CO₂ processing after carbon capture : modelling and techno-economic assessment of a CO₂ processing unit after hot potassium carbonate process

Abstract

This thesis studied technologies for processing CO₂ from post-combustion and oxy-fuel combustion sources. Processing of CO₂ includes compression, dehydration, purification and liquefaction. It was found that a wide range of technologies may be utilized for all the process steps, depending on the CO₂ composition and requirements. For compression and dehydration, multi-stage centrifugal compressors and temperature swing adsorption were found to be the most common. Closed-cycle liquefaction was found to be slightly more economical than open-cycle options. The main impurities of concern in the CO₂ were found to be non-condensable gases, acid gases, heavy metals, and dust. For removal of non-condensables and mercury, cryogenic distillation and fixed bed adsorption were the common technologies. For acid gas removal, several different options were proposed, with no clear preferred technology.

A CPU configuration after a HPC carbon capture system was presented and modelled. The performance of the CPU was found to vary greatly depending on the purity of the captured CO₂. Especially the performance of the refrigeration and cryogenic distillation systems was found to decrease at high non-condensable gas contents. The CPU recovery ratio was found to be in the range of 93.2-99.5 %, and electricity consumption between 129 and 161 kWh/tonCO₂ . A techno-economic assessment of the modelled system was performed. The levelized cost of the CO₂ was found to be between 21.8-31.3 C/tonCO₂ . Major contributors to electricity consumption and capital expenses were found to be the compression and refrigeration systems.

Diplomityössä tutkittiin hiilidioksidin käsittelyä happipolton ja polton jälkeisen talteenoton jälkeen. Hiilidioksidin käsittely sisältää paineistuksen, kuivatuksen, puhdistuksen ja nesteytyksen. Selvisi, että prosessivaiheiden toteuttamiseen on olemassa useita eri teknologioita riippuen hiilidioksidin koostumuksesta ja vaatimuksista. Paineistukseen sekä kuivatukseen yleisimmät vaihtoehdot ovat monivaiheinen keskipakokompressori ja lämpötilan muutokseen perustuva adsorptio. Suljetun nesteytysjärjestelmän havaittiin olevan taloudellisesti hieman kannattavampi verrattuna avoimeen järjestelmään. Hiilidioksidin tärkeimmät epäpuhtaudet olivat lauhtumattomat kaasut, happamat kaasut, raskasmetallit ja tuhka. Yleisimmät teknologiat lauhtumattomien kaasujen ja elohopean puhdistukseen havaittiin olevan kryogeeninen tislaus ja kiintopetiadsorptio. Happamien kaasujen puhdistukseen löytyi useita eri vaihtoehtoja ilman selkeää ensisijaista teknologiaa.

HPC talteenoton jälkeinen CPU konfiguraatio esitettiin ja mallinnettiin. CPU prosessin suorituskyvyn havaittiin vaihtelevan merkittävästi riippuen hiilidioksidin puhtaudesta. Etenkin kylmäkierron ja kryogeenisen tislauksen suorituskyvyn huomattiin laskevan merkittävästi korkeilla lauhtumattomien kaasujen pitoisuuksilla. CPU prosessin saantosuhteeksi saatiin 93,2-99,5%ja sähkönkulutukseksi 129-161 kWh/tonCO₂ . Mallinnetulle järjestelmälle tehtiin teknistaloudellinen arviointi. Hiilidioksidin tasoitetuksi hinnaksi saatiin 21,8-31,3 C/tonCO₂ . Sähkönkulutuksen ja pääomakustannuksen merkittävimmiksi aiheuttajiksi havaittiin paineistus ja kylmäkierto.