Carbon dioxide capture from gas stream sources with a novel water circulation-based method : verification, validation, and optimization of a simulation model of the process method

Abstract

Abstract

This dissertation has investigated the competitiveness of a novel water circulation-based CO2-capture method to separate carbon dioxide from different industrial gas streams to be further utilized for its many purposes in industry. Based on the experimental results, enhancing the absorption stage with post-desorption significantly improves the efficiency of carbon dioxide capture in the method. This also reduces its specific energy consumption to close to the level of the amine method, but without harmful chemicals to the environment and health. In addition, in many cases the process captured carbon dioxide gas can be better utilized in various industrial applications due to its purity. The capture method is well suited for capturing carbon dioxide from normal flue and process gases containing more than 10% carbon dioxide by volume. According to simulations based on physical laws, like the Henry's law, from these different gas sources, carbon dioxide can be practically separated and enriched to a more than 95 vol.% CO2 product gas concentration with competitive specific energy consumption (MWh/CO2 ton) by the method. Based on calculations and practical trial runs, the method can be considered an environmentally friendly, simple, and economical process option for carbon dioxide capture. The literature section of the thesis focuses on the process technologies currently used in industry for CO2 capture and carbon dioxide consumption in various industrial applications.

In this work, the verification of the simulation results was performed by visually comparing the modeling results’ graphs of the circulating water process made with two different simulation modeling software, which provided information on the consistency of the simulation data and ensured the reliability of the simulation results. The simulations were conducted with varying carbon dioxide concentrations (13–70 vol.%) in the feed gases. The simulation results show the relationships between different production variables such as CO2 capture rate, CO2 product gas content, and specific energy consumption. Based on the modeling results, certain features of the process method have also been deduced to optimize the method, which information can be used in the evaluation of the optimal operating conditions of the process with different CO2 concentrations of the feed gases. To validate the simulated results (computational estimates), they were also compared with experimental measurement data obtained from continuous long-term trial runs of the process, where power plant flue gas was used as the feed gas. Within the measured operating range, the measurement results confirm the simulated results. Additionally, empirical research results from the trial runs were used to evaluate the practical purification of flue gases for further utilization of captured carbon dioxide, including the removal of harmful gases such as SO2, NO2, NO, and CO.

Tiivistelmä

Tässä väitöstyössä on tutkittu uudenlaisen vesikiertoon pohjautuvan hiilidioksidin talteenottomenetelmän kilpailukykyä erottaa hiilidioksidia erilaisista teollisuuden kaasuvirroista sen moniin hyötykäyttökohteisiin teollisuudessa. Koetulokset osoittavat menetelmän absorptiovaiheen tehostamisen jälkidesorption avulla lisäävän merkittävästi vesikierrolla toteutetun hiilidioksidin talteenoton tehokkuutta. Tämä vähentää menetelmän ominaisenergiakulutusta tasolle, joka vastaa suunnilleen amiinimenetelmässä hiilidioksidin talteenoton energiankulutusta, mutta ilman ympäristölle ja terveydelle vaarallisia kemikaaleja. Lisäksi monissa tapauksissa prosessilla talteen otettu hiilidioksidi voidaan puhtautensa takia paremmin hyödyntää sellaisenaan eri teollisuuden käyttökohteissa. Talteenottomenetelmä soveltuu hyvin normaalien, yli 10 tilavuusprosenttia hiilidioksidia sisältävien savu- ja prosessikaasujen hiilidioksidin talteen ottamiseen. Fysikaalisiin lakeihin, kuten Henryn lakiin perustuvien simulointien mukaan näistä eri kaasulähteistä tutkitulla menetelmällä talteen otettava hiilidioksidi voidaan erottaa ja rikastaa yli 95 tilavuusprosentin pitoisuuteen kilpailukykyisellä ominaisenergiankulutuksella (MWh/CO2 tn). Laskelmien sekä käytännön koeajojen perusteella menetelmää voidaan pitää ympäristöystävällisenä, yksinkertaisena ja taloudellisena hiilidioksidin talteenottomenetelmä prosessivaihtoehtona. Työn kirjallisuusosassa on perehdytty nykyisin teollisuudessa käytössä oleviin CO2:n talteenottoprosessien teknologioihin sekä hiilidioksidin käyttökohteisiin ja kulutusmääriin.

Simulointitulosten verifiointi toteutettiin työssä visuaalisesti vertailemalla kiertovesiprosessista kahdella eri simulointiohjelmistolla tehtyjä mallinnustuloskuvaajia, joita vertailemalla saatiin tietoa tulosten yhteneväisyydestä. Tällä varmistettiin myös simulaatiotulosten johdonmukaisuus ja luotettavuus. Verifioinnissa hyödynnettiin kuvaajia, jotka esittävät prosessin CO2-talteenottomäärän, -talteenottoasteen ja -tuotekaasu-pitoisuuden sekä ominaisenergiankulutuksen riippuvuussuhteita. Näitä riippuvuuksia tarkasteltiin myös eri syöttökaasujen hiilidioksidipitoisuuksilla (13–70 til.-%) suoritettujen simulointitulosten perusteella. Mallinnustulosten perusteella on lisäksi päätelty tiettyjä ominaisuuksia prosessimenetelmästä menetelmän optimoimiseksi, joita tietoja voidaan käyttää prosessin optimaalisten käyttöolosuhteiden arvioinnissa erilaisilla hiilidioksidia sisältävillä syöttökaasuilla. Validointi toteutettiin vertaamalla simuloituja arvoja menetelmän jatkuvatoimisista koeajoista saatuihin mittaustietoihin, joissa käytettiin voimalaitoksen savukaasua syöttökaasuna. Mitatulla toiminta-alueella tulokset vahvistavat simuloinneista saatuja tuloksia. Työssä arvioitiin myös koeajoista saaduilla mittaustiedoilla savukaasujen käytännöllistä puhdistamista sen sisältämistä haitallisista SO2-, NO2-, NO- ja CO-kaasuista talteen otetun hiilidioksidin jatkohyödyntämistä ajatellen.