Προηγμένα συστήματα δέσμευσης του CO2

Abstract

Σκοπός της διατριβής είναι η αξιολόγηση μέσω θερμοδυναμικών υπολογισμών και η οικονομοτεχνική ανάλυση της εφαρμογής προηγμένων τεχνολογιών δέσμευσης CO2 σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής καύσης στερεών καυσίμων αλλά και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας όπως είναι η τσιμεντοβιομηχανία. Η μελέτη των υπό εξέταση τεχνολογιών δέσμευσης αποσκοπεί στην αύξηση του συνολικού βαθμού απόδοσης της όλης εγκατάστασης και στην ελαχιστοποίηση των ενεργειακών καταναλώσεων που οφείλονται στην εγκατάσταση της τεχνολογίας δέσμευσης. Αυτό, μεταξύ άλλων, επιτυγχάνεται με τη βέλτιστη αξιοποίηση της χαμένης θερμότητας του συστήματος δέσμευσης του CO2 μέσω της ενσωμάτωσής της στο κύκλωμα νερού-ατμού. Εξετάστηκε η τεχνολογία στην οποία η καύση γίνεται σε περιβάλλον αυξημένης συγκέντρωσης σε οξυγόνο ώστε να παράγεται καυσαέριο μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε CO2 σε σχέση με την καύση με ατμοσφαιρικό αέρα. Στη συνέχεια το CO2 δεσμεύεται μέσω ενός κλασικού μετά καύσης συστήματος δέσμευσης είτε με χημική απορρόφηση από αμίνες είτε μέσω διαχωρισμού του από τα λοιπά συστατικά του καυσαερίου μέσω της διέλευσης του από κατάλληλες μεμβράνες. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου στο συνολικό αέρα καύσης, εξετάστηκε η εφαρμογή της τεχνολογίας σε έναν ελληνικό λιγνιτικό σταθμό καθώς και σε έναν σταθμό με χρήση καυσίμου λιθάνθρακα. Παρουσιάζονται επίσης και αποτελέσματα που προέκυψαν από την εκτέλεση πειραμάτων συναφών με τη συγκεκριμένη τεχνολογία δέσμευσης του CO2. Προέκυψε ότι η τεχνολογία αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρόταση ειδικά για περίπτωση μετασκευής υπάρχοντος σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Εξετάστηκε η μετά την καύση δέσμευση του CO2 με χρήση της τεχνολογίας ασβεστοποίησης-ανθρακοποίησης με χρήση ενός καυσίμου χαμηλής ποιότητας όπως ο ελληνικός λιγνίτης στον ασβεστοποιητή. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση του δευτερεύοντος θερμοδυναμικού κύκλου, εξετάστηκαν οι δυνατότητες αύξησης του συνολικού βαθμού απόδοσης μέσω εγκατάστασης ενός εναλλάκτη συναλλαγής θερμότητας μεταξύ των στερεών ρευμάτων, της χρήσης προξηραμένου καυσίμου στον ασβεστοποιητή και της ανάγκης ή όχι ανακυκλοφορίας ψυχρού CO2 σε αυτόν. Εξετάστηκε η δυνατότητα εφαρμογής της ως περίπτωση μετασκευής ενός υπάρχοντος σταθμού ηλεκτροπαραγωγής και ως περίπτωση ανέγερσης ενός νέου σταθμού. Προέκυψε ότι αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη πρόταση κυρίως λόγω της αυξημένης ηλεκτροπαραγωγής. Εξετάστηκε η δυνατότητα συνδυασμένης λειτουργίας μιας τσιμεντοβιομηχανίας με μια βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής με κοινή δέσμευση του CO2 που παράγεται και από τις δύο διεργασίες μέσω της τεχνολογίας ασβεστοποίησης-ανθρακοποίησης. Το CaO που δημιουργείται στον ασβεστοποιητή του συστήματος δέσμευσης του CO2 και παράγεται από το φρέσκο CaCO3 χρησιμοποιείται από την τσιμεντοβιομηχανία για την παραγωγή του κλίνγκερ. Εξετάστηκε η δυνατότητα βελτίωσης του συνολικού βαθμού απόδοσης της όλης εγκατάστασης ενώ οι δύο βιομηχανίες μπορούν να λειτουργήσουν μαζί αλλά και μεμονωμένα με και χωρίς δέσμευση του CO2. Η τεχνολογία αυτή αποτελεί μια πολύ καλή πρόταση δεδομένου ότι δεσμεύει αποδοτικά και με χαμηλό κόστος το CO2 και από τις δύο διεργασίες. Για όλες τις εξεταζόμενες τεχνολογίες δέσμευσης του CO2 πραγματοποιήθηκε οικονομοτεχνική ανάλυση μέσω της οποίας υπολογίζεται το κόστος εγκατάστασης των συστημάτων δέσμευσης, το κόστος ηλεκτροπαραγωγής και το κόστος αποφυγής του CO2.

Scope of the presented thesis is to asses through thermodynamic calculations and economic analysis the implementation of advanced technologies for capturing the CO2 from power plants which burn fossil fuels as well as from large scale industrial plants such as the cement industry. The study of examined CO2 capture technologies is designed to increase the overall efficiency of the power plant as well as to minimize the energy penalties that occurred by the implementation of the capture technology. This among other is accomplished by incorporating part of the waste heat from CO2 capture plant in the water-steam cycle. Has been examined the technology in which the fuel is burnt in an oxygen enriched environment (partial oxyfuel) in order to generate higher levels of CO2 in the flue gases compared to the combustion with common atmospheric air. Then the CO2 is captured by a common post-combustion system with chemical absorption by amines or is separated from the other components of the flue gases with using of membranes. Has been optimized the oxygen concentration in total combustion air, and the application of this technology in a lignite – fired power plant as well as in a power plant that uses hard coal. Moreover the experimental results of this technology are also presented. The results show that this technology is an attractive choice for CO2 capture especially as retrofit case in an existing power plant. Has also been examined the CO2 capture by the carbonation-calcification technique with using a low quality fuel in the calciner such as Greek lignite. The secondary steam cycle has been optimized through the installation of an intermediate heat exchanger between the solid streams, the using of pre-dried lignite as fuel in the calciner and the necessity or not of cold CO2 recirculation. This technology has been examined as retrofit case in an existing power plant as well as a new build case. From the simulations results that this technology is an attractive choice for CO2 capture as retrofit case as well as for a new build power plant. In addition has been examined the possible combined operation of a cement and an electricity industry with common CO2 capture from both processes with using the carbonation-calcification technology. In this case the CaO that is produced in the calciner of the capture plant from the make-up CaCO3 is used in the cement industry for the production of clinker. Additionally has been examined the possibilities of improving the overall efficiency of both processes while the main advantage of the proposed process is that the two industries can be worked simultaneously or individually with and without CO2 capture. For all examined CO2 capture technologies have been performed economic analysis in order to investigate the installation cost of capture systems, the cost of electricity and the CO2 avoidance cost.