Evaluation of carbon capture with hot potassium carbonate process

Abstract

Carbon capture has been recognized as one of the key elements of the future’s sustainable energy production system. The largest carbon dioxide emitting sector, energy production, needs efficient and feasible carbon capture technologies. Hot potassium carbonate (HPC) process is a chemical absorption-based carbon capture technology, using potassium carbonate solvent. Its advantages are cheap solvent, low regeneration energy and non-toxicity, but it suffers from poor capturing efficiency with low CO₂ concentration flue gas. The technology has been utilized in gas industry carbon capture for over 70 years and now its performance for power plant carbon capture is evaluated.

In this thesis, a HPC simulation model is created with Aspen Plus for Sumitomo SHI FW Oy to evaluate its performance when applied to power plant carbon capture. The key performance indicators are capturing efficiency and specific energy demand. First, carbon capture configurations and technologies are introduced with the focus on HPC. Performance promoting modifications for HPC configuration are introduced and utilized in described simulation model creation process. In the first phase of simulation, multiple key design parameters are varied to find out their effect on the capturing process. Based on the results of the first phase, design parameters are chosen for the second phase of simulation, in which optimized final model is simulated. Finally, results and model development are discussed.

The simulation model was found to be an effective tool for preliminary evaluation of the technology. The performance was evaluated to be competitive with power plant flue gases. The introduced process modifications proved to improve both key performance indicators significantly, especially specific energy demand. Despite the satisfactory results, further development of the model was stated to be essential for the professional use in the future.

Hiilidioksidin talteenotto on nimetty yhdeksi tärkeimmistä tekniikoista tulevaisuuden kestävässä energiantuotantojärjestelmässä. Energiantuotanto on suurin yksittäinen päästöjen tuottaja maailmassa ja tarvitsee siksi tehokkaita ja toteuttamiskelpoisia hiilidioksidin talteenottotekniikoita. Kuuma kaliumkarbonaattiprosessi (HPC) on kemiallinen absorptiopohjainen hiilidioksidin talteenottotekniikka. Sen etuja ovat liuoksen edullisuus, vähäinen energiantarve regeneroinnissa ja myrkyttömyys, mutta sen talteenottohyötysuhde on heikko. Tekniikkaa on käytetty kaasuteollisuudessa jo yli 70 vuoden ajan, mutta nyt sen suorituskyky arvioidaan voimalaitosten hiilidioksidin talteenottotekniikkana.

Tässä työssä luodaan HPC-simulaatiomalli Aspen Plus -ohjelmalla Sumitomo SHI FW Oy:lle, jolla arvioidaan tekniikan suorituskyky voimalaitosolosuhteissa. Suorituskykymittareina toimivat talteenottohyötysuhde sekä ominaisenergiantarve. Aluksi hiilidioksidin talteenottokokoonpanot ja -tekniikat esitellään keskittyen HPC-tekniikkaan. Suorituskykyä parantavat muutokset esitellään sekä sisällytetään malliin samalla kun sen luomisprosessi kuvataan. Simulaation ensimmäisessä vaiheessa selvitetään suunnitteluarvojen vaikutus prosessin toimintaan arvoja muuttamalla. Toisen vaiheen suunnitteluarvot valitaan ensimmäisen vaiheen tuloksiin perustuen ja optimoitu malli simuloidaan. Lopuksi käsitellään simulaation tulokset sekä mallin jatkokehityskohteet.

Simulaatiomalli osoittautui tehokkaaksi työkaluksi arvioida tekniikan suorituskykyä. Suorituskyky arvioitiin kilpailukykyiseksi myös voimalaitosten savukaasuilla. Suorituskykyä parantavat muutokset näkyivät etenkin ominaisenergiantarpeen vähenemisenä. Hyviin tuloksiin pääsemisestä huolimatta mallin jatkokehityksen todettiin olevan välttämätöntä sen tullessa yrityksen käyttöön tulevaisuudessa.