Techno-economic assessment of carbon capture and utilization in waste-to-energy plant
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-10-10
Department
Major/Subject
Industrial Energy Solutions and Sustainability
Mcode
CHEM3044
Degree programme
Master’s Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
55
Series
Abstract
Global anthropogenic carbon dioxide emissions are believed to be the major contributor to global warming, and they are expected to exceed 55 billion ton per year in 2022-2023. Meanwhile, demand for products such as plastics and chemicals that are currently derived from fossil fuels is continuously increasing. It is evident that new material solutions must be developed, and recycling rates increased to simultaneously meet the demand and replace fossil fuels. Yet, conventional recycling methods are not enough to cover the future needs. Carbon capture and utilization has been identified to be amongst potential solutions to increase recycling rates, as carbon dioxide can be converted into wide variety of products and there-fore, introduced as feedstock rather than a pollutant that needs mitigation. In this thesis, a techno-economic assessment and process simulation were carried out for two carbon capture technologies including conventional absorption process based on monoethanolamine (MEA) and a water wash process, involving 40.1 MW waste incineration plant using municipal solid waste as fuel. Both proposed process configurations were able to provide around 90 % capture efficiency and over 90 % product gas purity in mass basis with reasonable energy consumption, yet process using monoethanolamine performed slightly better in terms of capture efficiency and CO2 purity. Capital investment costs for MEA process were 6.99M€ and 63.4M€ for water wash process. O&M costs were 11.71M€ and 5.9M€, resulting in cost of CO2 avoided of 109.99 €/tCO2 and 80.06 €/tCO2. However, cooling duties that are required for water wash process are not included in O&M costs, and they are in practice expected to increase the energy consumption by significant amount as solvent flowrate that needs cooling is very large compared to MEA process. In addition, electricity prices are currently highly fluctuating, causing uncertainties to water wash process economy. Thus, MEA process seems more reliable for large-scale Waste-to-Energy plant, yet both technologies remain economically infeasible in current market situation. Nevertheless, emerging interest in carbon capture technologies is expected to accelerate development of both technologies, and water wash process is definitely an interesting alternative in the future due to its many advantages over conventional MEA process.Ihmisen aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen uskotaan olevan tärkein ilmaston lämpenemistä aiheuttava tekijä, ja vuotuisten päästöjen odotetaan ylittävän 55 miljardia tonnia vuosina 2022–2023. Samanaikaisesti kysyntä pääasiassa fossiilisista raaka-aineista valmistetuille tuotteille, kuten muoveille ja kemikaaleille, kasvaa jatkuvasti. Ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi uusia materiaaliratkaisuja on kehitettävä ja kierrätysasteita parannettava, jotta kasvavaan kysyntään voidaan vastata. Hiilidioksidin talteenotto ja hyödyntäminen on yksi potentiaalisista vaihtoehdoista, sillä talteen otetusta hiilidioksidista voidaan valmistaa perinteisesti fossiilisista raaka-aineista valmistettuja tuotteita. Tässä työssä vertaillaan teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta kahta erilaista hiilidioksidin talteenottotekniikkaa 40,1MW jätteenpolttolaitoksen savukaasuille: hiilidioksidin absorptiota monoetanoliamiiniin sekä veteen. Molemmat työssä esitetyistä prosessimalleista kykenivät noin 90 % talteenotto-prosenttiin sekä yli 90 % tuotekaasun puhtauteen. Amiiniprosessin huomattiin olevan hieman tehokkaampi absorboimaan hiilidioksidia, sekä tuottavan puhtaampaa hiilidioksidia lopputuotteena. Investointikustannukset amiiniprosessille olivat 6,99 M€, ja vesiprosessille 63,4 M€. Vuotuiset ylläpito- ja käyttökustannukset olivat 11,71 M€ ja 5,9 M€, johtaen 109,99 €/tCO2 sekä 80,06 €/tCO2 hiilidioksidin talteenottokustannuksiin. Vesiprosessin ylläpito- ja käyttökustannukset eivät kuitenkaan sisällä jäähdytystarvetta, joiden arvioidaan käytännössä lisäävän energiankulutusta huomattavasti, sillä jäähdytettävän veden määrä on amiiniprosessiin verrattuna erittäin suuri. Vesiprosessissa suurin osa energiantarpeesta on sähköä, ja tämänhetkisten sähkön hinnan vaihteluiden takia amiiniprosessin arvioidaan olevan luotettavampi vaihtoehto suurelle jätteenpolttolaitokselle. Kumpikaan teknologia ei kuitenkaan nykytilanteessa ole kilpailukykyinen. Talteenottotapojen odotetaan kuitenkin kehittyvän lähitulevaisuudessa huomattavasti, ja vesiprosessi on haasteistaan huolimatta kiinnostava ja kehityskelpoinen vaihtoehto mm. ympäristöystävällisyytensä ansiosta.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Toropainen, JarkkoDas, Shital
Keywords
carbon capture and utilization, MEA, water wash, AspenPlus, waste-to-energy