RAPPORT FRA 1. SEMESTERS PROSJEKT HØSTEN

Transkript

1 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen RAPPORT FRA 1. SEMESTERS PROSJEKT HØSTEN 2008 Y09-1-F1-Prosjekt F CO 2 absorpsjon i teori og praksis Avdeling for teknologiske fag Adresse: Pb 203, 3901 Porsgrunn, telefon , Bachelorutdanning - Masterutdanning Ph.D. utdanning

2 Telemark University College Faculty of Technology Bachelor of Science RAPPORT FRA 1. SEMESTERS PROSJEKT HØSTEN 2008 Emne: Y09-1-F1-prosjekt Tittel: CO 2 absorpsjon i teori og praksis Prosjektgruppe: F Gruppedeltakere: Eriksson, Anette Rønningen, Heidi Thomassen, Magnar Utnes, Anders Vetland, Oliver Peter Balch-Barth Øvstetun, Ørjan Heimlid Tilgjengelighet: Åpen Hovedveileder: Biveileder: Joachim Lundberg Arve Lorentzen Godkjent for arkivering: Sammendrag Denne rapporten tar for seg håndtering av CO 2. Metodene oxyfuel, pre-combustion og post-combustion for absorpsjon av CO 2 blir omhandlet. Spørsmålet er hvorfor post-combustion er den mest lovende metoden for absorpsjon av CO 2. Gruppa har hentet informasjon fra nettsider som omhandler temaet og kontakter fra Sleipner. Dette har gitt grunnlag til å konkludere med at post- combustion faktisk er den metoden, per i dag, med størst potensial for fangst av CO 2. Dette begrunnes med at post combustion har ca. 4 % høyere virkningsgrad enn det antas de andre metodene vil ha. I tilegg er det kun post combustion som kan monteres direkte på eksisterende anlegg. Dette har ført til mer forskning og større utbredelse av denne metoden. Pre- combustion og Oxyfuel vil generere høyere temperaturer enn dagens brennkammer tåler. Virkningsgraden må derfor senkes for å unngå smelting av kammerene. Vi har i tilegg gjort forsøk på CO 2 - renseanlegget ved HiT. Forsøket beviser at vann kan ta opp CO 2 og hvordan absorpsjonsprosessen fungerer i praksis. TUC takes no responsibility for the results and conclusions in this student journal Faculty of Technology

3 Forord FORORD Gruppa består av 1.semester y-vei studenter på gass og energi. Prosjektet går over høstsemesteret Bakgrunnen for prosjektet var oppgave om CO 2 absorpsjon, som vi fikk utlevert av Joachim Lundberg, se vedlegg A. Det gikk også ut på at vi skulle lære hvordan man jobber med et prosjekt. Vi skulle få bedre kunnskap om alt fra samarbeid, kommunikasjon, planlegging, utførelse og ferdigstilling. Prosjektmetodikk, Norsk kommunikasjon og IKT-verktøy er fagene som inngår i prosjektet. Rapporten er ment lest av personer på samme kunnskapsnivå som gruppemedlemmene. Det første gruppa begynte med var å lage en gruppeavtale for å gi oss regler å følge. Slik at problemer og utfordringer i gruppa ble håndtert på rett måte, se vedlegg B. En målformulering ble utarbeidet ut fra oppgaveteksten, se vedlegg C. Etter målformuleringen var utarbeidet kunne vi utarbeide WBS, se vedlegg D. Ved hjelp av WBS laget vi et Gantt diagram, dette for å kunne ha et tidsperspektiv å følge for å sikre sikker framdrift i prosjektet, se vedlegg E. Vi vil takke Klaus-Joachim Jens for god hjelp og kunnskap om kjemi, ellers takker vi alle som har bidratt med sin kompetanse på dette prosjektet. Gruppa takker også hverandre for godt samarbeid gjennom høsten Grunnen til å fjerne CO 2 fra røykgassen, er at CO 2 er med på å øke drivhuseffekten, dette er antatt en av hovedgrunnene til den globale oppvarmingen av kloden. Det er uvesentlig hvor på kloden utslippet finner sted, men land som Norge med sin verdenskjente oljeutvinning i Nordsjøen er et av de landene som satser store penger på å redusere CO 2 utslipp. F

4 Forord Vi har opprettet en egen web side: Dataverktøy brukt i rapporten: Microsoft office Omni Plan (Gantt) Microsoft Visio(WBS og Blokkdiagram) Text edit (HTML, CSS) GraphicConverter (.gif) Forsidebilde er hentet fra[1] Eriksson, Anette Rønningen, Heidi Thomassen, Magnar Utnes, Anders Vetland, Oliver Peter Balch-Barth Øvstetun, Ørjan Heimlid F

5 Innholdsfortegnelse INNHOLDSFORTEGNELSE Forord...2 Innholdsfortegnelse Innledning Metodene for CO 2 fangst Oxyfuel Kort prosess beskrivelse Luftfraksjonering Fordeler og ulemper med Oxyfuel Kjemisk reaksjoner Tall Data Pre- combustion Kort prosessbeskrivelse: Kjemiske reaksjoner: Fordeler og ulemper Bruksområder Tall data: Post- combustion Kort prosessbeskrivelse: Fordeler og ulemper med Post- Combustion Utdyping om Post-Combustion Aminer: Avfallshåndtering Lagring i vannførende geologiske formasjoner (akviferer) Injisering i petroleumsreservoarer Binding av CO 2 til mineraler Aminer Hvor i Norge brukes denne type anlegg? Fullskala prosjekter i drift Planlagte Anlegg: Lab Rapport CO 2 - renseanlegget ved HIT: Viktige parametere: Beskrivelse av anlegget Forsøksresultater Svar på teorispørsmål Konklusjon for labforsøket: Konklusjon Referanser...27 F

