Low Temperature Post Combustion CO2 Capture Technology Using Solid Sorbents

Den økte produksjonen av CO2 som følge av den industrielle revolusjon har ført til en økende drivhuseffekt på jorden, som kan ha en ødeleggende effekt på klima og dyrestand. Grunnet et stadig økende energibehov så vil fossilt brennstoff fortsette å ha en viktig rolle I energiproduksjon I den forskuelige fremtid, som igjen vil føre til økende CO2 utslipp som følge av brenningen av fossilt brennstoff. Med tanke på det økende CO2-utslippet, så er avansert teknologi nødvendig for å begrense det frie CO2 utslippet I naturen. En muligteknologi for å håndtere CO2-utslipp er CCS (carbon capture and storage), eller karbonfangst på norsk. CCS egner seg spesielt for rensing av avgasser fra naturgassforbrenningsanlegg, og kan bli etterinstallert. I dette prosjektet er det blitt forsket på et CO2-fangst system for avgasser fra naturgassforbrenning, da naturgass tar over mer og mer fra tradisjonell kullkraft grunnet den lavere prisen på naturgas samt redusert CO2-utslipp. CO2-utslippet fra naturgassforbrenning er estimert til 5 volumprosent. Grunnet den lave volumprosenten så må absorbanten ha høy affinitet til CO2, som aminbaserte materialer har. CO2-scrubbingen I vannløslige alkanoaminer har blitt forsket på I over 50 år, men det er fortsatt problemer som må løses som den lave energieffektivetet, korrosjonen, oksidasjonen og tap av det aktive materialet. Med tanke på dette har vi utviklet et nytt solid sorbent basert på sekundær aminosilan med høy tetthet podet (kovalent bundet) på silika med et stort porevolum, for eksempel pore-utvidet MCM-41. Hovedtrekkene til det faste sorbenten er 1) høy stabilitet i nærvær av høy konsentrasjon av oksygen og CO2 i både sorpsjon og desorpsjon prosesser; 2) muliggjøre regenerering i ren CO2 i et temperaturområde på 120-140 oC; 3) høy kapasitet for CO2 -fangst i et bredt spekter av CO2 -trykk; 4) rask kinetikk for CO2 -adsorpsjon selv ved svært lave CO2 -trykk (<1 kPm). Prosessen med CO2-fangst i NGCC ble designet, og teknoøkonomisk evaluering ble utført. En høyere energieffektivitet og lave kostnader for CO2-fjerning ble oppnådd sammenlignet med den konvensjonelle MEA-adsorpsjonsprosessen. Prosessen med faste sorbenter fører til høy energieffektivitet, 55,9 % sammenlignet med 57,6 % uten CO2-fangst og 51,16 % med amin for NGCC-kraftverket.

Impact Impact on present and future scientific challenges and on the research area LTP3C Tech explores the development of new solid sorbents with good capacity, stability, and low desorption heat simultaneously. The project paves a new way to reduce the desorption heat by engineering entropy change by tuning the amine and support interface. The solid sorbents provide also an efficient process for direct CO2 capture due to high capacity and fats kinetics at extremely low CO2 concentration. Impact on societal and industrial challenges The last and biggest hurdle facing widespread commercial utilization of CO2 capture is energy efficiency and the cost of CO2 removal. The solid sorbents and process developed in this project could make it possible for the Norwegian industries to capture CO2 at a low cost and increase the competitiveness of Norwegian industries. The project provides the knowledge-based foundation for the development of a new process industry in Norway, based on innovative materials and technologies. All these areas of application are of critical relevance for the competitiveness of the Norwegian/European industry as well as for social challenges. Impact on future value creation in industry, the public sector, and civil society LTP3C Tech contributes to the new technology of CO2 capture. It will help Norwegian University to meet the CO2 emission reduction goal. The project will promote the value chain of the hydrogen economy and create new process industries and new jobs. It will contribute to reaching half reduction of emissions by 2030 and net-zero emissions no later than 2050, to reach the 1.5 Celsius goal. Impact on the UN sustainable development goals (SDGs) LTP3C Tech could indirectly contribute to most UN SDGs. i.e., 7. Affordable and clean energy is the core of the idea behind LTP3C Tech as it aims to produce low-carbon energy by CO2 capture, utilization, and storage. It is crucial for such production to be economically competitive. 9. Industry innovation and infrastructure, LTP3C will contribute to the realization of new and innovative processes leading to improved efficiency, profitability, and circular economy. 13. Climate action, LTP3C is contributing to the reduction of GHG emissions, having a higher potential to mitigate climate change.

In this project, we together with our industrial partner Fjell Technology Group (FTG), Norway aim to optimize the post-combustion CO2 capture where CO2 will be captured by novel polyethylenimine (PEI)/carbon low temperature spherical pellet as solid sorbents. It will be effectively integrated with the dual fluid bed reactor system and process to achieve 6-8% efficiency penalty and 25-30% cost reduction compared to current technologies. The current study includes development of chemically- and mechanically stable PEI/carbon spherical pellet as low temperature solid CO2 sorbents, 50 hour of continuous CO2 capture in a internally interconnected fluidized bed (IIFB) prototype reactor system, which is combination of bubbling bed and riser reactor, and complete- and integrated process simulation together with techno-economic evaluation. The chemically- and mechanically stable low temperature solid CO2 sorbents on will be developed by anchoring PEI into highly porous carbon spheres, with high CO2 capture capacity, fast kinetics and low adsorption heat. The novel IIFB reactor will effectively utilize the PEI/carbon spherical CO2 sorbents for continuous CO2 capture, thereby decreasing operating and initial investment cost. A process of natural gas combined cycle (NGCC) power plant with new integrated post CO2 capture will be designed and evaluated where the CO2 capture and regeneration are highly integrated in the process, and the development of low temperature solid CO2 sorbents and the new reactor are integrated in the process development, to achieve highest energy efficiency and low cost.