CCMS: Eksperimentell evaluering av konverteringsgrad ved forskjellige prosessparametere for karbonfangst med CaO i CaF2-CaCl2 saltsmelte

Abstract

Den nyeste hovedrapporten fra FNs klimapanel (IPCC) stadfester igjen at umiddelbare og omfattende tiltak er nødvendig for å begrense temperaturstigningen til 1,5°C i tråd med klimaforpliktelsene satt av Parisavtalen. I rapporten trekkes oppskalering av karbonfangstteknologier frem for å redusere antropogene CO₂-utslipp.

Karbonfangst i saltsmelter (CCMS) er en fangstmetode på labskala som har vist lovende resultater, men som behøver en kartlegging av optimale operasjonsparametere. Absorpsjonsevne ved forskjellige temperaturer og CO₂-konsentrasjoner er interessant å undersøke for å kunne dimensjonere et fullskala anlegg ved fremtidige tekno-økonomiske analyser.

I denne oppgaven er det gjennomført eksperimenter med formål om å identifisere en sammenheng mellom konverteringsgrader ved tre ulike driftstemperaturer (750°C, 850°C og 950°C) og fire ulike CO₂-konsentrasjoner (5 vol%, 10 vol%, 15 vol% og 20 vol%) i en simulert avgass. Resultatene ble bestemt gjennom termogravimetrisk analyse (TGA), ved vektendring som funksjon av tid, på en saltsmelte bestående av kalsiumoksid (CaO) løst i eutektisk kalsiumfluorid (CaF₂) og kalsiumklorid (CaCl₂).

Rådata viste en kontinuerlig vektnedgang som er antatt å være medrivning som en konsekvens av boblekolonnen, og vektene ble derfor korrigert med gjennomsnittlige stigningstall for hvert temperaturområde. Konverteringsgradene ble kalkulert fra korrigert data og resultatene ble modellert med en multivariat polynomisk regresjonsmodell av tredje grad.

Modellen hadde en forklart varians på R² = 0.97 og viste en avtagende konvertering ved lavere CO₂-konsentrasjoner og høyere temperaturer. Generelt viste modellen effektiv fangst ved alle de oppgitte CO₂-konsentrasjonene, noe som kan tilsi at teknologien egner seg for flere punktutslippskilder. Til videre arbeid er det interessant å inkludere flere driftstemperaturer og CO₂-konsentrasjoner for å utvide modellen og for å undersøke den praktiske laveste kalsineringstemperaturen.

The latest assessment report from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) again expresses the need for immediate and comprehensive actions to limit the temperature increase to 1.5°C in accordance with the commitments set by the Paris Agreement. The report highlights the upscaling of carbon capture technologies to reduce anthropogenic CO₂ emissions.

Carbon Capture in Molten Salts (CCMS) is a capture method at the laboratory scale that has shown promising results but requires a mapping of optimal operational parameters. The absorption capacity at different temperatures and CO₂ concentrations is of interest for dimensioning a full-scale facility in future techno-economic analyses.

In this thesis, experiments were conducted with the purpose of identifying a relationship between conversion at three different operating temperatures (750°C, 850°C, and 950°C) and four different CO₂ concentrations (5 vol%, 10 vol%, 15 vol%, and 20 vol%) in a simulated flue gas. The results were determined through thermogravimetric analysis (TGA), by weight change as a function of time, on a molten salt consisting of calcium oxide (CaO) dissolved in eutectic calcium fluoride (CaF₂) and calcium chloride (CaCl₂).

The raw data showed a continuous weight loss that is assumed to be entrainment as a consequence of the bubble column, and weights were therefore corrected with average slopes for each temperature range. The conversion rates were calculated from corrected data and the results were modeled with a multivariate polynomial regression model of the third degree.

The model had an explained variance of R² = 0.97 and showed decreasing conversion at lower CO₂ concentrations and higher temperatures. Generally, the model demonstrated effective capture at all the mentioned CO₂ concentrations, which may suggest that the technology is suitable for several point source emissions. For further work, it is interesting to include more operating temperatures and CO₂ concentrations to expand the model and to investigate the practical lowest calcination temperature.