6 Innholdsfortegnelse 7 Vedlegg Vedlegg A: Oppgavetekst Vedlegg B: Fremgangsmåte for forsøket F

7 Innledning 1 INNLEDNING Dette er F1 prosjektet for gruppe 27 høsten Målet med rapporten er å finne ut hvorfor post- combustion i dag er den metoden som har størst potensial til fangst av CO 2. Det var lite kunnskapen om emnet i starten av prosjektet. Prinsippene til Oxyfuel og pre- combustion blir forklart i rapporten. I tilegg vil rapporten gå nærmere inn på CO 2 absorpsjon i et post- combustion anlegg. Dette ville gi en forståelse for hvorfor post- combustion har størst potensial. Med dette blir påstanden bekreftet eller avbekreftet. I tilegg vil rapporten legge frem en dokumentasjon av ett post- combustion anlegg. Et laboratorieforsøk vil bli utført for å se teorien i praksis. Informasjon om emnet blir hentet fra bl.a. internett. I tilegg vil det bli benytte informasjon fra kontaktene Heidi Rønningen har på Sleipner. Ekspertise på Høgskolen i Telemark vil også bli benyttet. Rapporten forklarer i første kapittel hvordan de tre absorpsjons metodene fungerer. I andre kapitel vil det bli gitt en mer detaljert forklaring om post- combustion. Siste kapittel er oppsummering om hvordan lab forsøket gikk. Oppgaveteksten ligger vedlagt se vedlegg A. F

8 Metodene for CO2 fangst 2 METODENE FOR CO 2 FANGST Det er i dag tre kjente metoder for CO 2 fangst. Disse tre vil i denne rapporten bli evaluert opp mot hverandre. To av metodene er fortsatt på forsøksstadiet, Oxyfuel og Pre- combustion. Post- combustion er en velkjent og velutviklet teknologi. 2.1 Oxyfuel Kort prosess beskrivelse. Ideen med Oxyfuel er at man fjerner nitrogenet fra lufta, som brukes i en forbrenningsprosess i et kraftverk. Med denne metoden fjerner man utslipp av NO X fordi man alt har fjernet nitrogenet. Utslippet fra prosessen består av CO 2 og vanndamp. CO 2 -gassen og vanndamp kan lett separeres ved destillasjon pga. forskjellig kokepunkt. CO 2 lagres og slippes ikke ut i atmosfæren. På denne måten oppnås forbrenning i kraftverk med null utslipp av CO 2. I en prosess hvor Oxyfuel brukes, trengs mye ren oksygen. Oksygenet fremstilles i et luftfraksjonerings anlegg, se kapitel Luften består av ca 21 % oksygen, for å skille ut dette kreves mye energi. Avgassen blir nitrogen og noen edelgasser. Det blir omtrent fem ganger så mye N 2 som oksygen. Dette betyr også at gassen som går videre i prosessen er redusert med ca 75 % i både masse og volum[2]. Nitrogenet kan brukes i annen industri. Oksygengassen fra luftseparasjonsanlegget blir blandet ut med resirkulert CO 2 for å redusere og stabilisere temperaturutviklingen. Forbrenning av rent oksygen gir svært høy temperatur og kan føre til smelting av brennkamrene. Avgassene fra et oksygenfyrt anlegg består bare av CO 2 og H 2 O, begge i gassform. For å skille disse, kjøles avgassen til en temperatur hvor H 2 O går over i væskeform og CO 2 forblir i gassform. Noe CO 2 går tilbake i prosessen for å tjene som inertgass, mens resten lagres. NO x dannes primært ved forbrenning ved høye temperaturer. Siden nitrogenet er fjernet før forbrenningen vil det ikke dannes NO x. Teknologien blir brukt i kraftanlegg. For eksempel åpnet svenske Vattenfall et pilotanlegg utenfor Berlin i Tyskland, der Oxyfuel teknologien blir brukt ved kullkraftverket Swhartze Pumpe [3] Luftfraksjonering Et luftfraksjonerings anlegg fungerer ved at man kjøler luft til den blir flytende, dermed kan de forsjellige fraksjonene (stoffene) destilleres ut. Dette er mulig fordi kokepunktene til de forsjellige fraksjonene er ulike. Prosessen er meget energikrevende, da det må drives nødvendige pumper, kompressorer og kjøleanlegg [4]. F

9 Metodene for CO2 fangst Fordeler og ulemper med Oxyfuel Fordeler og ulemper er hentet fra [4] Fordeler: Potensiell høy virkningsgrad, når teknologien blir fullt utviklet. Null utslipp av NO x og CO 2. Potensiell lav kostnad for fjerning av CO 2. Skiller ut reint nitrogen. Massen og volumet av avgassen er redusert med ca 75 %, og utstyret kan reduseres tilsvarende. Brenner ved svært høy temperatur. Varmetap reduseres betraktelig da mindre gass må varmes opp. Ulemper Krever utvikling av mye ny teknologi for å bli konkurransedyktig. Gassen kan brenne varmt nok til å smelte brennkammeret. Det blir dannet mye kondensat i prosessen, grunnen til det er at CO 2 innholdet i dampen gir lavere varmeovergang enn i en ren dampkrets. Det er usikkert om hvor høy virkningsgraden kan bli i et slikt anlegg. Det er fare for antennelse og/eller eksplosjon når oksygen kommer i kontakt med organisk materiale Kjemisk reaksjoner Kjemiske reaksjoner er hentet fra [6] Normal forbrenning av for eksempel metan vil ha store mengder nitrogen med i prosessen. CH 4 + 2(O 2 + 3,76N 2 ) CO 2 + 2H 2 O 7,52N 2 (Små mengder NO X vil også bli dannet) Ved Oxyfuel går oksygenet videre til forbrenning sammen med naturgass CH 4. 2O 2 + CH 4 CO 2 + 2H 2 O Dette driver en gassturbin som produserer strøm. Stoffene man får ut er CO 2 og H 2 O F

10 Metodene for CO2 fangst Tall Data Kostnader: For å skille oksygen fra nitrogen kreves 0,25-0,30 kwh/ Kg O 2 [7] Virkningsgrad: Et oksygenfyrt kraftverk vil kunne få høyere virkningsgrad enn et konvensjonelt anlegg med forbrenning i luft. Luftseparasjonen og kompresjonen senker virkningsgraden med ca. 12 prosentpoeng. Total virkningsgrad på et oksygenfyrt anlegg blir %, med full CO 2 fanging. [7] F

