Demonstration of the Swing Adsorption Reactor Cluster (SARC) for simple and cost effective post combustion CO2 capture

Prosjektet hovedmålet er å gjennomføre en tekno-økonomisk mulighetsstudie av et «Swing Adsorption Reactor Cluster» (SARC) konsept ved hjelp av eksperimentelle forsøk og modell simuleringer. SARC konseptet består av flere identiske «fluidized bed» reaktorer som sirkulerer et adsorbent pulver mellom karbonisering (opptak av CO2 fra prosessgass) og regenerering (frigjøring av konsentrert CO2). En synergistisk kombinasjon av vakuum og temperatursvingninger blir anvendt for å sikre høy prosesseffektivitet. De viktigste prosjektresultatene er langtidstesting i en labskala "Sving-adsorpsjons-reaktor" og fullskala termodynamisk og økonomisk evaluering av SARC konseptet anvent på anlegg for energigjenvinning fra avfall og sementproduksjon. To operatører av anlegg for energigjenvinning fra avfall og en sementprodusent deltar i prosjektet for å sikre industriell relevans og indentifisere forretningsmuligheter i forbindelse med videre oppskalering av teknologien. SARC-prosjektet har gjennomfører en omfattende studie som kombinerer eksperimentelle og simuleringsundersøkelser som tar sikte på å bringe SARC til et teknisk modenhetsnivå på TRL4. De eksperimentelle aktivitetene dekket: i) Sorbent screeningstudier ble fullført på to polyetylenimin (PEI) og alkalimetalsorbenter (levert av prosjektpartnere; RTI og KRICT), ved bruk av TGA, gjennombruddsforsøk og en benkeskala reaktor tilpasset for å simulere SARC-forholdene. PEI-sorbenter viste høy stabilitet ved rimelig arbeidsadsorpsjonskapasitet, og det ble derfor anbefalt for bruk i demonstrasjonsreaktoren. 20 kg av PEI sorbenten ble levert av KRICT til dette formålet. ii) Den 2 m høye demonstrasjonsreaktoren, med innebygde varmeoverføringsflater, ble igangkjørt, og grundig testet under SARC-forhold med evaluering av varmeoverføringsegenskapene, sorbent stabilitet og reaktivitet, den sykliske SARC-ytelsen og flertrinnseffekten. Resultatene fra disse aktivitetene viser at SARC-konseptet er demonstrert på TRL 4. Simuleringsaktivitetene dekket: i) reaktor- og kraftverk av SARC integrert i kull-, avfall anlegg og sementanlegg, inkludert følsomhetsstudier for prosessdriftens parametere, og identifiserte således forholdene som oppnår de laveste energibestemmelsene for hver anvendelse. ii) En økonomisk vurderingsundersøkelse ble fullført for integrering av SARC i et sementanlegg. Det ble funnet at SARC oppnår CO2-unngåelseskostnader på eur 52 / tonn i basetilfellet, som er høyere enn oksyforbrenning (eur 43 / tonn), tilsvarende kalsiumsløyfing og lavere enn fire andre teknologimuligheter. En påfølgende studie forbedret varmeintegrasjonen i SARC-anlegget for å heve vakuumtrykksdamp for å drive ytterligere CO2-utslipp i desorpsjonstrinnet. Denne modifikasjonen tillot SARC å konkurrere med oksyforbrenning, og oppnådde eur 38 / tonn, noe som gjør det til det klart mest attraktive alternativet gitt enkel ettermontering i eksisterende anlegg. Resultat som er oppnådd: -- PEI sorbenter viste raskest kinetikk og tilfredsstillende høy adsorpsjonskapasitet ved realistisk vakuum nivå (0.1 bar) ved 20 °C temperatursving. -- SARC-konseptet ble demonstrert ved TRL 4 ved bruk av en spesialdesignet reaktor med en kapasitet på ~ 24 kg CO2 / dag. -- Simulering av reaktor og kraftanlegg har vist at sorbenter med medium og høy regenereringsentalpi (100 - 150 kJ/mol) vil forbedre CO2 fangst energieffektivitet fra kullkraftverk med ca 2%-punkter (regnet som forbedring av anleggseffektivitet). Den resulterende netto effektivitetstapet som følge av CO2 fangst blir da redusert ned mot 8% poeng. -- Beregningene på et sementanlegg har vist at energibestanden kan oppnå en SPECCA helt ned til 0,88 MJLHV / kgCO2 hvis fornybær strøm brukes til å drive varme- og vakuumpumper. -- En økonomisk vurderingsstudie med forbedret varmeintegrasjon har avdekket at en CO2-unngåelseskostnad på eur 38 / tonn CO2 kunne oppnås for SARC integrert i et sementanlegg (i stedet for eur 52 oppnådd i den tidligere studien), mens ytterligere kostnadsreduksjon kan være oppnådd ved bruk av billig fornybar elektrisitet som i Norge. Åtte journal artikler er publisert og flere populærvitenskapelige artikler som beskriver SARC teknologien har blitt publisert på flere plattformer som Gemini (https://geminiresearchnews.com/2018/05/capturing-co2-using-heat-pumps/), PhysOrg (https://phys.org/news/2018-05-capturing-co2.html), NorskVVS NEMITEK (https://nemitek.no/vil-fange-co%e2%82%82-med-varmepumper/) og Teknisk ukebladet (Denne løsningen gjør industriell CO2-fangst 12,5 prosent billigere - Tu.no). Resultater ble også fremlagt på relevante konferanser som GHGT 15&16, PCCC5, ISCRE og Fluidization XVI.

The project has brought the SARC technology to TRL 4 and completed techno-economic assessments have shown that it can achieve CO2 avoidance cost as low as 38 Eur/ton-CO2 for cement beating all bencharmking technologies including oxy-fuel. The easy retrofitting of SARC is another key advantage that will facilitate its fast upscaling and application to different CO2 industrial sources.

The proposed project will demonstrate the technical and economic feasibility of the Swing Adsorption Reactor Cluster (SARC) concept through dedicated experimental and modelling studies. The SARC concept aims to minimize both the energy penalty and process complexity related to post-combustion CO2 capture using low-temperature solid sorbents and brings special advantages to retrofits and industrial applications. Individual standalone reactors in the SARC concept will operate under bubbling/turbulent fluidization using the best performing low-temperature sorbent supplied by the Korean and American partners in this project. Inlet and outlet valves will periodically switch each reactor between carbonation and regeneration, separated by a short temperature/vacuum swing step. Combination of temperature and vacuum swings will minimize the total energy penalty. Dedicated optimization studies will determine the shares of each swing and the interaction between them. In addition to the minimized energy penalty, the SARC concept promises greater process simplicity in terms of reactor design and connection to the CO2 source, leading to faster scale-up and broader deployment possibilities. These advantages stem from the elimination of the solids handling challenges inherent to the conventional solids looping process and the fact that SARC does not require steam for regeneration of the sorbent. The primary project outcomes will be long-term demonstration of a lab scale Swing Adsorption Reactor and the full scale thermodynamic and economic evaluation of the SARC concept applied to Waste-to-Energy (WTE) and cement plants. Two WTE plant operators and a cement producer are taking part in the project in order to show the industrial relevance of the SARC concept and identify a strong business case for further scale up of the technology.