Oxy-fuel combustion in BFB boiler : concept development
Fabritius, Julia (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023072590949
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023072590949
Tiivistelmä
Energy system transition towards zero-emission production demands action in all fronts. Biogenic carbon capture and utilization with integration to power-to-X technologies provides an opportunity to remove carbon from fast carbon cycle and to substitute fossil-based feedstock and fuels in industry and transportation with synthesis products.
In this work, a concept for oxy-fuel BFB boiler as part of e-methanol plant is developed. To achieve numerical values for engineering and sub-system design, balance of plant calculation tool for boiler sizing is constituted. Calculation tool covers all main parts of e methanol plant, including electrolyser, BFB boiler, compression and purification unit for carbon capture, and methanol synthesis process. The main substance and energy flows of plant are identified. Balance of plant calculations are based on electrolyser hydrogen production rate, which defines the dimensioning of all the other parts of the plant. Boiler sizing is based on boiler carbon dioxide production rate, as boiler primarily provides feedstock for synthesis process. Carbon capture unit capacity is defined by synthesis process carbon dioxide demand, and synthesis process is dimensioned in a way that its production rate is defined by available hydrogen.
Calculations reveal that plant excess heat production is significantly higher than that of internal consumption, which demands heat sink. Excess heat is in high temperature. The internal electricity demand is high, which combined with electricity price fluctuation demands flexibility from process. This can be overcome by utilization of interim storages. Energiajärjestelmän siirtymä kohti päästötöntä maailmaa vaatii toimia kaikillla tahoilla. Hiilidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen biogeenisistä lähteistä osana power-to-X prosessia mahdollistaa hiilen talteenoton nopeasta kierrosta ja fossiilisten raaka-aineiden sekä polttoaineiden korvaamisen teollisuudessa ja liikenteessä synteesiprosessin tuotteilla.
Tässä työssä on kehitetty konsepti happipolttoprosessille kuplapetikattilassa osana e metanolilaitosta. Konseptisuunnitteluvaiheessa taselaskentatyökalu kattilan koon arviointiin on kehitetty. Taselaskentatyökalu kattaa kaikki laitoksen pääprosessit, mukaan lukien elektrolyyserin, kuplapetikattilan, hiilidioksidin talteenottoon komprimointi- ja puhdistusyksikkö sekä metanolisynteesiprosessi. Laitoksen aine- ja energiavirrat on määritetty. Taselaskelmien alkuarvo on elektrolyyserin vedyntuotantokapasiteetti, mikä määrittää kaikkien muiden prosessien mitoituksen. Kattilan mitoitus perustuu hiilidioksidintuotantoon, ja kattila mielletään pääasiassa metanoliprosessin raaka-aineen tuottajaksi. Hiilidioksidin talteenottoyksikön kapasiteetti määritetään synteesiprosessin hiilidioksidintarpeen mukaan, ja synteesiprosessin tuotanto määräytyy käytettävissä olevan vedyn mukaan.
Taselaskelmista huomataan, että laitoksen hukkalämpöteho on merkittävästi suurempi kuin sisäinen lämmöntarve. Prosessien jäähdytystarve on suuri, ja lämpö on korkeassa lämpötilassa. Sähkönkulutus on myös suurta, mikä yhdistettynä sähkönhinnan vaihteluihin vaatii prosessilta joustavuutta. Välivarastojen hyödyntäminen on yksi tapa lisätä sitä.
In this work, a concept for oxy-fuel BFB boiler as part of e-methanol plant is developed. To achieve numerical values for engineering and sub-system design, balance of plant calculation tool for boiler sizing is constituted. Calculation tool covers all main parts of e methanol plant, including electrolyser, BFB boiler, compression and purification unit for carbon capture, and methanol synthesis process. The main substance and energy flows of plant are identified. Balance of plant calculations are based on electrolyser hydrogen production rate, which defines the dimensioning of all the other parts of the plant. Boiler sizing is based on boiler carbon dioxide production rate, as boiler primarily provides feedstock for synthesis process. Carbon capture unit capacity is defined by synthesis process carbon dioxide demand, and synthesis process is dimensioned in a way that its production rate is defined by available hydrogen.
Calculations reveal that plant excess heat production is significantly higher than that of internal consumption, which demands heat sink. Excess heat is in high temperature. The internal electricity demand is high, which combined with electricity price fluctuation demands flexibility from process. This can be overcome by utilization of interim storages.
Tässä työssä on kehitetty konsepti happipolttoprosessille kuplapetikattilassa osana e metanolilaitosta. Konseptisuunnitteluvaiheessa taselaskentatyökalu kattilan koon arviointiin on kehitetty. Taselaskentatyökalu kattaa kaikki laitoksen pääprosessit, mukaan lukien elektrolyyserin, kuplapetikattilan, hiilidioksidin talteenottoon komprimointi- ja puhdistusyksikkö sekä metanolisynteesiprosessi. Laitoksen aine- ja energiavirrat on määritetty. Taselaskelmien alkuarvo on elektrolyyserin vedyntuotantokapasiteetti, mikä määrittää kaikkien muiden prosessien mitoituksen. Kattilan mitoitus perustuu hiilidioksidintuotantoon, ja kattila mielletään pääasiassa metanoliprosessin raaka-aineen tuottajaksi. Hiilidioksidin talteenottoyksikön kapasiteetti määritetään synteesiprosessin hiilidioksidintarpeen mukaan, ja synteesiprosessin tuotanto määräytyy käytettävissä olevan vedyn mukaan.
Taselaskelmista huomataan, että laitoksen hukkalämpöteho on merkittävästi suurempi kuin sisäinen lämmöntarve. Prosessien jäähdytystarve on suuri, ja lämpö on korkeassa lämpötilassa. Sähkönkulutus on myös suurta, mikä yhdistettynä sähkönhinnan vaihteluihin vaatii prosessilta joustavuutta. Välivarastojen hyödyntäminen on yksi tapa lisätä sitä.