11 Metodene for CO2 fangst 2.2 Pre- combustion Ideen i et pre- combustion anlegg er å skille ut karbonet i forkant av forbrenningsprosessen slik at det under forbrenning ikke blir dannet CO 2. Av fossile brensler i et kraftverk er metan og kull, de mest aktuelle Kort prosessbeskrivelse: Figur 2.2.1(Blokkskjema for pre-combustion) [8] I dampreforming blir CH 4 konvertert til CO og H 2. Metangassen forvarmes og tilføres damp, Dampreforming skjer ved mer enn 700 o C, og er derfor energikrevende. Ved denne temperaturen spaltes metan til CO og H 2. Toverdig jernoksid blir brukt som katalysator. [9] Blandingen av CO og H 2 kalles syntesegass og går videre til en vannskiftreaktor. Reaksjonen i dampreforming er, CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 [10] I vannskiftreaktoren reagerer syntesegassen med vanndamp og danner H 2 og CO 2. Her blir toverdig jernoksid og toverdig kromoksid brukt som katalysator. [9] Gassblandingen av H 2 og CO 2 går videre til absorpsjonsprosessen. F

12 Metodene for CO2 fangst CO + H 2 O CO 2 + H 2 I absorpsjonsprosessen blir CO 2 og H 2 skilt. H 2 blir sendt til brennkammeret og videre til en gassturbin. Avgassene fra dampturbinen blir benyttet til dampproduksjon, for å utnytte energien. CO 2 blir tatt opp i et absorpsjonstårn. Her kan f. eks vann benyttes. Denne metoden blir blant annet brukt i Ammoniakkproduksjonen på Herøya. [9] Vannet kjøres motstrøms H 2 og CO 2 ved et trykk, og tar opp CO 2. Ut av tårnet reduseres trykket av og CO 2 frigjøres fra vannet. CO 2 blir så komprimert og sendt til lagring. Kull må forbehandles i en gassifiseringsprosess. Kullet blir blandet med vann til en slurry, og pumpet inn i en gassifiseringsreaktor med kontrollerte mengder O 2. Temperaturen i gassifiseringsreaktoren er over 700 o C. Den høye temperaturen sammen med lite oksygen fører til at karbonet og hydrogenet gasses av fra kullet og blir syntesegass. [11] Det blir tilført en liten mengde oksygen i gassifiseringreaktoren, for å brenne noe av det organiske materialet. Denne prosessen fører til produksjon av noe CO og CO 2, og er med på å opprettholde temperaturen i reaktoren. Dette fører igjen til at mer av kullet konverteres til karbon og hydrogen. [12] Reaksjonlikning: C + H 2 O CO + H 2 C + O 2 CO 2 Syntese gassen blir så sendt til en vannskiftreaktor. Herfra er prosessen lik som for metan Kjemiske reaksjoner: Konvertering fra naturgass(ch 4 ) til syntesegass (CO og H 2 ). CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Reaksjon fra karbonmonoksid (CO) til (CO 2 ). CO + H 2 O CO 2 + H 2 F

13 Metodene for CO2 fangst Fordeler og ulemper Fordeler og ulemper er hentet fra [13] og [14] Fordeler Teknologien blir alt brukt i ammoniakkproduksjonen. Ingen CO 2 utslipp, siden karbonet er fjernet før forbrenning. CO 2 er enkelt å fjerne før forbrenning, pga det høye trykket i skiftreaktoren. Trykket er ca. 25 bar. [9] Denne teknologien krever liten plass i forhold til andre renseprosesser. Man kan f. eks. ha rensesystemet montert på en bil. Ulemper Er en komplisert prosess, fordi renseanlegget henger tett sammen med kraftverket. Prosessen er dyr og brenselet mister en del av virkningsgraden, fordi det krever mye energi å produsere syntesegass. Lite egnet for eksisterende anlegg, fordi det er komplisert å integrere. Denne prosessen krever forbrenningskammer som tåler høyere temperaturer. Må bygge renseanlegg for NO x gasser og utvikle bedre brennkammer som tåler de høye temperaturene som trengs for å brenne ren H 2. Høy grad av sikkerhet kreves, da hydrogen er meget eksplosiv. Eksplosjonsområdet er 4-74,2 % i blanding med luft. [15] Ved % vil gassen være svært eksplosiv (knallgass). Hydrogen kan hverken luktes eller sees og brenner med usynlig flamme Bruksområder Pre- combustion anlegg eksisterer ikke i dag, men verdens første pilotanlegg for en slik prosess vil stå ferdig første halvdel av Dette anlegget blir bygget i Spania og integreres i et allerede eksisterende kullkraftverk. Anlegget skal fange tonn CO 2 i året. Det er ikke planlagt utbygging til fullskala av dette anlegget, men i Kina er et tilsvarende anlegg i fullskala under planlegging. [16] Tall data: Reformeringsprosessen gjør at brenngassen får % lavere virkningsgrad Total virkningsgrad på et pre- combustion anlegg blir på % [16] F

14 Metodene for CO2 fangst 2.3 Post- combustion Røykgass fra forbrenning av karbonholdige brensler inneholder CO 2. CO 2 fra forbrenningen kan fjernes ved å bruke et absorpsjons middel som binder seg til CO 2 og skiller det fra resten av røykgassen. Dette er en velkjent teknologi som er brukt for fjerning av CO 2 i lang tid. Det første kraftverket med CO 2 rensing var i Lubbock, Texas i En stor fordel med post- combustion er at den kan brukes for alle store utslippskilder av CO 2, både kraftverk og industriprosesser. Det er fullt mulig å ta den i bruk på eksisterende utslippskilder, uten at det er nødvendig med store ombygginger på produksjonsanlegget.[17] Kort prosessbeskrivelse: Renseprosessen skjer ved at røykgassen føres gjennom et tårn (ofte kalt absorber eller scrubber). I tårnet kommer eksosgassen i kontakt med en absorpsjonsvæske. En type er amin løst i vann, dette er også den mest omtalte. Denne væsken vil binde seg til CO 2 fra røykgassen. CO 2 mettet Amin føres over i et nytt tårn, kalt stripper. Her tilføres varme slik at CO 2 blir frigjort fra aminet. Prosessen kalles regenerering. Aminet brukes så om igjen til en ny runde med CO 2 absorpsjon. Aminer binder seg til CO 2 i en svak kjemisk binding. Det finnes også andre teknikker for CO 2 absorpsjon, og for tiden forskes det aktivt på å bruke nedkjølt ammoniakk som erstatning for aminer. De to mest vanlige typene amin er MEA (monoetanolamin) og MDEA(metyldietanolamin). Det er mulig å fjerne så å si all CO 2, men å fange de siste prosentene koster mer energi og penger enn de første. Total virkningsgrad på et Post- combustion anlegg blir på ca 47 til 51 % [17]. F

