Captured carbon dioxide drying equipment sizing and parametrization

Abstract

Due to the growing need to hinder climate change, methods for carbon dioxide removal from the atmosphere have been developed. This thesis focuses on direct air capture method (DAC) which utilizes adsorption to separate carbon dioxide directly from the ambient air. Along with the carbon dioxide, water is also co-adsorbed to the adsorbent caused by the humidity of air. The water needs to be separated further in the process due to the water vapor capacity limitations of certain process equipment. The product gas contains also other impurities that affect the overall process. Air makes up the majority of the other impurities.

The purpose of this thesis is to measure and analyse the amount of co-adsorbed water and residual air in the DAC product gas stream. The goal is to propose a new drying unit to be integrated into a DAC process based on the measurements. In the literature part, methods for drying the product gas are explored. This literature review also covers the basis, commercially deployed technologies and future prospects of direct air capture.

In the applied part, product gas properties and humidity were measured in a Soletair Power Oy DAC test rig. The water content of the product gas before drying is about 86 mol%. The test rig includes a drying unit for the product gas and its functionality under vacuum is evaluated based on the test results. The system flow rates are estimated by calculations, since accurate flow gauge is not available. It is noted that the pressure level in the system has a significant influence on the drying efficiency. Two plate heat exchangers are sized and proposed to replace the existing drying unit. The effect of air is also analysed with a simulation, and it is found that, the presence of impurities other than water vapor, reduces the efficiency of the drying process.

Yhä kasvava tarve hillitä ilmastonmuutosta on johtanut erilaisiin menetelmiin hiilidioksidin poistamiseksi ilmakehästä. Tässä työssä keskitytään menetelmään, jossa hiilidioksidia erotetaan suoraan ilmasta adsorboimalla (DAC, Direct air capture). Hiilidioksidin ohella adsorbenttiin sitoutuu ilmankosteuden takia myös vesihöyryä, joka on poistettava tuotekaasusta tiettyjen prosessilaitteiden rajoitetun vesihöyrykapasiteetin vuoksi. Tuotekaasun eli hiilidioksidin seassa on myös muita siihen vaikuttavia epäpuhtauksia, joista suurinosa on ilmaa.

Tämän työn tarkoituksena oli mitata ja analysoida veden, sekä ilman osuutta tuotekaasuvirrassa. Tavoitteena oli näiden tulosten perusteella mitoittaa olemassa olevaan DAC-prosessiin integroitava tuotekaasun kuivauslaitteisto. Tämän työn kirjallisuuskatsauksessa tutkitaan tuotekaasun eri kuivausmenetelmiä. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi myös teoriaa hiilidioksidin suorasta talteenotosta, kaupallistettuja teknologioita, sekä tulevaisuuden näkymiä.

Kokeellisessa osuudessa suoritettiin tuotekaasun koostumus- ja kosteusmittaukset Soletair Power Oy DAC-testilaitteistolla. Tuotekaasun vesipitoisuus ennen kuivausta oli noin 86 mol%. Testilaitteistossa on itegroituna kaasun kuivauslaitteisto, jonka toimintaa alipaineessa arvioitiin testitulosten perusteella. Systeemin virtausmääriä arvioitiin laskennallisesti, sillä tarkkaa virtausmittausta ei ollut saatavilla. Havaittiin, että systeemin painetaso vaikuttaa merkittävästi kuivauksen tehokkuuteen. Työssä mitoitettiin kaksi levylämmönvaihdinta, jotka ehdotetaan korvaamaan aikaisemmin käytetty kuivauslaitteisto. Myös ilman vaikutusta kuivausprosessiin analysoitiin simuloimalla ja huomattiin, että muiden epäpuhtauksien määrä tuotevirrassa vaikuttaa kuivauslaitteiston toimintaan.