Application of calcium looping process using circulating fluidized bed technology for decarbonization of Waste-to-Energy plants : process modeling of a tail-end calcium looping process with Aspen Plus
Hallikainen, Tiia (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231124149231
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231124149231
Tiivistelmä
Reduction in fossil CO2 emission is necessary to limit global warming. Integrating carbon capture and storage (CCS) technology into Waste-to-Energy (WtE) plants presents a way to reduce fossil CO2 emissions or even create a net negative impact, thanks to the biogenic fraction in municipal solid waste (MSW). One suitable carbon capture process for WtE plants is calcium looping (CaL), which captures CO2 from flue gases through cyclic reactions involving a limestone-based sorbent.
In this thesis, the application of CaL to decarbonize a WtE plant was investigated. The heat integration opportunities and energy penalty of the CaL process were examined via literature review. Heat and mass balances of CaL, the effect of CaL on the CO2 emissions, and the effect of different calciner fuels, namely bio-pellets, wood residue, and solid recovered fuel (SRF), on process performance were evaluated based on a tail-end CaL process simulation model created in Aspen Plus.
It was noticed that implementing CaL into a WtE plant results in net negative CO2 emissions with all the alternative calciner fuels that were examined. The energy penalty of the CaL may be reduced through heat integration into the host WtE plant, accomplished using external superheating or reheating. Among the alternative calciner fuels, the highest net power output for the CaL system was achieved when firing SRF in the calciner. Fossiilisten hiilidioksidipäästöjen vähentäminen on välttämätöntä ilmaston lämpenemisen rajoittamiseksi. Integroimalla hiilidioksidin talteenotto ja varastointi jätteenpolttolaitokseen voidaan fossiilisia hiilidioksidipäästöjä vähentää tai saavuttaa negatiiviset päästöt, sillä yhdyskuntajäte on osittain biogeenista. Yksi soveltuva hiilidioksidin talteenottomenetelmä jätteenpolttolaitoksille on calcium looping (CaL), jonka hiilidioksidin talteenotto savukaasuista perustuu kalkkikivipohjaisen sorbentin syklisiin reaktiohin.
Tässä työssä tutkittiin CaL prosessin soveltamista jätteenpolttolaitoksen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. CaL:n lämpöintegrointia sekä energiahäviötä tutkittiin kirjallisuuskatsauksessa. CaL prosessin lämpö- ja massataseita, vaikutusta hiilidioksidipäästöihin ja kalsinointireaktorissa käytettävien polttoaineiden vaikutusta prosessin suorituskykyyn tutkittiin Aspen Plus ohjelmalla luodun loppupään CaL prosessin simulointimallin avulla. Polttoaineet, joita simuloinneissa käytettiin olivat biopelletit, puujäte ja kiinteä kierrätyspolttoaine (SRF).
Työssä havaittiin, että CaL prosessin integroiminen jätteenpolttolaitokseen mahdollistaa negatiivisen päästövaikutuksen jokaisella simuloidulla polttoaineella. CaL:n aiheuttamaa energiahäviöitä voidaan minimoida lämpöintegroinnilla jätteenpolttolaitokseen ulkoisen tulistuksen tai uudelleen tulistuksen avulla. Suurin nettoteho CaL prosessista saavutettiin, kun SRF polttoainetta poltettiin kalsinointireaktorissa.
In this thesis, the application of CaL to decarbonize a WtE plant was investigated. The heat integration opportunities and energy penalty of the CaL process were examined via literature review. Heat and mass balances of CaL, the effect of CaL on the CO2 emissions, and the effect of different calciner fuels, namely bio-pellets, wood residue, and solid recovered fuel (SRF), on process performance were evaluated based on a tail-end CaL process simulation model created in Aspen Plus.
It was noticed that implementing CaL into a WtE plant results in net negative CO2 emissions with all the alternative calciner fuels that were examined. The energy penalty of the CaL may be reduced through heat integration into the host WtE plant, accomplished using external superheating or reheating. Among the alternative calciner fuels, the highest net power output for the CaL system was achieved when firing SRF in the calciner.
Tässä työssä tutkittiin CaL prosessin soveltamista jätteenpolttolaitoksen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. CaL:n lämpöintegrointia sekä energiahäviötä tutkittiin kirjallisuuskatsauksessa. CaL prosessin lämpö- ja massataseita, vaikutusta hiilidioksidipäästöihin ja kalsinointireaktorissa käytettävien polttoaineiden vaikutusta prosessin suorituskykyyn tutkittiin Aspen Plus ohjelmalla luodun loppupään CaL prosessin simulointimallin avulla. Polttoaineet, joita simuloinneissa käytettiin olivat biopelletit, puujäte ja kiinteä kierrätyspolttoaine (SRF).
Työssä havaittiin, että CaL prosessin integroiminen jätteenpolttolaitokseen mahdollistaa negatiivisen päästövaikutuksen jokaisella simuloidulla polttoaineella. CaL:n aiheuttamaa energiahäviöitä voidaan minimoida lämpöintegroinnilla jätteenpolttolaitokseen ulkoisen tulistuksen tai uudelleen tulistuksen avulla. Suurin nettoteho CaL prosessista saavutettiin, kun SRF polttoainetta poltettiin kalsinointireaktorissa.