Evaluation of carbon capture technologies and integration into a pulp mill in Finland

Abstract

The thesis studied different options for integrating carbon capture into pulp mills. Several carbon capture technologies suitable for integration are under development, but commercial technologies still rely on chemical absorption with amines. However, in evaluating these technologies, it was found that amine-based capture is not the best option for integration according to the criteria examined in this work. The analysis identified molten carbonate fuel cells, the calcium looping process, potassium carbonate-based chemical absorption, and adsorption-based technologies as the most promising challengers to amine technology in the future.

The thesis compared HPC and MEA technologies integrated into a pulp mill located in Finland. The integration was assessed using the Aspen Plus modelling software. Integration was analysed for the recovery boiler and lime kiln, the lime kiln alone, and the recovery boiler alone. The results showed that the HPC process is more energy-efficient and cost-effective in all integration cases. Integration also has several impacts on the pulp mill. Changes would likely be needed in the pulp mill's steam network and cooling water circulation system. In addition, when integrated into the recovery boiler, the mill would become a net electricity consumer with both technologies. Also, If the capture technologies only consume steam, utilising all carbon capture potential in the pulp mill would require a new auxiliary boiler or significant savings in steam consumption.

Diplomityössä tutkittiin eri vaihtoehtoja hiilidioksidin talteenoton integroinnille sellutehtaisiin. Tällä hetkellä kehitysvaiheessa integraatioon soveltuvia hiilidioksidin talteenottoteknologiota on useita, mutta kaupalliset teknologiat perustuvat edelleen kemialliseen absorptioon amiineilla. Kuitenkin teknologioiden arvioinnissa huomattiin, että amiineihin perustuva talteenotto ei ole työssä tarkastelluilla kriteereillä paras vaihtoehto integraatiolle. Analyysissä todettiin, että potentiaalisimmat amiiniteknologian haastajat ovat tulevaisuudessa sulakarbonaattipolttokennot, calcium looping -prosessi, kaliumkarbonaattiin perustuva kemiallinen absorptio ja adsorptioon perustuvat teknologiat.

Työssä vertailtiin HPC ja MEA teknologiaa integroituna Suomessa sijaitsevaan sellutehtaaseen Aspen Plus -mallinnusohjelmalla. Integrointikohteet sellutehtaassa olivat soodakattila ja meesauuni, pelkkä meesauuni ja pelkkä soodakattila. Työn tulokset näyttivät, että HPC prosessi on energiatehokkaampi ja kustannuksiltaan edullisempi vaihtoehto kaikissa integrointikohteissa. Integraatiolla on myös useita vaikutuksia sellutehtaaseen. Muutoksia joudutaan todennäköisesti tekemään sellutehtaan höyryverkkoon ja jäähdytysvesikiertoon. Soodakattilan integroinnin myötä tehdas muuttuu molemmilla teknologioilla sähköntuotannon osalta nettokuluttajaksi. Lisäksi jos talteenottoteknologiat kuluttavat pelkästään höyryä, koko hiilidioksidin talteenottopotentiaalin hyödyntäminen sellutehtaalla vaatii uuden apukattilan tai merkittäviä säästöjä höyryn kulutuksessa.