Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Innovative materials for CO2 Capture by Combined Calcium-Copper Cycles

Alternativ tittel: Innovative materialer for CO2 fangst ved kombinerte Kalsium-Kobber sykluser

Tildelt: kr 8,0 mill.

Prosjektleder:

Prosjektnummer:

254736

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2016 - 2019

Samarbeidsland:

Formålet med 6Cs prosjektet er å undersøke innovative og industrielt relevante materialer til prosesskonseptet «Calcium Cooper Chemical Looping Combustion» ( CaCu CLC). Ved å kombinere kobber og kalsium i ett og samme materiale kan den eksoterme reduksjonen av kobberoksid, CuO, kobles med den endoterme kalsineringen av kalsiumkarbonat, CaCO3. De kombinerte materialene forventes å kunne føre til prosesseffektivisering relativt til segregerte materialer (dvs. CaCO3 og CuO avsatt på separate partikler) hovedsakelig via senket inertfraksjon og økt termisk energieffektivitet i reaksjonssystemet. Sorption Enhanced Reforming (SER) kombinerer dampreformering av metan og CO2-fangst der CO2-fangsten skjer via et CaO-basert materiale. Sorpsjonen av CO2 forskyver likevekten i reformeringsprosessen mot produksjon av hydrogen (> 99.5%) og tillater dermed lavere operasjonstemperatur (650-700 °C) i forhold til tradisjonell reformering (700 -1100 °C). CaO-sorbenten må regenereres, og dette krever et separat energiintensivt prosesstrinn ved høy temperatur (850 - 900 °C). CaCu CLC-prosessen omhandler i hovedsak et konsept for regenereringen av CaO fra CaCO3. Ved å inkludere kobber i sorbenten kan den endoterme kalsineringen av CaO kobles med den eksoterme reduksjonen av kobberoksid. Oksidasjonen av kobber drives av luft i et intermediært trinn mellom reformering og kalsinering. Reduksjonen av kobberoksid skjer ved hjelp av metan og/eller syntesegass. I tillegg til at CO2 fanges i reformeringstrinnet separeres også redoksreaksjonene for oksygenbæreren (kobber) slik at uønskede forbrenningsprodukter og ekstra separasjonstrinn kan unngås (ASU og effluentseparasjon). Med andre ord integrerer CaCu CLC-prosessen fordelaktige aspekter ved både SER og Chemical Looping Combustion (CLC). Teknologien vil trolig kunne oppnå varme- og kraftproduksjon med samtidig CO2-fangst, og kalsineringstrinnet vil produsere en effluent bestående av kun CO2 og vann. Alle materialer undersøkt i prosjektet er blitt syntetisert i pulverform. Kobber har blitt introdusert i tre kalsiumbaserte CO2 sorbenter; CaO/Ca12Al14O33, CaO/Al2O3 og CaO/CaZrO3. Aktivitetstester ble utført i multisykliske, prosessrelevante TGA-tester hvor materialenes massebaserte fangstkapasitet for CO2 og O2 ble etablert. Materialene ble karakterisert ved bruk av SEM, XRD, ICP-MS og N2 adsorpsjon (BET) både før og etter TGA-testing. Resultatene av testingen antyder at materialaktiviteten er sterkt avhengig av absoluttinnholdet av kobber, interaksjonen mellom støttestrukturen og kobberet samt kobberets tendens mot migrasjon og sintring. De antatt beste kalsium-kobberpulverne har blitt oppskalert og agglomerert i en «high shear agglomerator». Sfæriske partikler i optimalt størrelsesområde (0.5 ? 0.8 mm diameter) ble klargjort og testet i en «fixed bed» reaktor på laboratorieskala (75g materiale totalt). Matematisk modellering har resultert i en pseudohomogen reaktormodell for kalsineringsprosessen og en Grain Size Model (CGSM) partikkelmodell for kombinerte partikler. CGSM-modellen har gitt en indikasjon på at massetransport kan være en flaskehals på partikkelnivå da kalsineringsreaksjonen er rask nok til at konsentrasjonen av CO2 kan nå likevektskonsentrasjonen over CaO/CaCO3 inne i det porøse materialet. De termiske egenskapene til materialene har blitt undersøkt ved å kombinere CGSM-modellering og eksperimentelle data for effektiv termisk konduktivitet fra en «transient plane source»-metode (TPS). TPS-data ble benyttet for å velge en best mulig termiske transportlikning fra publisert litteratur og likningen ble deretter implementert i CGSM-modellen. Modellen ble også kjørt med suboptimale transportlikninger for å illustrere CGSM-modellens sensitivitet for valg av transportlikning. Resultatene indikerer at de termiske egenskapene til kombinerte partikler er mer avhengige av gassfasen og dens komposisjon enn hva de er av det faste stoffets komposisjon og tilstand, gitt en materialporositet mellom 30 og 55 %. Det virker ikke på dette tidspunkt som om det er noen signifikant forskjell på de effektive termiske egenskapene til kombinerte og segregerte kalsium-kobbermaterialer. CGSM-modellen er moderat sensitiv for valget av termisk transportlikning, og for et gitt materiale burde valget av termisk transportlikning være støttet av eksperimentelle målinger. En artikkel som omhandler kombinerte CaZrO3-baserte kalsium-kobbermaterialer ble akseptert i desember 2019 og vil være tilgjengelig online i «International Journal of Greenhouse Gas Control» tidlig 2020. Resulatene viser at CuO/CaO forholdet er justerbart for de utviklede materialene under Ca-Cu Looping-relevante forholdstall > 2.0 [wt/wt] hvor den optimale vektprosenten av CuO mest sannsynlig ligger i det halvåpne intervallet [40, 50) wt%. Dette er i overensstemmelse med resultatene for det tidligere utviklede mayenitt-baserte kombinerte materialet.

