Analysis of post-combustion solvent absorption CO2 capture process: parameters sensitivity study, process design, and hybridization with capacitive deionization for energy saving

Abstract

대기로 배출되는 이산화탄소는 태양에너지를 가두어 지구 온도를 증가시킨다. 이산화탄소에 의한 지구온난화는 심각한 홍수, 이상고온, 가뭄 등 환경적인 쟁점들을 야기한다. 연소 후 이산화탄소 포집은 석탄 및 가스 발전뿐만 아니라 시멘트, 철강 및 제철산업에 적용할 수 있다.신규 발전소에 적용 가능하며 기존 발전소에도 쉽게 설치할 수 있다. 화학적 용매를 이용하는 흡수공정을 통한 연소 후 탄소 포집 기술은 상용 가능한 성숙한 기술이며, 입증된 이산화탄소 저감 기술이다. 그러나 흡수제 재생 시 발생하는 에너지 손실은 중대한 문제이다. 이 논문의 주요 목적은 흡수제의 재생 시 요구되는 에너지를 줄이기 위한 암모니아 기반의 이산화탄소 포집공정을 조사하는 것이다. Aspen Plus 소프트웨어로 개발한 비율기반 모델을 개발하고 실험데이터를 이용하여 이를 검증하였다. 매개변수 최적화, 공정 개선 그리고 축전식탈염기술(CDI)를 이산화탄소 포집 공정에 접목하여 요구되는 재생에너지를 감축하였다. 처음으로, 최소 요구 에너지를 구하기 위해 암모니아 기반 이산화탄소 포집 공정의 운전 매개변수를 조사하였다. 그리고 농후 증기 압축(RVC)과 희박 증기 압축(LVC)를 포함하는 개선된 공정 계통도를 제안하였다. 저온 용매 분사(CSS)공정과 결합한 LVC 와 RVC 는 리보일러의 부하를 각각 27% 및 19% 감소시켰다. CSS 공정을 포함하는 LVC 와 RVC 의 전체 등가 에너지 절감 효과는 각각 약 3% 및 15%였다. 두번째로, 석탄화력발전소(110MW 급)의 연도 가스를 고려하였다. 우선 소요에너지를 감축하기 위하여 주요 운전 매개변수를 최적화하였다. 이 최적화된 공정은 에너지 소비를 더욱 줄이기 위한 공정 수정사항을 반영하기 위한 기본공정으로 고려되었다. 반영된 공정 수정사항은 흡수탑 인터쿨링 및 RVC 와 CSS 의 통합공정이다. 통합공정은 기본공정과 비교하여 에너지 요구량을 20% 감소시켰는데, 이는 리치 스플릿 공정과 인터히팅 공정의 12% 그리고 8%보다 더 높은 수치이다. 통합공정의 에너지 절감 효과는 수정된 MEA 기반 공정의 절감 효과 보다 더 높았다. 또한, 장치 추가에 소요되는 비용을 Aspen Capital Cost Estimator(ACCE)를 이용하여 계산하였다. 결과에 따르면 통합공정은 매년 71 만 달러(미국)를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 마지막으로, 이산화탄소 흡수 및 탈착 공정을 위한 CDI 장치를 제안하였다. CDI 가 적용된 이산화탄소 포집공정과 적용되지 않은 공정과의 재생에너지를 비교하였다. CDI 를 적용한 결과 재생에너지가 최대 37% 감소하였다.; Carbon dioxide (CO2) emissions into the atmosphere increase the global temperatures by trapping the solar energy. Global warming due to CO2 emissions produces severe environmental issues including heavy floods, heat waves, protracted droughts, etc. Post-combustion CO2 capture is applied not only to coal and gas-fired power plants, but can also be applied to the cement, iron, and steel industries. It can be retrofitted easily to the existing power plants and can also be integrated into new power plants. Post-combustion carbon capture through chemical solvent absorption process is a mature, commercially available, and well-proven technique to reduce CO2 emission. However, in this technique, the energy penalty correlated with absorbent regeneration is a critical challenge. The main objective of this dissertation is to investigate the NH3-based CO2 capture process in order to reduce the energy requirement associated with solvent regeneration. A rate-based model was developed in Aspen Plus® software and validated by comparing the simulation results with experimental data. The regeneration energy requirement has been reduced with the help of parameters optimization, process modifications, and hybridization of the capacitive deionization (CDI) unit with the CO2 capture process. Firstly, the operating parameters in NH3-based CO2 capture process were examined to obtain the minimum energy requirement. Then, flowsheet modifications including rich vapor compression (RVC) and lean vapor compression (LVC) have been proposed. The results of LVC and RVC processes have been compared with the advanced NH3-based processes modifications available in the literature. The optimized process was considered as a base process and then compared with the modified processes. The RVC and LVC combined with cold solvent split (CSS) process reduced the reboiler duty by 27% and 19%, respectively. The total equivalent energy savings of LVC and RVC with CSS processes were about 3% and 15%, respectively. Secondly, the flue gas from a coal-fired power plant (equivalent to 110-MW) has been considered. In the first stage, the main operating parameters were optimized to reduce the energy requirement. The optimized process was considered a base process to which process modifications were added, with the goal of further reducing the energy consumption. Process modifications included absorber inter-cooling and rich vapor compression (RVC) combined with cold solvent split (CSS) processes. Compared to the base process, the combined process reduced the energy requirements by 20%, which was higher than the 12% and 8% energy reductions obtained via the rich split and inter-heating processes, respectively. The energy savings obtained from the combined process were higher than those of the MEA-based process modifications. Furthermore, the capital cost of the additional equipment has been calculated by using the Aspen Capital Cost Estimator (ACCE) tool. The results showed that the combined process saved USD 0.71 million per year. Finally, a capacitive deionization (CDI) device has been proposed for CO2 absorption-desorption process. The CO2 capture process integrated with CDI was compared with a non-CDI CO2 capture process based on regeneration energy. The regeneration energy was reduced up to 37% by using the CDI setup.