15 Metodene for CO2 fangst Fordeler og ulemper med Post- Combustion Fordeler: Fordeler og ulemper er hentet fra [18] og [19]. Teknologien har størst bruksanvendelse ved at det kan brukes på mange ulike utslippskilder for CO 2. Anleggene kan installeres på allerede eksisterende utslippskilder, uten at det medfører en stor ombygging av produksjonsanlegget. Produksjonsanlegget påvirkes lite av renseanlegget og aminanlegget. Dette medfører at prosessanlegget kan drives uavhengig av stans på renseanlegget. Har hatt størst utvikling og forskningsfokus internasjonalt i forhold til de andre CO 2 renseprosessene. Relativ enkel drift Ulemper: Krever store og betydelige areal til byggområder m 2 til et kraftverk på MW. Prosessen vil ikke oppnå full CO 2 rensing. Rensegraden ligger på ca %. Avfallet fra et renseanlegg til et kraftverk på 400MW er 90 til 1500 tonn i året. Deriblant 30 til 500 tonn aminer, salt og organisk karbon. Ettermontering vil gi litt dårligere rensing og noe dyrere drift. Ved eventuelle utslipp av rester av amin og/eller forbindelser fra amin i eksosgassen, vil dette medføre lokale negative miljøeffekter Renseprosessen med aminer har vært i bruk i flere tiår. Dette medfører at denne prosessen ikke har samme forbedrings potensial som nye teknologier. F

16 Utdyping om Post-Combustion 3 UTDYPING OM POST-COMBUSTION Et Post- combustion anlegg fjerner CO 2 fra røykgassen til fossile kraftverk, og annen industri etter forbrenning. Et gasskraftverk på 400MW vil ha et ca. utslipp på 1,1 million tonn CO 2 i året. [20] Teknologien er velutviklet gjennom mange tiår og har stor suksess innenfor sine bruksområder. Mengden CO 2 i røykgassen varierer mellom de forskjellige utslippskildene. Røykgassen på Sleipner inneholder 9,2 vol % CO 2, [21] mens røykgassen fra et standard gasskraftverk inneholder 3-5 vol %. Et kullkraftverk har et CO 2 innhold på ca 10 vol % i røykgassen [17]. Hva skjer i et Post- combustion anlegg: Figur 3.1(prinsippskjema over post- combustion) [22] Et post- combustion anlegg består av to delsystemer. Det første er CO 2 - fjerningssystemet der CO 2 blir absorbert fra røykgassen ved hjelp av aminer. Den andre delen av anlegget er amin regenereringssystemet. Aminet blir brukt på nytt, mens CO 2 blir komprimert og lagret. Et slikt anlegg består i grunnprinsippet av pumper, varmevekslere, filter, vifter, absorber og stripper. Anleggene kan ha ulik oppbygning, vi gir derfor en generell beskrivelse. F

17 Utdyping om Post-Combustion Røykgassen fra utslippskilder som gasskraftverk, kullkraftverk, oljeplattformer osv. blir ledet inn i CO 2 fjerningssystemet. Temperaturen på røykgassen er 80 til 100 C med et CO 2 innhold på 3-4 %, avhengig av utslipsskilde [22] For best mulig absorpsjon av CO 2 kjøles røykgassen først til C ved hjelp av vann. [22]. Deretter ledes gassen til en absorpsjonskolonne, ca m. høy med diameter ca m. Se figur 3.1. [22]. Kolonnen er fylt med pakninger som gir stor kontaktflate. Dette bidrar til god kontakt mellom røykgassen og aminblandingen[22]. Vann utgjør ca. 55 vol % og aminet 45 vol % av væskestrømmen, men blandingsforholdet varierer. Det blir også brukt sekundært og tertiært amin, der sekundært utgjør ca 20 % mens tertiært utgjør de resterende 80 % [21]. Aminblandingen kjøres motstrøms røykgassen. Røykgass kjøres inn i bunn og aminløsningen i topp. Absorpsjonen av CO 2 skjer delvis ved fysisk oppløsning og delvis ved kjemisk reaksjon. Reaksjonen er eksoterm, den utvikler varme. Røykgassen har nå blitt renset, slik at kun % av den totale mengden CO 2 slippes ut i atmosfæren. Et vasketårn etter absorpsjonskolonnen renser gassen for aminrester. [22]. Aminblandingen, mettet med CO 2, tas ut i bunn og pumpes med et overtrykk på ca 2bar inn i øvre halvdel, av en utskillingsenhet kalt desorpsjonskolonne. Damp på 120 til C blir tilsatt i bunn. Denne enheten innholder også pakningsmateriale som øker kontaktflaten. Varmen gjør at CO 2 skilles fra aminet og stiger, mens CO 2 fri amin blir tatt ut i bunn og pumpet til absorpsjonskolonnen. CO 2 fri amin blir varmevekslet med CO 2 mettet amin. CO 2 holdig amin blir dermed forvarmet før desorpsjonskolonnen og CO 2 fri amin blir kjølt ned, noe som er energibesparende. Renset amin blir ytterligere kjølt for å oppnå ønsket temperatur før absorpsjonskolonnen. [22]. CO 2 gassen blir komprimert og avkjølt. Etter nedkjøling har gassen ca. 60 bar og 20 0 C. CO 2 er nå flytende. Trykket reduseres til ca bar. En del av CO 2 fordamper og temperaturen i væsken synker. Avdampet CO 2 resirkuleres og komprimeres. Flytende CO 2 er ideell for transport ved 14 til 16 bars trykk og -30 til C [23]. F

