Evaluation of Excess Heat Driven Carbon Capture Integrated at a Swedish Pulp Mill
(2023) KETM05 20231Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- As the atmospheric carbon dioxide keeps increasing, bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) is getting increased attention as a measure to reduce the emissions of carbon dioxide. It is especially interesting in Sweden where the extensive paper and pulp industry constitutes point sources of biogenic carbon dioxide. As carbon capture requires energy, it is important to investigate the opportunity to use excess heat to cover the energy demand in order to avoid causing new emission which would counteract the purpose of implementing BECCS. In this thesis, integration of excess heat driven carbon capture was investigated on two flue gas streams at the Södra Cell Värö pulp mill in Sweden: the recovery boiler and lime kiln flue gases.... (More)
- As the atmospheric carbon dioxide keeps increasing, bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) is getting increased attention as a measure to reduce the emissions of carbon dioxide. It is especially interesting in Sweden where the extensive paper and pulp industry constitutes point sources of biogenic carbon dioxide. As carbon capture requires energy, it is important to investigate the opportunity to use excess heat to cover the energy demand in order to avoid causing new emission which would counteract the purpose of implementing BECCS. In this thesis, integration of excess heat driven carbon capture was investigated on two flue gas streams at the Södra Cell Värö pulp mill in Sweden: the recovery boiler and lime kiln flue gases. Three different carbon capture technologies were investigated, which included the commercially available aqueous MEA (monoethanolamine) and HPC (hot potassium carbonate) as well as the novel technology of AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol) in DMSO (dimethyl sulfoxide). Their energy demands were calculated through mass and energy balances. A mapping of sources of excess heat at the mill was also executed.
The results showed that the lime kiln flue gases would be more reasonable to treat due to the smaller flue gas stream with a higher CO2 concentration. Partial carbon capture of the recovery boiler flue gases could also be an option worth considering. For the lime kiln flue gases, two components of the mill, the condensing turbine and the surface condenser, proved to be sources of excess heat that could cover the heat demand at the cost of some electrical power. The condensing turbine was more promising as it could cover the heat demand regardless of which technology is used while the surface condenser could only be used on the AMP in DMSO technology. In addition, a heat pump is required to make use of the heat from the surface condenser, making the electrical power demand higher for the surface condenser than for the condensing turbine. The MEA and AMP in DMSO technologies required much less energy supply than the HPC technology did but have higher cooling demands.
Further studies are needed which include more detailed process designs, management of the captured CO2, and evaluations of economical feasibility. This thesis gives a good indication on what to focus on going forward. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Genom att använda koldioxidinfångning som drivs av överskottsvärme på ett massabruk i sydvästra Sverige så kan mer än en tredjedel av de fossila utsläppen från hela pappers- och massaindustrin fångas in genom så kallade negativa utsläpp. Detta visar på hur snabbt Sveriges fossila utsläpp kan minska genom användning av koldioxidinfångning.
På ett massabruk används trä som den huvudsakliga råvaran i tillverkningen av pappersmassa, men det är också den främsta energikällan. Genom att förbränna resterna som inte behövs till pappersmassan så kan man producera ånga och elektricitet som används runt om på bruket, men även som säljs till fjärrvärme- och elnätet. Vid förbränningen produceras även koldioxid och andra gaser som kallas rökgaser.... (More) - Genom att använda koldioxidinfångning som drivs av överskottsvärme på ett massabruk i sydvästra Sverige så kan mer än en tredjedel av de fossila utsläppen från hela pappers- och massaindustrin fångas in genom så kallade negativa utsläpp. Detta visar på hur snabbt Sveriges fossila utsläpp kan minska genom användning av koldioxidinfångning.
På ett massabruk används trä som den huvudsakliga råvaran i tillverkningen av pappersmassa, men det är också den främsta energikällan. Genom att förbränna resterna som inte behövs till pappersmassan så kan man producera ånga och elektricitet som används runt om på bruket, men även som säljs till fjärrvärme- och elnätet. Vid förbränningen produceras även koldioxid och andra gaser som kallas rökgaser. Dessa renas från partiklar och föroreningar och släpps sedan ut i atmosfären. Eftersom koldioxiden kommer från träd som nyligen fångat in koldioxid från atmosfären i takt med att de vuxit och inte från fossila källor som varit isolerade från kolets kretslopp i miljontals år, så benämns dessa utsläpp av koldioxid som biogena utsläpp.
