2-sorbenten er oppløst i ensalt smelte, kan reaksjons kinetikken mellom CO2-sorbent (MO) og CO2 bli forbedret. Karbonatet kan løslate det fangede karbondioksidet og regenerere CO2-sorbenten gjennom endoterm dekomposisjon. Ulikt som CaL, når CO2-sorbenten er oppløst i smeltet salt, unngår CCMS degradering av CO2-sorbenten etter noen runder med karbonfangst og løslatelse. Degraderingenav CO2-sorbenten er et dyrt problem for CaL. Idag har testingen av CCMS teknologien blitt gjort i hovedsak med CaO som CO2-sorbent, og CaO har gitt lovende resultater som CO2-sorbent i en CCMS prosess. CCMS med CaO krever store mengder med energi siden prosessentalpien av den reversible reaksjonen er høy, og dette er den største kostnads driveren for CCMS med CaO. Ved bruk av magnesiumoksid (MgO) som CO2-sorbent istedenfor CaO i CCMS, kan de store energi kostnadene bli redusert. Prosessentalpien for CCMS med MgO er betraktelig lavere en med CaO. MgO har også høyere teoretisk CO2-bærevene enn CaO. På grunn av disse fordelene er hovedfokuset av denne oppgaven å finne kjemiske systemer som passer til MgO i CCMS. Tjuesyv saltblandinger har blitt screenet, alle saltblandingene har eutektisk smeltepunkt lavere enn 305°C. Den største gruppen av de screenede saltblandingene er nitratsaltblandingene, denne gruppen har relativt lave eutektiske smeltepunkter (117-237°C). De to andre gruppene er en betydeligere mindre. Den ene gruppen består av halogensaltblandinger og den andre gruppen er både halogen og nitratsaltblandinger. Halogensaltblandingene har en relativt høye eutektiske smeltepunkter, (217-301°C). Den siste gruppen, halogen-nitrat gruppen, der alle saltblandingene har som kjennetegn at det molare blandeforholdet er veldig forskjøvet mot nitratsaltene, >87.7mol%. Ingen av komponentene i nitratsaltblandingene reagerer med MgO and CO2, som betyr at MgO vil være inert i smeltet nitratsalt. Alle de screenede halogensaltblandingene har komponenter som reagerer med MgO and CO2. Likt som nitratsaltblandingene, har halogen-nitratsaltblanding gruppen ikke noen komponenter som reagerer med MgO og CO2. Nesten alle saltblandingene har en Lewis-base-karakteristikk. To vellykkede eksperimenter med LiF-NaF-KF eller FLiNaK salt, der MgO var CO2-sorbent ble gjennomført. Begge eksperimentene brukte 450 g med salt og 50 MgO. Det første eksperimentet ble gjennomført på 500°C over 550 minutter, der 16.6g CO2 ble absorbert. Det andre eksperimentet ble gjennomført p ̊a 650°C over 1200 minutter, der totale absorberte CO2 var 44.5 g. Dette viser at MgO har stor CO2-absorbsjonskapasitet, men fangstraten er veldig treg og lite effektivt. Ett tredje eksperiment ble forsøkt, med 450 g med smeltet CuCl-KCl salt, med 50 g MgO. I starten var eksperimentet vellykket, men etter 10 minutterdukket det opp tekniske problemer, og eksperimentet måtte bli avbrutt. De 10 første minuttene ga interessant innsikt, der MgO absorberte nesten ingen CO2 i de 10 første minuttene.