Operation and simulation of a technical-scale plant for CO2 capture via chemical absorption in a packed column

Abstract

Die Abscheidung und Speicherung von CO2 (CCS) aus Verbrennungsprozessen ist in den letzten Jahrzehnten eine akzeptable Lösung geworden, um die Menge der atmosphärischen Emissionen zu verringern. Post-Combustion-Verfahren für die CO2-Abscheidung gelten derzeit als eine Spitzentechnologie in diesem Bereich, besonders die chemische Absorption mit Amin-Lösungen ist eine der höchstentwickelten Techniken bis heute. Der Betrieb einer Pilotanlage (ABIGAIL - Aminosäuresalzlösungen zur Biogas Aufbereitung mit innovativer Lösungsmittelregeneration) zur CO2-Abscheidung mit MEA (Monoethanolamin) -Lösungen und Dampfregeneration wurde im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführt, simuliert und optimiert. Zunächst wurde eine erste Versuchskampagne durchgeführt, um die vorläufigen Parameter und Betriebsbedingungen zu sammeln. Anschließend wurde in Aspen Plus V8.6® eine Prozesssimulation entwickelt, die die gleichen Betriebsbedingungen und Sensitivitätsanalysen der wichtigsten Variablen und deren Auswirkungen auf die CO2-Abscheidung beinhaltet. Dann wurde der Prozess in Aspen Plus V8.6® optimiert. wobei die Kostenminimierung die Zielfunktion ist. Im Anschluss wurde eine Verbesserung des Wärmetauschnetzes mit Hilfe der HENS-Analyse im Aspen Energy Analyzer V8.6TM konzipiert. Abschließend wurde eine zweite Reihe von Experimenten durchgeführt, die die optimalen Betriebsbedingungen umsetzte. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Simulationen verglichen, wobei ein Gesamtkorrelationsindex von 97.5% aufgezeigt werden konnte. Es konnte gesehen werden, dass das L/G-Verhältnis und die Lösungsmitteleintrittstemperatur die am meisten beeinflussenden Variablen im Betrieb des Absorbers sind, während der Druck im Stripper ist. Eine Kombination von L/G gleich 5.5 l/m3, 37ºC Einlasstemperatur und 2 bar im Desorberdruck stellte eine erhebliche Minimierung der Betriebskosten von 14.23 €/day dar, ohne den erforderlichen CO2-Abscheidungsprozess erheblich zu beeinflussen. Eine mögliche Wärmerückgewinnungskonfiguration für die aktuelle Pilotanlage wurden konzipiert und 309 kJ/h konnten in zusätzlichen Versorgungseinrichtungen eingespart werden.

Capture and storage of CO2 from combustion processes (CCS) has become in the last few decades an acceptable solution to diminish the amount of greenhouse gases emitted to the atmosphere. Post-combustion processes for CO2 capture are currently a leading-edge technology in the field, being the chemical absorption with amine solutions one of the most enhanced developments up to the date. The strip-steam operation of a pilot plant (ABIGAIL – Aminosäuresalzlösungen zur Biogas Aufbereitung mit innovativer Lösungsmittelregeneration, in its German acronym) for the CO2 capture with MEA (Monoethanolamine) solutions was conducted, simulated and optimized in the frame of this research. A first experimental campaign was initially carried out to gather the preliminary parameters and operation conditions. Subsequently, a process simulation was developed in Aspen Plus V8.6®, featuring the same operational conditions and sensitivity analyzes of the most relevant variables and its effects on the CO2 capture. Afterwards, the process was optimized with Aspen Plus V8.6®, being the cost minimization the objective function. Consecutively, an improvement of the heat-exchange network was conceived using HENS analysis in the Aspen Energy Analyzer V8.6TM. Finally, a second set of experiments was performed featuring the simulated optimal conditions. The experimental results were compared to the simulations, showing an overall 97.5% correlation index. It could be seen that the L/G ratio and the inlet temperature are the most influencing variables in the operation of the absorber, whereas the reflux-ratio in the stripper. A combination of L/G equals to 5.5 l/m3, 37ºC inlet temperature and minimization of the operational cost of 14.23 €/day without affecting considerably the required CO2 capture process. One possible heat-recovery configurations for the current pilot plant were conceived and 309 kJ/h could be saved in additional utilities.