18 Utdyping om Post-Combustion 3.1 Aminer: Amin er en funksjonell gruppe organiske forbindelser hvor nitrogen er hovedatom og har et ledig elektronpar. Aminer er en variant av ammoniakkmolekylet NH 3. Denne forbindelsen har også et ledig elektronpar. Til forskjell fra ammoniakk er et eller flere av hydrogenatomene byttet ut med organiske substituenter hos aminer. Disse kan f. eks være alkylgrupper. Det finnes primære, sekundære og tertiære aminer. Eksempel på et primært amin er MEA, Monoetanolamin NH 2 (CH 2 ) 2 OH. Eksempel på sekundært amin BEA, Butyl etanolamin CH 3 (CH 2 ) 3 HN(CH 2 ) 2 OH Eksempel på tertiært MDEA, Metyldietanolamin (C2H4OH) 2 NCH 3 [25] Nitrogenets frie elektronpar og hydrogenbindinger spiller en viktig rolle i prosessen med å reagere aminer med CO 2. Trykk og temperatur spiller også en vesentlig rolle i denne prosessen. Som nevnt er sekundære og tertiære mest brukt. Vi benytter imidlertid primært amin i vår reaksjonsbeskrivelse, fordi denne gir en enkel oversikt over reaksjonen. [24] Figur (reaksjonen mellom amin og CO 2 ) Det er to trinn i prosessen med å skille CO 2 fra røykgass. Første trinn binder CO 2 til aminet og andre trinn skiller CO 2 fra aminet. Reaksjonen mellom aminer og CO 2 er temperaturavhengig og krever lav temperatur. For å skille CO 2 fra aminet tilføres varme for å reversere prosessen. [25] Reaksjonen starter med at karbon binder seg til det ledige elektronparet til nitrogen. Dette skjer fordi karbonet er svakt positivt ladd da elektronene blir trukket mot oksygenatomene i CO 2 forbindelsen. Nitrogenet deler nå sitt ledige elektronpar og nitrogen får som en følge av dette en positiv ladning. Karbonet får nå for mange bindinger og den ene dobbeltbindingen til det ene oksygen brytes. Dette oksygenatomet får nå tre ledige elektronpar og blir negativt ladd. For å stabilisere seg vil et proton fra nitrogen gå over til det negativt ladde oksygenatomet. Det har nå blitt dannet en hydrogenbinding på oksygenet, og molekylet har blitt mer stabilt. Forbindelsen kalles Karbaminsyre. [25] F

19 Utdyping om Post-Combustion Figur (reaksjonen mellom amin og karbamin syre) Karbaminsyren reagerer nå med et nytt aminmolekyl, som er en base, for å oppnå større stabilitet. Det dannes da to forskjellige forbindelser. En syrerest og en baserest. Protonet som dannet enkeltbinding med oksygenet i karbaminsyreforbindelsen vil trekkes mot det ledige elektronparet til nitrogenet i det ureagerte aminmolekylet. Dette fører til dannelse av en ny hydrogenforbindelse i aminet. Oksygenet som ga fra seg protonet har nå et ekstra elektronpar, men vil ikke danne en ny dobbeltbinding da dette fører til for mange elektroner rundt karbonet. Syrerest og baserest er nå stabilisert. [25] Figur (forholdet mellom syre rest, base rest, amin og karbamin syre) Forholdet mellom syre, base, syrerest og baserest er bestemt av en konstant. Konstanten er fast ved gitt trykk og temperatur. Fjernes en del av f. eks basen, vil syre og baserestene reagere tilbake til syre og base til likevekt er oppnådd. Dette prinsippet utnyttes for å skille CO 2 fra amin. Prosessen i første trinn reverseres ved å tilføre varme. Dette fører til at karbaminsyredelen avtar ettersom karbaminsyren splittes tilbake til amin og CO 2. Dette fører igjen til overskudd av base (ureagert amin) i blandingen. For å balansere dette vil nå syre og baserestene reagere tilbake til karbaminsyre og amin. Så lenge det tilføres varme vil denne reverseringsprosessen pågå. På denne måten blir CO 2 skilt fra aminet. [25] F

20 Utdyping om Post-Combustion 3.2 Avfallshåndtering. Flere geologiske formasjoner er egnet til lagring av CO 2. Vannførende geologiske formasjoner og produserende og ikke produserende petroleumsreservoarer. Mineraler kan også benyttes for å binde CO 2.[26] Lagring i vannførende geologiske formasjoner (akviferer) Akviferer er bergartformasjoner under jordoverflaten, fylt med vann. Sandsteinformasjoner fylt med saltholdig vann på mer enn 800 meter er best egnet til CO 2 lagring. Her vil gassen forbli i væskeform pga trykket. [27] Injisering i petroleumsreservoarer I tomme gassfelt kan det injiseres nok CO 2 til at trykket vil øke til hva det var før gassutviklingen startet. Oljefelt definert som tomme kan inneholde % oljevolum igjen, noe som ikke er tilfelle i et gassfelt. Pga. dette kan det deponeres mindre CO 2 i oljefelt enn gassfelt. CO 2 kan også pumpes ned i produserende oljefelt. Man kan dermed få ut mer olje av reservoarene. CO 2 gass vil kunne fortrenge olje i deler av feltet som er vanskelig å nå med andre injeksjonsvæsker.[28] Binding av CO 2 til mineraler CO 2 kan bindes til f eks magnesiumsilikat. Dette vil resultere i dannelse av karbonater som kan lagres over lang tid, og gjøres ved å injisere CO 2 i undergrunnen, hvor de aktuelle mineralene finnes. [29] Aminer I renseprosessen av CO 2 benyttes store mengder aminer. Dette vil resultere i ca 2000 tonn degenerert aminer for et gasskraftverk på 350 MW per år. I tillegg vil prosessen gi opphav til ca 4000 tonn spesialavfall i året [30] F

21 Utdyping om Post-Combustion 3.3 Hvor i Norge brukes denne type anlegg? Fullskala prosjekter i drift. Sleipner: Siden 1996 har Statoil deponert CO 2 i en sandsteinformasjon på m. dyp i Utsiraformasjonen. CO 2 blir separert fra naturgassen som pumpes opp, og deler av den blir pumpet ned i sjøbunnen igjen for lagring. Separasjonen av CO 2 skjer ved post- combustion anlegget på plattformen. Årlig lagres 1 million tonn CO 2 under havbunnen. [31] Snøhvit: På Snøhvitfeltet i Barentshavet blir CO 2 fra gassproduksjonen pumpet ned i havbunnen tonn CO 2 blir årlig lagret i en sandsteinformasjon 2600 m. under havbunnen. Dette er det andre store lagringsprosjektet Statoil har satt i gang. [32] Planlagte Anlegg: Mongstad: Statoil fikk i 2006 konsesjon til å bygge og drive ett kombinert kraft og varmeverk på raffineriet på Mongstad. Kraftverket er planlagt ferdig i Anlegget skal bruke gassen fra Trollfeltet. Statoil søkte om konsesjon til et anlegg uten CO 2 rensing. De ble imidlertid pålagt å utrede CO 2 fangst. I avtalen mellom Statoil og staten, ligger det en forpliktelse til bygging av et pilotanlegg ved oppstarten av gasskraftverket. Fullskala rensing skal etter planen være klart innen Desember 2007 offentliggjorde staten at pilotanlegget er forsinket ett år. [33] Kårstø: Det ble slått fast i Soria-Moria erklæringen i 2005 at det skal bygges CO 2 renseanlegg på Kårstø så snart som mulig. Det opprinnelige målet var innen 2009 men det ble forsinket til 2011/2012. [34] F

