Chemical-looping combustion simulation model with Aspen PLUS

Abstract

Global warming is one of the greatest challenges the humanity will face in the coming decades. Greenhouse gases are a major source of global warming and one of them is carbon dioxide, which is the most significant long-living greenhouse gas. Increasingly larger amounts of CO2 are being created in combustion reaction of fossil fuels. Carbon capture and sequestration (CCS) methods are being developed to try and counter the increasing amount of CO2 in the atmosphere. Chemical-looping combustion (CLC) is a rather new technology that has a built-in way to remove carbon dioxide from the flue gases and store it. CLC does not need expensive extra components that lower the efficiency of the power plants to remove carbon dioxide. How CLC differs from conventional power plant process, is the way oxygen is delivered to the combustion. Metallic oxide is circulated between the two reactors and it gives the combustion reaction the oxygen required for the combustion. This thesis will introduce a simulation done with Aspen PLUS to model the process and the heat flows included. The simulation will be validated with values found from literature and tested by changing its parameters.

Ilmastonmuutos ja on yksi isoimmista haasteista jonka ihmiskunta tulee kohtamaan tulevina vuosikymmeninä. Hiilidioksidi (CO2) on merkittävin ihmistoiminnan tuottama kasvihuonekaasu, joka kiihdyttää ilmaston lämpenemistä. Ihmiskunnan teollistumisen jälkeen, CO2-tuotanto on ollut jatkuvassa nousussa fossiilisten polttoaineiden polton takia. Hiilidioksidin talteenotto ja varastointiin (Carbon Capture and Sequestration CCS) liittyviä metodeita yritetään jatkuvasti kehittää, jotta hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää. Hapenkantajapoltto (Chemical-Looping Combustion CLC) on kehityksessä oleva teknologia, joka mahdollistaa hiilidioksidin erotuksen savukaasuista ilman kalliita, kokonaishyötysuhdetta vähentäviä lisälaitteita. CLC poikkeaa perinteisestä voimalaitospoltosta niin, että polttoreaktion happi ei tule ilmasta vaan hapenkantajamolekyylistä. Hapenkantajamolekyylinä käytetään yleensä metallioksidia, jota kuljettaa happea CLC prosessin reaktorista toiseen. Tässä työssä esitellään Aspen PLUS -simulointiohjelmalla simuloitu CLC prosessi, ja perehdytään simulaation energiavirtoihin. Energiavirrat laskemalla voidaan vahvistaa simulaation toimivuus. Lopuksi testataan simulaation toimivuutta vaihdellen sen parametreja.