Carbon capture integration to steam cracker furnaces : techno-economic evaluation

Abstract

In olefin production, over 90 % of carbon dioxide emissions are related to steam cracking furnaces. Reducing these emissions is major step towards targeting carbon neutrality goals. Various alternatives are currently being studied in order to reduce emissions of the cracking process, of which carbon capture is considered to be one of the potential solutions.

Techno-economic feasibility of carbon capture integration to steam cracking furnaces as a solution for decarbonization of olefin production was evaluated in the thesis using Aspen Plus™ V11 flowsheet simulations and economic evaluation. MEA-based post-combustion process was used to model capture unit. The unit was designed to treat flue gas streams from 10 stream cracking furnace and one hot oil furnace leading to a total annual capacity of about 550 kt CO2. Based on 90% capture efficiency, specific regeneration heat duty of 3.8 GJ/tCO2 was achieved with 99.2% product purity.

A capital investment of 179 M€ and operating costs of 66 M€ were estimated for the carbon recovery unit. Steam was found to have the greatest impact on the feasibility of CO2 capture. 90% of annual operational cost was related to low-pressure steam due to high steam consumption and price. According to the findings, the current steam price renders carbon capture economically unviable. Nevertheless, by implementing effective heat integration with olefin production and considering a rising EU ETS allowance price, there exists potential to enhance the economic viability. The feasibility of full chain carbon capture and storage (CCS) is estimated assuming the transportation and storage take place as part of the Northern Lights project, resulting cost of 133-208 €/tCO2 depending on the cost of low-pressure steam 15-55 €/t.

Yli 90 % olefiinituotannon hiilidioksidipäästöistä syntyy krakkausuuneista. Näiden päästöjen vähentäminen onkin tärkeä askel kohti hiilineutraalisuustavoitteiden saavuttamiseksi. Krakkausprosessin hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi tutkitaan tällä hetkellä erilaisia vaihtoehtoja, joista hiilidioksidin talteenottoa pidetään yhtenä potentiaalisista ratkaisuista.

Hiilidioksidin talteenoton integrointia höyrykrakkausuuneille arvioitiin Aspen Plus™ V11 virtauskaaviosimulaatioiden sekä taloudellisen tarkastelun avulla. Tarkasteltavaksi talteenottoteknologiaksi valittiin polton jälkeinen hiilidioksidin kemiallinen absorptio monoetanoliamiiniin. Talteenottoyksikkö mitoitettiin käsittelemään savukaasut kymmeneltä krakkausuunilta ja yhdeltä kuumaöljyuunilta saavuttaen kokonaiskapasiteetin 550 kt. vuodessa 90%:n talteenotolla saavutettiin 3.8 GJ/tCO2 ominaisregenerointilämpö ja 99.2%:n tuotteen puhtaus.

Talteenottoyksikön investointikustannusten arvioitiin olevan 179M€. Vuosittaiset operointikustannukset olivat 66 M€. Höyryllä havaittiin olevan suurin vaikutus talteenoton kannattavuuteen. Vuosittaisista käyttökustannuksista 90% liittyi matalapainehöyryn suureen kulutukseen ja korkeaan hintaa. Tulosten perusteella talteenotto ei ole taloudellisesti kannattavaa nykyisellä höyrynhinnalla. Kuitenkin tehokkaalla energiaintegroinnilla ja huomioimalla päästöoikeuksien nousevat hinnat, taloudellista kannattavuutta on mahdollista parantaa. Ottamalla huomioon hiilidioksidin kuljetus ja varastointi osana Northern Lights projektia, hinnaksi saatiin 133-208 €/tCO2 riippuen höyryn hinnasta.