22 Lab Rapport 4 LAB RAPPORT 4.1 CO 2 - renseanlegget ved HIT: Anlegget består i hovedsak av disse hovedkomponentene: Destillasjonskolonne med sirkulasjonspumpe og nivåmåling. Tilførsel av springvann med mengdemåler. Friskluft tilførsel med mengderegulering. CO 2 flaske. Gassanalysator. 4.2 Viktige parametere: Temperatur på vannet i kolonnen. Plassert på trykksiden av pumpa. Vannmengden i sirkulasjon. Temperatur på gassen etter rensing. 4.3 Beskrivelse av anlegget Destillasjonskolonnen er forbundet med en beholder. Under beholderen er det en sirkulasjonspumpe. Denne sirkulerer vannet fra beholderen til toppen av kolonnen. Vannmengden i sløyfa reguleres manuelt og justeres etter et rotameter. Det skal være en konstant utskifting av vannet. Dette foregår ved hjelp av en bleed til sluk på trykksiden av pumpen. Etter pumpen er det plassert en temperaturmåler. Lufttilførsel til anlegget kommer fra laboratoriets egen luftkompressor. Luftmengden blir styrt av en automatventil og justeres etter % gjennomstrømning i ledningen. CO 2 blir tilført fra gassflaske og går inn på luftledningen før reguleringsventilen. Luft og CO 2 går sammen inn i kolonnen. Se figur 4.3 F

23 Lab Rapport Figur 4.3 (Prosessflytskjema over test anlegget) 4.4 Forsøksresultater Forsøksresultatene ligger vedlagt i se vedlegg F 3 forsøk ble utført. I hvert forsøk ble det benyttet forskjellig mengde vann, henholdsvis 280 l/h, 240 l/h og 170 l/h. Resultatene ble logget og ført i tabell. Se tabell Ut fra disse resultatene regnet vi ut Ky*a for de forskjellige forsøkene. Se tabell og figur 4.4. F

24 Lab Rapport Parameter Forsøk 1 Forsøk 2 Forsøk 3 Mengde Sirkulerende Vann l/h Mengde gass 5,3 5,3 5,38 % Temperatur på vann inn 9,87 9,83 9,76 C Temperatur på gass ut 11,13 11,24 11,28 C CO 2 trykk kp/cm 2 Luft trykk 0,24 0,24 0,24 kp/cm 2 CO 2 konsentrasjon inn 5,2 4,81 4,67 % CO 2 Konsentrasjon ut 5,83 4,59 4,43 % Rensegrad 7,12 4,57 5,14 % L/G 93,75 80,36 56,92 mol/mol Ng 0,155 0,073 0,203 antall G 0,166 0,166 0,166 kmol/h Ky*a 4,05 1,91 5,31 kmol/m 3 *h Tabell (talldata over forsøkene) kmol/m 3 *h Forsøk 1 4,05 Forsøk 2 1,91 Forsøk 3 5,31 Gjennomsnitt 3, Standardavvik 1, Tabell (resultatene av forsøkene) F

25 Lab Rapport 7 Ky*a 6 Forsøk Gjennomsnitt Forsøk Forsøk Figur 4.4 (resultatene av forsøkene) 4.5 Svar på teorispørsmål. Spørsmål 1: Hva betyr Ky*a? Og hva beskriver denne parameteren? Ky*a Betyr konstanten til vannets evne til å ta opp CO 2 ganget med masseoverføringsarealet. Vi vet ikke nøyaktig arealet til kolona. Derfor inkluderer vi den i parameteren Spørsmål 2: L/G-forholdet beskriver molare strømningsforholdt mellom vesken og gassen i kolonnen. Hva vil påvirkes av endringer i dette? L/G: Forholdet mellom mol vann og mol gass som er brukt i forsøket. 1 gass mol til 93 mol vann. Altså trenger du utrolig mye mengder vann i forhold til gassen.. Hvis vi endrer forholdet mellom vann og gass, vil utskillingsgraden av CO 2 minke dramatisk. ( dette viste også forsøket vårt) F

26 Lab Rapport Spørsmål 3: Hva skyldes den lave rensegraden fra forskjøringen av kolonnen, og hva kan gjøres for å forbedre dette? Grunnet dårlig anlegg ble utskillingsgraden dårlig. ( regulerings ventiler var ikke optimale). Men mest av alt, grunnet at vi ikke hadde trykk i anlegget, og at vi hadde 10 C på vannet, i stedet for å ha det på eks 2 grader. Vi kunne i tilegg ha tilsatt salt eller andre stoffer i vannet, for å øke vannets evne, til å absorbere CO 2. Spørsmål 4: Hva skjer med rensegraden hvis en hever temperaturen i kolonnen? Vi får større utskillingsgrad. Mer CO 2 blir tatt ut av gassen, grunnet at kaldt vann har større evne til å ta opp CO Konklusjon for labforsøket: Vann kan absorbere CO 2, men virkningsgraden i dette anlegget er lav. Dette skyldes lavt trykk i anlegget (atmosfærisk), temperatur i vannet er også for høyt til å få en god absorpsjon (10 C). I tillegg har springvann dårlig evne i seg selv til å absorbere CO 2. F

