Hiilidioksidin talteenottolaitteiston lämmöntalteenoton vaikutus voimalaitoksen toimintaan

Abstract

Sähkön ja lämmön tuotannon globaalit hiilidioksidipäästöt kattavat suurimman osan energiasektorin hiilidioksidipäästöistä. Hiilidioksidin talteenoton avulla näitä voitaisiin saada pienennettyä huomattavasti, joka edesauttaisi ilmaston lämpenemisen pysäyttämistä. Hiilidioksidin talteenotosta on saatavissa huomattavasti hukkalämpöä. Yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotantolaitokset tarjoavat mahdollisuuden niiden hyödyntämiseen muun muassa kaukolämpöverkkoon. Tässä työssä tarkastellaan erään biovoimalaitoksen toimintaa yhdessä hiilidioksidin talteenoton kanssa. Työssä keskitytään erityisesti hiilidioksidin talteenottolaitteiston hukkalämpöjen hyödyntämiseen kaukolämmöksi lämpöpumppujen avulla. Tarkasteluun otetaan kolme eri hiilidioksidin talteenottolaitteistoa: amiinilaitteisto ja kaksi eri kaliumkarbonaattilaitteistoa. Kaliumkarbonaattilaitteistot eroavat toisistaan promoottoriaineiden osalta. Promoottoriaineina ovat hiilihappoanhydraasi sekä piperatsiini. Hiilidioksidin talteenottolaitteistoille sekä hiilidioksidin paineistukselle kuljetustilaan määritetään Excel-taulukkolaskentaohjelmalla energiataseet. Energiataseiden tuloksia hyödynnetään alkuarvoina Solvo-prosessimallinnusohjelmassa koko voimalaitoksen simulointiin. Simuloinnit suoritetaan kaikille kolmelle eri tapaukselle. Simulointien tuloksia verrataan nykyisen voimalaitoksen toiminta-arvoihin. Tuloksista huomattiin, että hiilidioksidin talteenoton sekä paineistuksen sähkön kulutus on huomattavan suuri. Riippuen ajotilanteesta, amiinilaitteisto (MEA) ja sen lämmöntalteenotto sekä hiilidioksidin paineistus vie sähkötehoa noin 17–18 % polttoainetehosta, kaliumkarbonaatin sekä hiilihappoanhydraasin (K2CO3/CA) tapauksessa sähkötehon tarve on noin 26–30 %, ja kalium-karbonaatin ja piperatsiinin (K2CO3/PZ) tapauksessa noin 30–32 %. Savukaasun jäähdytyksen sähkön kulutus vaihteli 2–9 % välillä. Nettosähkön tuotanto täydellä teholla MEA laitteiston tapauksessa oli noin 2,3 % polttoainetehosta, K2CO3/CA tapauksessa -2,3 % ja K2CO3/PZ tapauk-sessa -6,4 %. Nettosähkön tuotanto ilman hiilidioksidin talteenottoa oli 21,6 % polttoainetehosta. Kaliumkarbonaattilaitteistojen tapauksessa omakäyttösähköteho on niin suuri, että sähköä joudutaan tuomaan muualta, vaikka höyryturbiini olisikin käytössä. Vähentyneestä sähköntuotannosta huolimatta kaukolämmöntuotanto kuitenkin kasvoi merkittävästi hiilidioksidin talteenoton hukkalämmön ansiosta. Tämä näkyi pienentyneenä polttoaineen kulutuksena kaukolämmön pysyessä samana. Noin 4440 MWh kaukolämpöenergian tuotantoon kului ilman hiilidioksidin talteenottoa noin 5000 MWh polttoainetta, kun taas hiilidioksidin talteenoton kanssa polttoaineen kulutus jäi alle 4000 MWh. Voimalaitoksen kokonaishyötysuhde kasvoi huomattavasti hiilidioksidin talteenoton kanssa, kun hyötysuhde määritettiin polttoaineen alemman lämpöarvon mukaan. Ilman hiilidioksidin talteenottoa kokonaishyötysuhde oli noin 90–104 % välillä eri ajotilanteilla. Sen sijaan hiilidioksidin talteenoton kanssa kokonaishyötysuhteet olivat noin 107–115 % välillä savukaasun jäähdytyksestä saatavan lisälämmön ansiosta.

Power and heat industry’s global carbon dioxide emissions cover the most part of the total carbon dioxide emissions of the energy sector. By utilizing carbon capture the emissions could be reduced considerably. This would contribute to mitigating global warming. Carbon capture emits considerable amounts of excess heat. Combined heat and power plants offer an opportunity to utilize them, for example to a district heating network. In this work a certain biomass fired power plant is studied together with carbon capture. This work particularly focuses on heat recovery of carbon capture unit to a district heating network with heat pumps. The study includes three different carbon capture units: an amine unit and two dif-ferent potassium carbonate units. Potassium carbonate units differ from each other in terms of promoter substances. A carbonic anhydrase and a piperazine are used as promoters separately. An energy balance is determined for all carbon capture units and for carbon dioxide pressuri-zation to a transportation phase with an Excel spreadsheet. The results from the energy balance are used as inputs for a process modeling software Solvo, where modeling for the whole power plant is conducted. The simulations are conducted for all three cases. The results of the simula-tions are compared to the current power plant’s operating values. The results indicated that carbon capture and the carbon dioxide pressurization electricity con-sumption is considerably large. Depending on operating conditions, amine unit (MEA) and its heat recovery and carbon dioxide pressurization consumes electrical power about 17-18 % of the fuel power, potassium carbonate and carbonic anhydrase (K2CO3/CA) unit consumes about 26-30 %, and potassium carbonate and piperazine (K2CO3/PZ) about 30-32 %. Flue gas cooling electricity consumption varied between 2–9 %. Net electricity production at full power with MEA was 2,3 % of the fuel power, with K2CO3/CA -2,3 %, and with K2CO3/PZ -6,4 %. The net electricity production without carbon capture was 21,6 % of the fuel power. Thus, with potassium carbonate units the own consumption of the power plant is so large that electricity must be imported from elsewhere, even though the steam turbine is operated. Despite the reduced net electricity production, district heating production increased considerably through carbon capture heat recovery. This appeared as reduced fuel consumption when district heating production was fixed at the same value. For about 4440 MWh of district heating production, 5000 MWh of fuel was consumed without carbon capture, whereas with carbon capture the consumption was below 4000 MWh. The overall effi-ciency of the power plant increased considerably with carbon capture units, when the efficiency was defined using the lower heating value of the fuel. Without carbon capture units the overall efficiency was between 90-104 % at different operating conditions. Instead with the carbon cap-ture units, the overall efficiencies were between 107-115 % due to additional heat from the flue gas cooling.