De biogena koldioxidutsläppen står för ungefär 97% av de totala utsläppen från pappers- och massaindustrin. Resterande 3% är fossila utsläpp, och det är bara dessa utsläpp som syns i statistiken. Totalt 2% av Sveriges fossila koldioxidutsläpp kommer från pappers- och massaindustrin, vilket betyder att de totala utsläppen av koldioxid från pappers- och massaindustrin är nästan lika stora som alla fossila koldioxidutsläpp i hela Sverige. Genom att fånga in den i huvudsak biogena koldioxiden från pappers- och massaindustrin så kan vi snabbt kompensera för stora delar av de fossila utsläppen i Sverige. Då uppnår vi så kallade negativa utsläpp, eftersom mer koldioxid kan fångas in än vad som syns i utsläppsstatistiken. Att fånga in koldioxid kräver dock energi, främst i form av värme, och för att kunna uppnå verkligt negativa utsläpp är det viktigt att nya utsläpp inte uppstår för att den energin ska produceras. Därför är det viktigt att titta på hur överskottsvärme kan användas till att driva infångningen, det vill säga värme som redan finns på anläggningen men som inte utnyttjas.
I detta examensarbete undersöktes möjligheten att implementera koldioxidinfångning som drivs av överskottsvärme på Södras massabruk i Värö. Målet var att se hur mycket koldioxid som kan fångas in från brukets olika rökgasströmmar och sedan jämföra tre olika infångningstekniker baserat på deras energibehov. Teknikerna som inkluderades var de kommersiellt tillgängliga teknikerna MEA (monoetanolamin) och HPC (hot potassium carbonate) samt den nya tekniken AMP (2-amino-2-metyl-1-propanol) i DMSO (dimetylsulfoxid) som studeras på Institutionen för kemiteknik på LTH. AMP i DMSO är intressant att jämföra med de kommersiella teknikerna då värmen som behöver tillföras kan ha en lägre temperatur. Dessutom är den utformad så att en mindre andel lösningsmedel behöver värmas och den har därmed potential att kräva mindre energi per ton infångad koldioxid än de kommersiella teknikerna. Källor till överskottsvärme på bruket kartlades och utvärderades för att se hur väl de kunde täcka de olika teknikernas värmebehov.
Resultaten visade att AMP i DMSO var den minst energikrävande tekniken då den hade ett lägre värmebehov än MEA-tekniken och då HPC-tekniken inte bara har ett behov av värme utan också elektricitet. Källor till överskottsvärme hittades som kunde täcka behovet av värme oavsett teknik, men för HPC-tekniken kvarstår behovet av elektricitet som skulle behöva kompenseras för genom minskad leverans av el till elnätet. Examensarbetet gav därmed en bra indikation på vilka tekniker och källor till överskottsvärme som kan vara intressanta att titta vidare på. Det visade också att även om bara en av de mindre rökgasströmmarna på bruket behandlas så kan mer än en tredjedel av de fossila koldioxidutsläppen från hela pappers- och massaindustrin fångas in. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9111403
- author
- Nilsson, Frida LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- CCS, BECCS, pulp and paper industry, pulp mill, excess heat, MEA, HPC, AMP, DMSO, chemical engineering, environmental engineering
- language
- English
- id
- 9111403
- date added to LUP
- 2023-03-06 12:37:59
- date last changed
- 2023-03-06 12:37:59
@misc{9111403,
abstract = {{As the atmospheric carbon dioxide keeps increasing, bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) is getting increased attention as a measure to reduce the emissions of carbon dioxide. It is especially interesting in Sweden where the extensive paper and pulp industry constitutes point sources of biogenic carbon dioxide. As carbon capture requires energy, it is important to investigate the opportunity to use excess heat to cover the energy demand in order to avoid causing new emission which would counteract the purpose of implementing BECCS. In this thesis, integration of excess heat driven carbon capture was investigated on two flue gas streams at the Södra Cell Värö pulp mill in Sweden: the recovery boiler and lime kiln flue gases. Three different carbon capture technologies were investigated, which included the commercially available aqueous MEA (monoethanolamine) and HPC (hot potassium carbonate) as well as the novel technology of AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol) in DMSO (dimethyl sulfoxide). Their energy demands were calculated through mass and energy balances. A mapping of sources of excess heat at the mill was also executed.
The results showed that the lime kiln flue gases would be more reasonable to treat due to the smaller flue gas stream with a higher CO2 concentration. Partial carbon capture of the recovery boiler flue gases could also be an option worth considering. For the lime kiln flue gases, two components of the mill, the condensing turbine and the surface condenser, proved to be sources of excess heat that could cover the heat demand at the cost of some electrical power. The condensing turbine was more promising as it could cover the heat demand regardless of which technology is used while the surface condenser could only be used on the AMP in DMSO technology. In addition, a heat pump is required to make use of the heat from the surface condenser, making the electrical power demand higher for the surface condenser than for the condensing turbine. The MEA and AMP in DMSO technologies required much less energy supply than the HPC technology did but have higher cooling demands.
Further studies are needed which include more detailed process designs, management of the captured CO2, and evaluations of economical feasibility. This thesis gives a good indication on what to focus on going forward.}},
author = {{Nilsson, Frida}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Evaluation of Excess Heat Driven Carbon Capture Integrated at a Swedish Pulp Mill}},
year = {{2023}},
}