27 Konklusjon 5 KONKLUSJON Gruppa har gjennom prosjektet bekreftet at Post-combustion har størst potensial for fangst av CO 2. Konklusjonen begrunnes med at Post- combustion har en virkningsgrad på 47-51%. Dette er 3-4 % høyere enn det antas de andre metodene vil ha. I tilegg er Post combustion den eneste metoden som kan monteres direkte på eksisterende anlegg. Dette har ført til mer forskning og større utbredelse av denne type anlegg. Dette er dokumentert på flere nettsider som omhandler temaet. Gruppa har funnet ut prinsippene for de tre metodene: 1. Pre combustion: Omdanne kull og gass til Hydrogen og karbon. Karbonet reageres til CO 2 og skilles ut før forbrenning. Dermed brennes gass som ikke inneholder karbon. 2. Oxy fuel: Bruke reint oksygen som brenngass. Ved forbrenning utvikles CO 2 og vanndamp. Dampen skilles enkelt ut ved kondensering. 3. Post combustion: Fjerne CO 2 fra røykgass etter forbrenning. CO 2 fjernes ved tilsetting av Aminer. CO 2 binder seg til Aminet. Ved tilsetting av varme skilles Amin og CO 2. I lab forsøket fant gruppa ut at vann kan absorbere CO 2, men virkningsgraden vil være lav. Trykk og temperatur har stor betydning for virkningsgraden. F

28 Referanser 6 REFERANSER [1] Siemens.com. <Forfatter ikke oppgitt>. The Carbon Dioxide Capturers". 26/09/ htm [2] Wikipedia.no 25/09/2008. oxy-fuel combustion prosessen () [3] Jannicke Nilsen " starer CO2 rensing av kullkraft" 26/09/ (26/09/2008) [4] gas_oprod (26/09/2008) [5] (25/09/2008) [6] Joachim Lundeberg, 25/09/2008, HiT Porsgrunn, kjemiske reaksjoner Oxyfuel. [7] (25/09/2008) [8] (24/9/2008) [9] Kolbjørn Hovet 25/09/2008, HiT Porsgrunn, damreforming og vannskiftreaktor. [10] (24/9/2008) [11] (24/9/2008) [12] (24/9/2008) [13] (24/9/2008) [14] CONTENT&publish_id=1044&top_publish_id= (24/9/2008) [15] H.K. Abdel-Aala, M. Sadika, M. Bassyounia and M. Shalabib A new approach to utilize Hydrogen as a safe fuel 1 September [16] (24/9/2008) [17] (20/10/2008) [18] T&publish_id=1044&top_publish_id(13/10/2008) F

29 Referanser [19] (15/10/2008) [20] (15/10/2008) [21] Personlig kontakt på Sleipner [22] (6/10/2008) [23] Joachim Lundberg, 24/9/2008, HiT Porsgrunn, komprimere CO 2 for transport og lagring. [24] [25] Klaus-Joachim Jens, 13/10/2008, HiT Porsgrunn, Aminer [26] (13/10/2008) [27] (13/10/2008) [28] (13/10/2008) [29] (13/10/2008) [30] (13/10/2008) [31] Cato Buch Snøhvit. (13/10/2008 [32] Cato Buch Sleipnerfeltet. (13/10/2008) [33] Marius Gjerset Mongstad. (13/10/2008) [34] Marius Gjerset Kårstø. (13/10/2008) F

30 Vedlegg 7 VEDLEGG 7.1 Vedlegg A: Oppgavetekst F1 Prosjekt høsten 2008: PRG106 Prosjektmetodikk og IKT-verktøy Tittel: CO 2 absorpsjon i teori og praksis Prosjekt nummer: F Veileder: Joachim Lundberg Biveileder: Arve Lorentzen Bakgrunn: Slik situasjonen er i dag blir mesteparten av all CO 2 som blir produsert sluppet rett ut i atmosfæren. Det meste av CO 2 som blir produsert er fra forbrenning av fossilt brensel som kull, olje og gass. Norge som land har inngått avtaler som for eksempel Kyoto avtalen som binder oss til å redusere våre klimagass utslipp. Det er for tiden tre ulike metoder for å fange CO 2 fra fossile kraftverk. Dette er oxyfuel, precombustion og post-combustion. Alternativet med post-combustion er for tiden det med størst potensial for å bli brukt til fangst av CO 2 fra fossile kraftverk. Ved Høgskolen i Telemark har det pågått forskning på CO 2 i lengre tid og ønsker å videreutvikle sin kunnskap innen fagfeltet. Det er ved Høgskolen utstyr til å forske på CO 2 fangst som kan disponeres av studentene. Arbeidsoppgaver: 1. Evaluere de forskjellige alternativene oxyfuel, post-combustion og pre-combustion. 2. Beskrive absorpsjon av CO 2 i et post-combustion anlegg. 3. Gjøre forsøk og målinger ved forsøksutstyr på HiT. 4. Evaluere faktorer som vil påvirke en absorpsjonsprosses. F

31 Vedlegg 7.2 Vedlegg B: Gruppeavtale Regler Grupperegler med konsekvenser for Gruppe Komme til tiden, melde fra ved fravær Absorpsjon av CO 2 Høsten Gjøre oppgavene man blir pålagt, så godt man kan 3. Løse konflikter på sak, ikke person og så fort de oppstår 4. Ved møte skal neste møte avtales. Ved forandring skal alle underrettes, og bekrefte at den er mottatt! Konsekvenser ved brudd Om gruppa får et inntrykk av at en person får problem med reglene, gis det advarsel. 1. Første gang: munnlig tilsnakk, fra gruppa formelt 2. Vis ikke bedring: skriftlig advarsel. Her vil da hovedveileder bli kontaktes 3. Etter skriftlig advarsel vil medlemmets plass i gruppa settes stilling til! Eventuelle konsekvenser for deltakerne kan da bli utestenging av gruppe, eventuelt å bytte gruppe hvis hovedveileder ser dette som en forsvarlig handling! Underskrifter fra medlemmer i gruppa Ørjan Øvstetun Heidi Rønningen Anders Utnes. F

