Development and application of calculation tool for performance evaluation of calcium looping pilot plant

Abstract

Global greenhouse gas (GHG) emissions reached an all-time high of 57.1 GtCO2e in the year 2023. The Paris Agreement takes action to limit the GHG emissions and global warming by a set of goals, laws and legislations. These incentivise development and deployment of technologies such as carbon capture, which is a crucial technology as nearly 70 % of GHG emissions consist purely of CO2. Calcium looping (CaL) is a promising carbon capture technology that utilizes the reversible carbonation reaction of lime in a cyclic system to capture CO2 from flue gases.

The objective of the thesis was to develop a calculation tool in MS Excel with macros written in Visual Basic for Applications and apply it to the experimental data from the La Pereda CaL pilot plant. The tool was used to solve the material and heat balances and obtain derived process parameters, as well as CaL specific key performance indicators for all relevant time intervals. The tool is related to scaling up of the CaL process and was therefore structured to facilitate future changes.

The development and application of the tool were successful, as the results were logical and in-line with those shown in previous studies. The main shortcomings in the tool arose from the accuracy of reactions and species-specific material imbalances both of which can be explained by the accuracy of measurements. The experiment examined in the thesis indicates that the plant was performing well, the material and heat balances for the entire unit were solved, and the derived KPIs are in line and greatly enhance the current state-of-the-art.

Kasvihuonekaasupäästöt kasvoivat kaikkien aikojen ennätykseen vuonna 2023 saavuttaessaan 57,1 GtCO2e. Pariisin ilmastosopimuksen tavoitteena on rajoittaa näitä päästöjä sekä niiden aiheuttamaa ilmaston lämpenemistä lakien ja säädösten avulla. Nämä kannustavat teknologioiden, kuten hiilidioksidin talteenoton kehitystä ja käyttöönottoa. Hiilidioksidin talteenotto on erittäin tärkeä teknologia, sillä lähes 70 % kaikista päästöistä koostuu yksinomaan hiilidioksidista. Kalkkikiertoprosessi on lupaava hiilidioksidin talteenottomenelmä, joka hyödyntää kalkin reversiibeliä karbonoitumisreaktiota syklisessä prosessissa hiilidioksidin poistamiseen savukaasuista.

Työn tavoite oli kehittää laskentatyökalu MS Exceliä sekä Visual Basic for Applications makroja käyttäen ja soveltaa työkalua kalkkikiertoprosessin pilottilaitoksen kokeelliseen dataan. Luotu työkalu ratkaisee laitoksen energia- ja massataseen sekä laskee johdettuja prosessiparametrejä ja suorituskyvyn indikaattoreita valituille aikajaksoille. Työkalu liittyy teknologian mittakaavan kasvattamiseen teolliseen kokoluokkaan ja luotiin siksi helposti muokattavaksi.

Työkalun kehitys ja soveltaminen olivat onnistuneita, sillä tulokset olivat loogisia ja noudattivat aikaisempia tutkimuksia. Suurimmat puutteet työkalussa liittyivät reaktioiden tarkkuuteen ja ainekohtaisiin massataseisiin, joihin molempiin vaikuttivat mittausdatan tarkkuus. Työssä tarkasteltu laitoksen koeajo osoittaa, että laitos toimi koeajon aikana odotetusti. Saadut tulokset auttavat merkittävästi teknologian jatkokehittämisessä.