Integration of a Waste-to-Energy Facility with a Post-Combustion Carbon Capture Plant

Abstract

Reduksjon av menneskeskapte CO2-utslipp har blitt en kritisk global prioritet som følge av økende effekt av klimaendringer. Avfallsindustrien, en betydelig bidragsyter til disse utslippene, må søke etter bærekraftige langsiktige avfallshåndteringsløsninger for å møte utfordringene fra befolkningsvekst og økende avfallsproduksjon. Waste-to-Energy (WtE)-anlegg presenterer en lovende tilnærming ved å konvertere kommunalt avfall til elektrisk energi og fjernvarme, selv om slike anlegg fortsatt slipper ut CO2. Implementering av post-combustion carbon capture (PCC)-teknologi i WtE-anlegg kan redusere disse CO2-utslippene betydelig, og gjøre anlegget mer bærekraftig.

Denne masteroppgaven beskriver en simulering av et WtE-anlegg ved bruk av Aspen Plus. Ytelsen til damp Rankine-prosessen i WtE-anlegget undersøkes, med søkelys på effektiviteten og energiproduksjonen. En aminbasert PCC-prosess, som bruker 30 wt% monoetanolamin (MEA) for å oppnå en 99% CO2-fangstrate, er integrert i WtE-anlegget. Viktige faktorer som væske-til-gassratio, plassering av mellomkjøleren og høyde på absorberkolonnen undersøkes for å forstå innvirkningen på energiforbruk, effektivitet og syklisk kapasitet. Spillvarmeintegrering utføres for å utnytte spillvarmen fra ulike prosessenheter, for å forsøke å møte anleggets termiske varmebehov. Denne studien evaluerer effekten av spillvarmeintegreringen på den termiske virkningsgraden til WtE-anlegget, og demonstrerer potensialet til å forbedre energiutnyttelsen.

Simuleringsresultatene viser at ved en konstant termisk virkningsgrad for damp Rankine-prosessen, var fjernvarmemengden avhengig av massestrømmen til vannet i damp Rankine-prosessen, mens elektrisitetsmengden var avhengig av temperaturen og trykket til dampen. Følgelig ga simuleringen med lavest damptemperatur og -trykk (400C og 60 bar), i tillegg til høyest massestrøm av vann (19,1 kg/s), mest fjernvarme ved 45,7 MWth, men minst elektrisk energi ved 9,92 MWel Ytelsen til den aminbaserte PCC-prosessen ble forbedret ved å justere væske-til-gassratioen til 1,9 og plassere mellomkjøleren til 4 m over bunnen av absorberkolonnen. Dette resulterte i en specific reboiler duty (SRD) verdi på 3,64 MJ/kg CO2 og et energibehov på 16,15 MWth. Simuleringene viste også at en reduksjon av absorberkolonnens høyde ikke forbedret energiforbruket, effektiviteten eller den sykliske kapasiteten til prosessen. Resultater etter spillvarmeintegreringen viser at det termiske varmebehovet til anlegget og dampbehovet ble oppfylt i alle simuleringene, selv om det resulterte i redusert termisk virkningsgrad til damp Rankine-prosessen og redusert fjernvarmemengde med henholdsvis opptil 23,4% og 26,0%. Til tross for dette ble den totale termiske virkningsgraden til WtE-anlegget vesentlig forbedret i alle simuleringene til 0,53. Dette viser de mulige fordelene med spillvarmeintegrering for å forbedre energiutnyttelsen og ytelsen av driften.

In response to the increasing effects of climate change, reducing anthropogenic CO2 emissions has become a critical global priority. The waste disposal industry, a significant contributor to these emissions, must pursue sustainable long-term waste management solutions to address the challenges posed by population growth and increasing waste generation. Waste-to-Energy (WtE) facilities present a promising approach by converting municipal solid waste (MSW) into electrical and thermal energy, although they still emit CO2. Implementing post-combustion carbon capture (PCC) technology in WtE facilities could significantly reduce these CO2 emissions, enhancing their sustainability.

This thesis describes a cogeneration WtE facility simulation using Aspen Plus. The performance of a steam Rankine cycle within the WtE facility is examined, focusing on its efficiency and energy production. An amine-based PCC process utilizing 30 wt% monoethanolamine (MEA) to achieve a 99% CO2 capture rate is integrated into the WtE facility. Key factors such as the liquid-to-gas (L/G) ratio, intercooler placement, and absorber column height are researched to understand their impacts on energy consumption, efficiency, and cyclic capacity. A heat integration process is performed to utilize the waste heat from various process units, aiming to meet the thermal heating requirements of the facility. This study evaluates the effects of heat integration on the thermal efficiency of the WtE facility, demonstrating its potential to enhance energy utilization.

The simulation results show that at a fixed thermal efficiency of the steam Rankine cycle, the district heat output depended on the mass flow of water in the steam Rankine cycle, while electricity output depended on vapor temperature and pressure. Consequently, the case with the lowest vapor temperature and pressure (400C and 60 bar) and the highest mass flow of water (19.1 kg/s) produced the most thermal energy at 45.7 MWth, but the least electrical energy at 9.92 MWel. Further, the performance of the amine-based PCC process was enhanced by adjusting the L/G ratio to 1.9 and positioning the intercooler 4 m above the bottom of the absorber column. This resulted in a specific reboiler duty (SRD) value of 3.64 MJ/kg CO2 and a reboiler duty of 16.15 MWth. The simulations also showed that reducing the absorber column height did not improve the energy consumption, efficiency, or cyclic capacity of the process. Heat integration results show that the heat requirements and the steam requirement for the reboiler could be met across all simulated cases, though this reduced the thermal efficiency of the steam Rankine cycle and the district heat by up to 23.4% and 26.0%, respectively. Despite this, the total thermal efficiency of the WtE facility was substantially improved in all simulated cases to 0.53. This demonstrates the potential benefits of heat integration in improving energy utilization and operational performance.