aalto1 untyped-item.component.html
Carbon dioxide capture from flue gases based on calcium-rich ammonium salt solutions: Escape of ammonia vapour and quality of calcium carbonate precipitate
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Ene-47
Degree programme
Language
en
Pages
79 s. + liitt. 2
Series
Abstract
Steel manufacturing accounts for a large share of total anthropogenic CO<sub>2</sub> emissions, as it is highly dependant on coal as its main energy an also raw-material. Mineral carbonation is a carbon dioxide storage method, where CO<sub>2</sub> is reacted with metal-oxide bearing materials to form stable carbonates. A two-stage mineral carbonation method based on steelmaking slags and ammonium salt solutions has been found to have economical potential and clearly negative CO<sub>2</sub> emissions.
The focus of this thesis was to study the carbonation step of this method by investigating experimentally the possible escape of ammonia vapour during the carbonation, the effect of low CO<sub>2</sub> content in the ingoing gas flow on the rate and ratio of CaCO<sub>3</sub> precipitation, and to analyse the quality of the CaCO<sub>3</sub> precipitates. Calcium-rich ammonium nitrate and ammonium chloride solutions used in these experiments were produced from steel converter slag and corresponding aqueous solution of ammonium salt.
Lower carbonation rates, as well as slightly lower calcium conversion ratios and precipitate yields were observed in the experiments, where low CO<sub>2</sub> concentrations were used. However, FTIRS measurements revealed that evaporation of ammonia (0.4 - 1.0 wt-%) during the reaction is quite insignificant despite of the CO<sub>2</sub> content of the gas flow. Of the total amount of solution lost during the reaction (~ 1.2 wt-%) the largest share seemed to be caused by evaporation of water. In the continuous real-scale process these quite small losses should be easily compensated by adding small volumes of ammonia and water into the process after the carbonation step. As long as the sulphur dioxide content does not exceed 200 ppm and CO<sub>2</sub> concentration is at least 10%, flue gases can be used directly in the carbonation, i.e., separate CO<sub>2</sub> capture should not be needed.
All of the formed precipitates consisted of CaCO<sub>3</sub> as calcite. The quality of the precipitates was also found to be high, as their CaCO<sub>3</sub> content was >= 99.5 wt-%, colour was bright white and texture was fine and powdery. To obtain high-quality CaCO<sub>3</sub> with this method, the precipitate resulting from the carbonation step should be washed properly.
Teräksenvalmistus on yksi suurimmista ihmisperäisen hiilidioksidin tuottajista, sillä siinä käytetään paljon hiiltä energian tuottamiseen sekä myös raaka-aineena. Mineraalien karbonointi on menetelmä hiilidioksidin varastointiin, jossa CO<sub>2</sub> reagoi metallioksideja sisältävien materiaalien kanssa muodostaen stabiileja karbonaatteja. Kaksivaiheisella menetelmällä, jossa valmistetaan karbonaatteja teräksenvalmistuksen kuonista ammoniumsuolaliuoksen avulla, on todettu olevan taloudellista potentiaalia sekä selvästi hiilidioksidipäästöjä pienentävä vaikutus.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kokeellisesti ammoniakin haihtumista menetelmän karbonointivaiheessa, sisäänmenevän kaasun alhaisen CO<sub>2</sub> pitoisuuden vaikutusta reaktioaikaan ja karbonointisuhteeseen, sekä analysoida muodostuvien CaCO<sub>3</sub> -sakkojen laatua. Kokeissa käytetyt kalsiumia sisältävät ammoniumnitraatti- ja ammoniumkloridiliuokset valmistettiin teräskuonasta ja vastaavan ammoniumsuolan vesiliuoksesta.
Kokeet, joissa käytettiin alhaisia CO<sub>2</sub> konsentraatioita, johtivat pidempiin reaktioaikoihin, sekä hieman alhaisempiin karbonointisuhteisiin ja sakkasaantoon. Ammoniakin haihtuminen (0,4 - 1,0 wt- %) oli kuitenkin FTIRS-mittausten mukaan melko merkityksetöntä reaktion aikana. Suurin osa kokeen aikana menetetystä liuoksesta (~ 1,2 wt- %) näytti aiheutuvan veden haihtumisesta. Jatkuvatoimisessa prosessissa nämä melko pienet liuoshäviöt pitäisi pystyä helposti korvaamaan lisäämällä pieniä määriä ammoniakkia ja vettä prosessiin karbonointivaiheen jälkeen. Kunhan rikkidioksidin pitoisuus ei yhtä 200 ppm:ää ja CO<sub>2</sub> -konsentraatio on vähintään 10 %, savukaasuja voidaan käyttää suoraan karbonoinnissa ja erilliselle hiilidioksidin talteenotolle ei pitäisi olla tarvetta.
Kaikki muodostuneet sakat sisälsivät CaCO<sub>3</sub>:a kalsiittina. Sakkojen laatu oli myös korkea, sillä niiden CaCO<sub>3</sub> -pitoisuus oli yli 99.5 wt- %. Sakat olivat väriltään kirkkaan valkoisia ja koostumukseltaan hienojakoisia ja jauhemaisia. Korkealaatuisen CaCO<sub>3</sub>:n valmistamiseksi tällä menetelmällä karbonointivaiheesta saatavat sakat pitää myös pestä kunnolla.