32 Vedlegg Oliver Vetland Magnar Thomassen Anette Th.Eriksson.. F

33 Vedlegg 7.3 Vedlegg C: Målformulering Målformulering for gruppe 27, CO 2 absorpsjon høsten 2008 Det er i dag tre metoder til å fjerne CO 2 fra fossile kraftverk. Disse er: Oxy- fuel Pre- combustion Post- combustion Slik situasjonen er i dag blir mesteparten av all CO 2 som blir produsert sluppet rett ut i atmosfæren. Det meste av CO 2 som blir produsert er fra forbrenning av fossilt brensel som kull, olje og gass. Hovedmål: Gruppa har som mål å finne ut hvorfor post- combustion per i dag er den metoden med størst potensial til fangst av CO 2. Delmål: Hvordan skal det oppnås? Lage en kort redegjørelse for hvordan CO 2 fangst i et oxy- fuel, post-combustion og precombustion anlegg fungerer Fordypning i post- combustion anlegg Finne alternative som gir høyest miljøgevinst Fordeler og ulemper ved de forskjellige alternativene Talldata (kostnader, virkningsgrad, effektivitet) Kjemiske reaksjoner Utføre laboratoriums forsøk på HiT for å teste ut CO 2 absorpsjon i praksis. Opprette en egen web-side for prosjektet. F

34 Vedlegg 7.4 Vedlegg D: WBS F

35 Vedlegg 7.5 Vedlegg E: Gantt diagram F

36 Vedlegg 7.6 Vedlegg F: Fremgangsmåte for forsøket. Vi fikk utdelt en oppstartsprosedyre som skulle følges for å få en korrekt oppstart av anlegget. Joachim Lundberg som veileder sjekket tre ting før oppstart. Det måtte åpnes for frisk vann til kloakk, for at vi skulle få en jevnest mulig temperatur i anlegget. Det måtte sjekkes om kompressoren var skrudd på og om trykklufta var fri for olje og vann. Vi sjekket også om det var nok regenerert sicagel. Under forsøket skulle de resultatene vi fikk føres inn i et regneark. Dette regnearket ligger inne på datamaskinen som står ved anlegget og som vi brukte til å styre deler av anlegget. Regnearket beregner rensegraden og Ky a. 1. Logg på datamaskinen ved anlegget. (bruk bare vanlig student nr og passord) 2. Start WinCC. 3. Steng ventil etter pumpa og ut til kloakk. 4. Åpne ventiler fra vannettet og inn på kolonnen. (håndventil og manuell reguleringsventil. 5. Koble til slangen fra CO2-flaska til anlegget. 6. Koble til Silicageltørke på luft inn ved hjelp av hurtigkoblingene. Åpne ventilen på hovedluftrøret. Den er montert før oljeutskilleren. 7. Steng reguleringsventilen for gass inn på kolonnen. Dette gjøres på datamaskinen. 8. Åpne ventiler for instrumentluft på samlestokken på veggen. 9. Påse at det bobler så vidt fra boblerøret i akkumulatortanken. Hvis det ikke gjør det, juster på rotameteret på lufta til boblerøret. 10. Når nivået i tanken viser ca 40 % kan pumpa startes. Påse da at ventiler fra tanken inn på pumpa er åpne. 11. Juster mengden ut av pumpa og inn på kolonnen til maks (ca 300 l/h). 12. Juster reguleringsventilen på friskvann inn til å ligge på ca 80 % av måleområdet til rotameteret. 13. Åpne ventil etter pumpa for vann til kloakk. Denne skal justeres slik at nivået i tanken ligger på ca %. Dette må overvåkes under hele kjøringen!! F

37 Vedlegg 14. Juster mengdemåleren på luft inn til ca 5 %. Dette gjøres ved og manuelt øke ventilåpningen i kontrollpanelet på datamaskinen. NB det er 5 % mengde, ikke 5 % ventilåpning. 15. La anlegget stå og stabilisere seg i ca 30 min. 16. Mens dere venter skal analysatoren kalibreres, dette gjøres på denne måten. Trykk på Meny Velg calibrate med piltastene. Velg Manual Calibration. Velg gruppe [CO, N2O, CO2, O2]. Velg CO2. Velg zero gas. Sett test gas consentration til 0,00. Vent til det har blitt stabile verdier (ca 10 min). Trykk enter. Velg CO2. velg Cal cells. vent til verdien har stabilisert seg (ca 10min). Trykk på MEAS. Koble til analysegass, analysator er nå kalibrert og klar til bruk. 17. Videre kobles analysatoren til anlegget til ved hjelp av den blå slangen. 18. Kontroller at temperaturdifferansen mellom gass ut og vann inn varierer mindre enn 0,5oC per minutt. Hvis den varierer mer, så vent 10 min til og kontroller en gang til. 19. Åpne flaskeventilen på CO2-flaska. Videre justeres arbeidstrykket til 3 bar (ventil foran på klokka). 20. La anlegget stå i ca 15 min. med treveis ventilen i posisjon renset gass (styres fra kontrollpanelet på datamaskinen). 21. Velg forurenset gass på treveisventilen. 22. La anlegget stå slik i noen minutter (minimum 5 min) til konsentrasjonen (i [%]) av CO2 i gasstrømmen inn er stabil. (denne leses av i displayet på analysatoren). 23. Noter ned konsentrasjonen i Excel regnearket i raden forurenset gass inn. Videre skal det byttes om til å analysere på renset gass (velg renset gass i kontrollpanelet på datamaskinen). F

38 Vedlegg 24. Vent i noen minutter til konsentrasjonen av CO2 er stabil (til konsentrasjonen varierer mindre enn 0,01 % per min). Da kan CO2-konsentrasjonen føres inn i Excel regnearket i raden for renset gass ut. 25. Før inn temperatur på gass ut [oc], eksakt mengde vann [l/h] og eksakt mengde gass inn [%]. Hvis det kommer opp numerisk feil i ruta for Ky*a, gå tilbake til punkt Videre stilles vann inn på kolonnen til ca 240 l/h (bruk verdien som står i kontrollpanelet på datamaskinen). Gå tilbake til punkt 21, og gjør samme prosedyre. 27. Gjør det samme for vannmengde på 170 l/h. Nå er forsøket ferdig og resultatene er ført inn i regnearket. Før vi kan forlate anlegget må det stenges av på riktig måte for at det skal bli enklest mulig og starte det opp igjen. Nedkjøringa av anlegget foregår på følgende måte. 1. Steng flaskeventil på CO2-flaska. 2. Steng arbeidstrykksventil på CO2-flaska. 3. Steng hovedluftsventil (den rett ved oljeutskilleren). 4. Steng ventiler til instrumentluft. 5. Stopp sirkulasjonspumpa. 6. Steng hovedventil for friskvann til anlegget. 7. Åpne fullt for vann ut til kloakk. (ventil etter pumpa). 8. Avslutt WinCC på datamaskinen. F