Analysis of pre-treatment of carbon dioxide separated from flue gas for transportation and storage

Jednym z głównych problemów przed jakimi stoi obecnie energetyka zawodowa oparta na spalaniu paliw węglowych jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Dla ograniczenia emisji CO2 w energetyce konieczne jest wyseparowanie, a w następnej kolejności przygotowanie dwutlenku węgla do transportu i składowania. W artykule przedstawiono analizę procesową układu przygotowania dwutlenku węgla do transportu, na potrzeby którego przyjmuje się, że CO2 winno zostać sprężone do ciśnienia około 12 MPa i schłodzone do około 298K (25°C). Dwutlenek węgla, dla którego analizowano proces przygotowania do transportu pochodził ze spalania węgla kamiennego w układzie nad-krytycznego bloku o mocy 900 MWe, współpracującego z układem adsorpcyjnej (Vacuum Pressure Swing Adsorption) separacji CO2 ze spalin. Wyseparowany ze spalin metodą VPSA dwutlenek węgla w ilości około 200 kg/s o parametrach 333K (60°C) i 0,005 MPa kierowany był do układu wielostopniowego sprężania z chłodzeniem międzystopniowym. Głównym celem przeprowadzonych obliczeń była minimalizacja zapotrzebowania na moc układu sprężania. Dla realizacji postawionego celu rozważono szereg układów sprężania składających się z różnej liczby grup stopni, przy czym dla każdego wariantu prowadzono pełną optymalizację sprężu na poszczególnych grupach stopni. Uzyskane rezultaty wskazują, że wraz ze wzrostem liczby grup stopni sprężania maleje zapotrzebowanie na moc, jednakże spadek ten jest coraz mniejszy. Dodatkowo, jednocześnie maleją temperatury sprężanego czynnika za poszczególnymi grupami stopni, co ogranicza potencjalne możliwości wykorzystania odzyskanego z układu chłodzenia międzystopniowego ciepła, w obiegu cieplnym bloku energetycznego. W analizowanym przypadku sprężania dwutlenku węgla (wyseparowanego ze spalin pochodzących z bloku 900 MWe), najbardziej korzystnymi wariantami (z punktu widzenia najmniejszego zapotrzebowania na moc oraz potencjału wykorzystania ciepła odpadowego z chłodzenia międzystopniowego) wydają się być układy złożone z 5 lub 6 grup stopni. Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 - Strategiczny Program Badawczy - Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych" bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin.One important problem facing the energy sector, especially large power stations utilizing fossil fuels, is the reduction of CO2 emissions into the atmosphere. To ensure successful reduction, it is necessary to sequester carbon dioxide and then perform an appropriate pre-treatment to make the CO2's thermodynamic parameters comply with transportation and storage requirements. This paper presents a system analysis of the process of carbon dioxide pre-treatment, which is realised by a pressurisation unit equipped with intercoolers, taking into account the destination's parameters for compressed CO2 of about 12 MPa and 25°C. The carbon dioxide stream wherein compression was analysed was derived from exhaust gas generated from hard coal air-combustion in a supercritical, 900 MWe power plant boiler, integrated with a VPSA vacuum pressure swing adsorption separation unit. The carbon dioxide stream under study, separated from the flu gas at a rate of 200 kg/s at 60°C and 0.005 MPa, was then directed to a multistage compression unit equipped with intercoolers. The main aim of the calculations performed was the minimisation of energy demand for com¬pression. To achieve this, many configurations of compression units consisting of differing numbers of compression groups of stages where analysed. Moreover, a full optimisation procedure of pressure ratios (accounting for destination pressure after each group of stages) was performed for each compression unit configuration. The results showed that the energy demand for compression decreases with increasing size of the compression unit; however, the greater the number of groups of stages the less the decrease in the energy demand. It was also observed that as the compression unit grows, the CO2 temperatures after each group of stages decrease, which may restrict the potential recuperation of heat from the intercooling system into the thermal cycle of the power plant. The results also showed that in the case of compression of carbon dioxide separated by the VPSA from a 900 MWe supercritical power plant, the most favourable (from the point of view of minimising energy demand and the potential for heat recuperation) configurations of compression units are those consisting of 5 or 6 groups of stages. The results presented in this paper were obtained from research work co-financed by the National Centre of Research and Development in the framework of Contract SP/E/1/67484/10 - Strategic Research Programme - Advanced technologies for energy generation: Development of a technology for highly efficient zero-emission coal-fired power units integrated with CO2 capture