Προσομοίωση της διεργασίας απορρόφησης διοξειδίου του άνθρακα από απαέρια ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων

Abstract

Τα τελευταία χρόνια η κλιματική αλλαγή εξαιτίας του φαινομένου του θερμοκηπίου φαίνεται να απασχολεί όλο και περισσότερο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία έντονου ενδιαφέροντος για εφαρμογή τεχνολογιών μείωσης των εκπομπών αερίων τα οποία είναι υπεύθυνα για το φαινόμενο αυτό. Από τα αέρια του θερμοκηπίου, βασικό υπαίτιο θεωρείται το διοξείδιο του άνθρακα του οποίου οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις αυξάνονται σταθερά εξαιτίας της γενικευμένης χρήσης του γαιάνθρακα για την παραγωγή ενέργειας. Η πιο ώριμη τεχνολογία μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και η οποία έχει τις μεγαλύτερες πιθανότητες για ευρεία εφαρμογή στο μέλλον είναι η δέσμευση διοξειδίου μετά την καύση από απαέρια ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων, κυρίως με τη χρήση αλκανολαμινών ως διαλύτες για τη διεργασία. Βασικό πρόβλημα εξαιτίας του οποίου η συγκεκριμένη διεργασία δεν βρίσκει γενικευμένη εφαρμογή σε κλίμακα κατάλληλη για ενσωμάτωση σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής είναι το υψηλό της κόστος, το οποίο οφείλεται κυρίως στην κατανάλωση ενέργειας για την αναγέννηση του διαλύτη. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η μελέτη, βελτιστοποίηση και οικονομική αξιολόγηση της διεργασίας απορρόφησης και συμπίεσης διοξειδίου του άνθρακα από ρεύμα απαερίου προερχόμενο από εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής, καύσης λειοτρειβημένου γαιάνθρακα, δυναμικότητας 500 MW. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν διαγράμματα ροής με το λογισμικό προσομοίωσης διεργασιών Aspen Plus. Με χρήση του λογισμικού αυτού πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις ευαισθησίας, μεταβάλλοντας κύριες σχεδιαστικές παραμέτρους της διεργασίας για να διαπιστωθεί πως κάθε μία από αυτές επιδρά πάνω σε άλλες υπολογιζόμενες μεταβλητές οι οποίες έχουν άμεση σχέση με το τελικό κόστος. Αφού πραγματοποιήθηκαν οι αναλύσεις ευαισθησίας, έγινε διαστασιολόγηση του χρησιμοποιούμενου κάθε φορά εξοπλισμού και οικονομική αξιολόγηση διαφορετικών περιπτώσεων λειτουργίας της ίδιας μονάδας. Στόχος ήταν η εύρεση των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας με χρήση των οποίων επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση του τελικού κόστους. Συνολικά μελετήθηκαν τρία διαφορετικά συστήματα διαλυτών. Οι διαλύτες που μελετήθηκαν ήταν η μονοαιθανολαμίνη (MEA), η μεθυλ-διαιθανολαμίνη (MDEA) και ένα μείγμα αυτών των δύο σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Η ΜΕΑ αποτελεί τον πιο ευρέως μελετημένο διαλύτη για τη διεργασία χημικής απορρόφησης του CO2 και έτσι τα αποτελέσματα από τη μελέτη της αποτελούν τη βάση σύγκρισης για τους υπόλοιπους διαλύτες. Το βέλτιστο κόστος που υπολογίστηκε για λειτουργία μονάδας απορρόφησης και συμπίεσης διοξειδίου του άνθρακα με χρήση MEA ως διαλύτη είναι τα 45.15 €/τόνο διοξειδίου που δεσμεύεται. Με χρήση διαλύματος MEA-MDEA σε αναλογία 15% wt MEA – 15% wt MDEA το κόστος υπολογίζεται 51.58 €/τόνο διοξειδίου που δεσμεύεται. Το κόστος της διεργασίας αυτή τη στιγμή την καθιστά μη βιώσιμη, καθώς η απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα από μία βιομηχανία αυτή τη στιγμή κοστίζει 4.6 €/τόνο διοξειδίου, όμως η τιμή αυτή αναμένεται να αυξηθεί ιδιαίτερα τα επόμενα χρόνια. Έτσι, μελλοντικά η διεργασία έχει μεγάλες πιθανότητες να καταστεί οικονομικά βιώσιμη, κυρίως σε συνδυασμό με διεργασίες EOR (Enhanced Oil Recovery).

Lately, the climate change caused by the greenhouse effect seems to draw growing attention. As a result, great interest for greenhouse gas mitigation technologies has been manifested. Of all greenhouse gases, the one that is deemed primary responsible for this phenomenon is carbon dioxide whose atmospheric concentration has been steadily rising because of the generalized use of coal for power generation. The most mature technology for the reduction of CO2 emissions is carbon capture from power plant flue gases with the use of alkanolamine solvents as extracting agents that wash the acid the gas out of the total gas mixture. The main problem because of which the specific process does not find general application in a scale appropriate for integration in a power plant is the high end cost that arises because of the high energy consumption to regenerate the solvent. The objective of this thesis was the study, optimization and economic evaluation of the capture and compression process of carbon dioxide, coming from a 500 MW coal fired power plant flue gas. For this purpose, process flow diagrams have been developed using the commercial process simulation software Aspen Plus. With the use of this software, sensitivity analysis have been performed, changing main input design variables. The purpose was to study the effect that each one of these variables has on different output variables that are closely related to the end cost. After the sensitivity analysis have been performed, the equipment that was used every time got sized and economic evaluation of different operation cases of the plant were created. The purpose of the whole procedure was to find the optimal operating conditions, with the use of which the minimization of the end cost would be achieved. The solvent systems that have been studied were monoethanolamine (MEA), methyl-diethanolamine (MDEA) and a MEA-MDEA blend with different concentrations between those two amines. MEA is the most widely studied solvent system for CO2 capture processes and the results obtained from its study are the basis with which the performance of other solvents is evaluated. The optimal cost that has been calculated for the operation of a capture and compression process plant using MEA as solvent is 45.15 €/ton CO2 captured. With the use of a 15% wt MEA - 15% wt MDEA blend the end cost is calculated at 51.58 €/ton CO2 captured. Judging from the end cost, the process is now evaluated as non viable taking into account that releasing carbon dioxide into the atmosphere costs an industry 4.6 €/ton. However, this price is expected to be increased significantly in the near future and the capture process is more likely to become economically viable if it is combined with EOR (Enhanced Oil Recovery) processes.