A Techno-Economic Comparison of Process Configurations in Piperazine-Based Carbon Capture

Abstract

Menneskeskapte utslipp av drivhusgasser bidrar til stadig økte endringer i klimaet, men karbonfangst og -lagring har blitt foreslått som et avbøtende tiltak. Karbonfangst etter forbrenning, der CO2 fjernes fra avgasser, har vist seg å redusere utslipp av karbondioksid fra industrielle prosesser betydelig. Den mest effektive karbonfangstmetoden etter forbrenning er aminvasking. Blant de mulige aminløsningene som brukes til aminvasking, har piperazin fordeler knyttet til høy fangstkapasitet og nedbrytningsmotstand. Imidlertid er det fortsatt utfordringer ved aminvasking, som for eksempel høyt energiforbruk og høye driftskostnader. Derfor er det nødvendig å forske videre på nye aminløsninger og prosessdesign.

Denne masteroppgaven handler om å undersøke potensialet til en ny konfigurasjon av aminvasking. Konfigurasjonen utnytter den høye nedbrytningsmotstanden til piperazin, der desorpsjonsenheten i prosessen operer under høyt trykk. Prosesskonfigurasjonen, som først ble foreslått på The University of Texas i Austin av Rochelle's gruppe, er også kjent som «Piperazin med en Avansert Stripper» (PZAS).

I denne oppgaven sammenlignes PZAS konfigurasjonen systematisk med en piperazinvaskingskonfigurasjon som bruker en konvensjonell, enkel stripper. Sammenligningen gjøres ved å simulere de to prosesskonfigurasjonene i Aspen Plus V12, ved bruk av Aspens ENRTL-RK simuleringsmodell for piperazin. Før simuleringen av de to prosesskonfigurasjonene ble også simuleringsmodellen validert mot pilotdata, som bekreftet at modellen var relativt nøyaktig, til tross for noen mindre avvik. Valideringen sikrer dermed pålitelighet i simuleringsresultatene.

Simuleringene av de to aminvaskingskonfigurasjonene tar sikte på en 95% fangstrate, og oppgaven inkluderer vurderinger av både CO2-komprimering og energiforbruk i karbonfangstprosessen. Resultatene viser at ved å bruke den avanserte stripperen i PZAS konfigurasjonen, så kan energiforbruket i fordamperen reduseres til 3,17 GJ/tCO2, sammenlignet med 3,31 GJ/tCO2 ved bruk av den enkle stripperen. Videre ble det vist at energiforbruket som kreves for å komprimere CO2-gassen etter fangst var lavere ved bruk av PZAS konfigurasjonen, noe som fører til at PZAS var en mer energieffektiv prosess alt i alt.

For å komplementere den tekniske evalueringen av prosesskonfigurasjonene, ble en teknisk-økonomisk analyse også utført. I denne analysen ble levedyktigheten til hver konfigurasjon vurdert, og karbonkreditter ble ansett som en mulig inntekt. Ved å anta en karbonkredittkostnad på 173 USD/tCO2 og en anleggslevetid på 25 år, ble en nettofortjenesteverdi på -8,58 og 12,60 millioner amerikanske dollar regnet ut for karbonfangst ved bruk av henholdsvis den enkle og den avanserte stripperen. Selv om lønnsomheten til begge konfigurasjonene er svært sensitiv for karbonprising, antyder resultatene at PZAS-konfigurasjonen har høyere økonomisk levedyktighet. Altså viser oppgaven at å bruke en avansert stripper i en PZAS-konfigurasjonen, gir lovende resultater sammenlignet med bruk av en konvensjonell, enkel stripper, både med hensyn til energiforbruk og kostnad generelt.

As climate change accelerates due to anthropogenic greenhouse gas emissions, carbon capture and storage emerges as a possible mitigative technology. Post-combustion carbon capture has been found to significantly reduce carbon dioxide emissions from industrial processes, with amine scrubbing as the most mature method. Among the established amine solvents, piperazine offers advantages due to its high capacity and degradation resistance. However, the efficacy of amine scrubbing is still challenged by high energy consumption and operational costs, underscoring the need for further research into new amine systems and process designs.

This thesis investigates the potential of a new process configuration of the amine-based process, which takes advantage of piperazine's degradation resistance and operates the desorption unit under high pressure. This process configuration, proposed by Rochelle's group at the University of Texas at Austin, is also known as Piperazine Advanced Stripper (PZAS).

A systematic comparison of carbon capture using piperazine with the advanced stripper versus a conventional, simple stripper is conducted through simulations in Aspen Plus V12 with Aspen's ENRTL-RK model for piperazine. Prior to simulation, the model was validated against pilot plant data, confirming its accuracy despite minor deviations, thereby ensuring reliability in the simulation results.

The simulations target a 95% capture rate, and include evaluations of both CO2 compression and energy use in the carbon capture process. The results show that using the advanced stripper reduces specific reboiler duty to 3.17 GJ/tCO2 compared to 3.31 GJ/tCO2 for the simple stripper. Furthermore, the configuration with the advanced stripper requires less energy to compress the CO2 after capture, resulting in a more energy-efficient process.

To complement the technical evaluation of the process configurations, a techno-economic analysis was performed, assessing the viability of each configuration, and considering carbon credits as a potential revenue. Using a carbon credit cost of 173 USD/tCO2 and a 25 year plant-life, net profit values of -8.58 and 12.60 million US dollars were found when using the simple stripper and advanced stripper respectively. While the overall profitability of both configurations is highly sensitive to carbon pricing, the advanced stripper configuration offers a higher economic viability.

In conclusion, the integration of an advanced stripper in piperazine-based carbon capture shows promising results compared to using a conventional stripper, both with regard to energy use and cost.