The project achieved the experimental validation of newly synthesized multi-functional calcium-copper particles adapted to the calcium-copper looping. Better heat transfer due to the intimate contact between Ca and Cu species during calcination, and lower inert content in the reactor can be achieved making use of the developed materials versus conventional "segregated" particles - which can result in increased materials stability and process efficiency. Achieved results in both modelling activities and experimental tests have ensured a strong interdisciplinary approach and a robust proof of concept of the combined calcium-copper CO2 sorbent and oxygen carrier materials. This shows that it is possible to boost process intensification concepts from the perspective of (multifunctional) materials development. International collaborations with universities and research centers in Spain, Italy and Netherlands were created.

The Calcium-Copper technology (CaCu) is an emerging technology for pre-combustion CO2 capture. This technology was proposed in 2012 by two Spanish Research Council institutes (ICB and INCAR) for the reforming of natural gas with integrated CO2-capture. It is based on the catalytic Sorption-Enhanced Reforming reaction using a CaO-based sorbent, combined with the exothermic redox reactions of copper. The CaO captures the CO2, shifting the reforming reaction towards higher hydrogen yield. The reduction of CuO by natural gas provides the heat necessary to release the CO2 at another stage. This process does not require pure oxygen streams at any stage, avoiding the costly and energy demanding air separation unit used in alternative CO2 capture technologies. The operation of each of the 4 process steps is controlled by pressure and temperature swing, and requires highly efficient and durable materials, containing CaO, Cu and a reforming catalyst. The CaCu process is under development in a running FP7-European project (ASCENT). In that project, IFE has synthesized for the first time integrated materials that combine the functions of Cu and CaO over the same support, in opposition to separate pellets for each material and function. This approach has the potential to improve heat transfer efficiency and diminish the total amount of inert fraction in the reactor beds. This translates into an increase of energy efficiency and lower investment and operation costs. The proposed 6Cs project will be performed in parallel to the ASCENT project, to study and optimize the heat transfer mechanisms and the materials production methods. The focus will be to study the fundamentals of the materials performance with experimental and modelling tools, to optimize the synthesis methods accordingly - by promoting the use of low-cost raw materials - and to quantify the technical, economic and environmental impacts of using these integrated materials in the CaCu process.

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering