Historien om opbygningen af et forsøgsanlæg på DTU Kemiteknik.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2009 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Henrik Kristensen, Lennart Ejlertsen, Philip Fosbøl, Lars Kiørboe og Nicolas von Solms, DTU Kemiteknik
Et pilotskala-forsøgsanlæg til fjernelse af kuldioxid fra røggas er blevet designet og bygget på Institut for Kemiteknik, DTU. Anlægget består af en absorptionskolonne, hvor kuldioxid fjernes fra røggas ved hjælp af solventer – f.eks. vandige opløsninger af alkanolaminer. Senere bygges en desorptionskolonne, hvor kuldioxiden desorberes fra opløsningen for at få en ren gasstrøm af kuldioxid, som kan lagres.
Baggrund og problemstilling
Debatten omkring problemstillingen vedr. kuldioxidudledning fra kulfyrede kraftværker og indvirkningen på drivhuseffekten og jordens klima er velkendt. Foruden begrænsninger i energiforbruget er der en række tekniske metoder, der kan benyttes til at begrænse CO2-udledningen til atmosfæren. En af dem er CCS – Carbon Capture and Storage, som indebærer absorption af CO2 fra røggasser, en efterfølgende frigivelse ved desorption af kuldioxiden i koncentreret form og lagring i dybtliggende jordlag, f.eks. i oliefelter, hvor metoden kan medvirke til et forøget olieudbytte.
Absorption og desorption (stripning) er begge velkendte kemiske enhedsoperationer. Den aktuelle anvendelse er dog ny og afføder et spektrum af videnskabelige og tekniske opgaver, som skal løses, før teknologien kan anvendes på praktisk og økonomisk forsvarlig vis.
Forsøgsanlæg bliver bygget flere steder i verden – bl.a. har DONG Energi opført et større pilotanlæg på Vestkraft i Esbjerg. Fordelen ved et mindre anlæg, som det på DTU Kemiteknik, er de lavere omkostninger og mere detaljebaserede analyser, der kan udføres på anlægget. DTU Kemiteknik har tradition for at arbejde med matematiske modeller understøttet af eksperimentelle studier i både energi- og miljørelaterede problemstillinger. Derfor blev det besluttet at bygge et pilotanlæg til grundlæggende studier af CO2-rensning ved absorption og desorption ved anvendelse af alkanolaminer og lignende solventer.
CCS-projekter ved DTU Kemiteknik
Centret for faseligevægte og separationsprocesser (IVC-SEP) har i en årrække beskæftiget sig med problemstillinger inden for CO2-området. For nylig er der afsluttet et ph.d.-projekt om modellering af fjernelse af kuldioxid fra røggas [1]. Der er flere igangværende ph.d.-projekter omkring CO2, bl.a. et studie omkring olieresevoirlagring og forbedret olieindvinding . Herudover er der projekter, som omhandler nye solventer til CO2-indfangning, f.eks. aminosyrer eller nedkølet ammoniak (chilled ammonia). Et indledende studie omkring ioniske væsker er netop afsluttet, og området vil også blive studeret i et post.doc.-projekt. Ioniske væsker er opløsninger, som består af specielle salte, der er flydende ved stuetemperatur.. Endvidere udvikles en proces, hvor CO2 og H2S indfanges samtidig for at sænke energiforbruget.
To seniorforskere udvikler computerværktøjer til simulering af kolonnerne i absorptions- og desorptionsprocessen.
Projekterne støttes helt eller delvis af DONG Energy, Vattenfall og Mærsk Olie og Gas.
Relaterede afsluttede projekter har omhandlet modellering af CO2-hydrater mhp. dybvands-lagringsmuligheder, CO2 som kølemiddel i miljøvenlig køleteknik og CO2-permeabilitet og tab fra plastrør.
Tilsvarende har CHEC forskningscentret ved DTU Kemiteknik en række igangværende projekter knyttet til klimaproblematikken. Det drejer sig f.eks. om forbrænding og forgasning af biomasser og affald, forbrænding under oxyfuel-omstændigheder, dvs. ren ilt i en kuldioxidatmosfære, og en lang tradition for at arbejde med røggasrensning af andre stoffer (SO2, NOx, tungmetaller, etc.).
Arbejdet, som beskrives i denne artikel, er resultatet af et eksamensprojekt, der er baseret på et tidligere udført teoretisk designstudie [2].
Kemi, procesteknik og designovervejelser
Procesteknik
Kuldioxid fra røggasser kan absorberes i vandige opløsninger med ca. 30% alkanolaminer. Dette sker i en absorptionskolonne (se flowdiagram) ved atmosfæretryk og temperaturer omkring 50°C. Den brugte absorbent opvarmes til vands kogepunkt og ledes til en stripperkolonne (desorber), hvor den opløste CO2 frigives ved 1-2 bar tryk. Den strippede CO2 indeholder desuden stort set kun vandddamp, da de anvendte alkanolaminer har højere kogepunkt. Efter udkondensering af vand opnås en i princippet ren kuldioxidgas, der kan behandles videre efter kendte metoder og f.eks. slutdeponeres i undergrunden. Det varme solvent fra bunden af stripperen genanvendes, og energien bruges til at forvarme det CO2-holdige solvent som vist i flowdiagrammet. Alkanolaminer anvendes i dag på det eksisterende anlæg i Esbjerg.
Alkanolaminers kemi
Alkanolaminer er kendetegnet ved at nitrogenatomet i molekylet binder sig til CO2 fra røggassen. Alkanolaminer har primært, sekundært eller tertiært bundne amingrupper, og absorptions- og desorptionshastighederne afhænger af alkanolaminens struktur. Primære og sekundære alkanolaminer reagerer hurtigere med CO2 end tertiære alkanolaminer. Brug af de tertiære aminer vil derfor kræve en højere absorptionskolonne for at opnå samme rensningsvirkningsgrad.
Til gengæld er de tertiære alkanolaminers bindingsenergi til CO2 betydeligt lavere end de primære og sekundære aminers, hvorfor der skal bruges mindre energi til regenerering. Valg af absorbent er derfor en balance imellem god absorption og energiomkostninger til desorption.
Absorber designovervejelser
Dimensioneringen af absorptionskolonnen er afhængig af hydrauliske flowforhold (gurgling) såvel som af reaktionskinetikken og ligevægtsforhold. Driftsområdet mht. gas- og væskeflow er blevet fastlagt på basis af en gurglepunktsmodel. Da vor viden om kinetik og termodynamik for de relevante reaktioner er begrænset, blev anlægsdimensioneringen desuden baseret på litteraturoplysninger og sammenligning med erfaringer fra eksisterende forsøgsanlæg. Dimensionering og design er således behæftet med en vis usikkerhed. Derfor blev alle komponenter overdimensioneret ift. et grunddesign for at kunne klare større belastninger end forventet. Ud fra de beregnede gas- og væskeflow blev energibalancer beregnet mhp. dimensionering af varmevekslingsudstyr. Desuden blev tryktabet i anlægget estimeret for at kunne dimensionere pumper og blæser til væske- og gastransport.
Endelig blev der taget hensyn til, at anvendelse af mange forskellige forsøgsomstændigheder, såvel som en planlagt udbygning af anlægget, kunne lade sig gøre uden de store komplikationer – altså lagt vægt på et fleksibelt design. F.eks. er der mulighed for at tilsætte absorbent på 4 forskellige niveauer i kolonnen.
Bygning af pilotanlægget
DTU Kemiteknik er et af de få teknisk-kemiske universitetsinstitutter, der har fastholdt og udbygget faciliteter til håndtering af procesudstyr i større målestok. Pilotfaciliteterne omfatter ca. 1000 m2 højloftede haller og ca. 500 m2 hjælpelokaler. Her gennemfører de studerende øvelser i kemisk procesteknik, og master- og ph.d.-studerende udvikler og arbejder med forskningsopstillinger. En særlig del af bygningen er 16 m høj, og her er den ca. 10 m høje CO2-absorberkolonne opført.
Filosofien bag den fysiske opbygning er, at anlægget skal være pænt at se på og indbydende at arbejde med. Det skal vænne de studerende til de holdninger og krav til udstyr og driftssikkerhed, som de vil møde i industrien. Selve absorberen er bygget af QVF-glasrør – hvilket har pædagogisk værdi, da man kan se, hvad der sker inde i kolonnen under forsøget. Da alkanolaminer er korrosionsmæssigt aggressive, er rør, tanke, ventiler og andet produktberørt udstyr derfor udført i syrefast rustfrit stål, og pakninger er baseret på fluorelastomerer.
Anlægsbyggeriet er delt i flere faser. Første del af projektet, som omfatter etablering af absorberkolonnen, har et ”low cost”-budget, hvilket betyder, at en række instrumenter og styringer er valgt som manuelle løsninger. Gasanalysatoren, der er en meget dyr komponent, lånes fra andre opstillinger på instituttet i forsøgsperioderne. Også andet hjælpe- og måleudstyr er til rådighed for de ønskede eksperimenter. I de senere faser af projektet vil manuelt udstyr efterhånden blive udskiftet med moderne automatiserede komponenter. Hovedparten af data opsamles på computer, mens procesreguleringen af pædagogiske grunde hovedsagelig er manuel.
Stripperkolonnen bygges i projektets næste fase. Den skal kunne arbejde med to bar overtryk og vil derfor blive bygget i rustfrit stål. Dette gælder også for den dampopvarmede reboiler i bunden af kolonnen og kondenseren i toppen. Som trykbærende udstyr skal disse dele gennemgå en sikkerhedsmæssig kontrol af trediepart og dermed CE-mærkes, med alt hvad det indebærer af dokumentation og prøvning.
En særlig komplikation udgør det forhold, at forsøgshallen – pga. andre opstillinger – er et ATEX-område, dvs. at der stilles særlige krav til installationerne mhp. at undgå eksplosioner forårsaget af dampe af brændbare væsker. Styreskab med computer, datalogging m.v. er derfor placeret i et kontrolrum – et ”glasbur” med overtryk. Cirkulationspumpen er forsynet med en ATEX-beskyttet motor, tryktransmittere er indkapslede, mens boosterblæseren af ringkanaltypen, som ikke kunne leveres med en ATEX-motor, er placeret i en stålkasse med overtryk skabt af en lille blæser med udendørsluft.
Næste faser i projektet
De næste faser i projektet vil være validering af det nuværende anlæg og afprøvning af solventer i et kompleks af opgaver, hvor såvel kinetiske som termodynamiske måledata skal opsamles sammen med driftstekniske erfaringer. Det fleksible design giver mulighed for optimering af de forskellige procesparametre, såsom kolonnehøjde, temperaturprofil, tryk, sammensætning m.m. Som forsøgs- og forskningsopstilling skal anlægget f.eks. kunne anvendes med recirkulation af CO2 såvel som med almindelig kontinuert once through-applikation. Samtidig skal designarbejdet med hensyn til stripperen færdiggøres og konstruktionen sættes i gang.
Forsøgsanlæg i denne størrelse er dyre og kræver en stor indsats at etablere og at drive. Det skal derfor anvendes til mange forskningsprojekter ved diplom-, bachelor- og masteruddannelsen, ph,d.-projekter samt specialopgaver. Endvidere skal det indgå i instituttets normale undervisningsprogram i storskala-øvelseskurser, hvor de kommende ingeniører får hands-on-erfaring med den industrielle virkelighed, så godt
Referencer
1. Gabrielsen, Jostein, CO2 Capture from Coal Fired Power Plants. Ph.d.-afhandling, IVC-SEP, DTU Kemiteknik,, Danmarks Tekniske Universitet, 2007.
2. Petersen, C. og Hansen, N.F.: Design af pilotanlæg til fjernelse af CO2 fra røggas. Eksamensprojekt. DTU Kemiteknik, 2008.
Flowdiagram af en totrins absorber/stripperproces til fjernelse af CO2 fra røggasser vha. vandige alkanolaminopløsninger.
Kemi for absorption og desorption af CO2 fra røggasser ved brug af alkanolaminer.
Forsøgsanlæggets totale højde er omtrent 13 m.
Udsnit af absorberanlæg. Selve kolonnen ses til venstre på billedet.
