Analysis of CO₂ separation unit integration with the thermal-steam cycle of the power unit

Światowe tendencje w ochronie środowiska wskazują na konieczność ograniczenia emisji dwutlenku węgla, który wpływa na rozwój efektu cieplarnianego. Ponieważ podstawowym paliwem wykorzystywanym w energetyce zawodowej jest węgiel, sektor przemysłu jest największym emitorem CO2; zatem prace nad redukcją dwutlenku węgla w tej branży są w pełni uzasadnione. Wchwili obecnej adsorpcyjne technologie wychwytu CO2 nie są jeszcze zastosowane w skali przemysłowej, tym samym nie posiadamy w pełni udokumentowanych informacji dotyczących ich wpływu na bloki energetyczne. Przy wykorzystaniu oprogramowania IPSEpro zamodelowano obieg referencyjny bloku o mocy 833MWe oraz układ separacji CO2 ze spalin, który bazuje na metodach adsorpcyjnych. Analizowano technologię PTSA (Pressure Temperature Swing Adsorption) stanowiącą połączenie dwóch technologii separacji PSA (Pressure Swing Adsorption) i TSA (Temperature Swing Adsorption). Po opracowaniu układów zintegrowano jednostkę wychwytu dwutlenku węgla i innych urządzeń technologicznych z obiegiem parowo-wodnym elektrowni. Integracja w tym wypadku polega na jak najbardziej optymalnym rozmieszczeniu wszystkich urządzeń niezbędnych separacji i transportu CO2. Dane uzyskane z obliczeń modelowych pozwoliły na dokładną analizę wpływu układu separacji CO2 oraz innych niezbędnych urządzeń potrzebnych do realizacji samego procesu wychwytu CO2 i jego przygotowania do transportu w postaci ciekłej na moc bloku oraz sprawność obiegu. Przeprowadzona analiza pozwoliła na oszacowanie ilości dwutlenku węgla, który nie zostanie wyemitowany do atmosfery, co niewątpliwie może zmniejszyć uciążliwość instalacji energetycznych dla środowiska.Global trends in environmental protection point to the need to reduce emissions of carbon dioxide contributing to the greenhouse effect. Since the primary fuel used in the power industry is coal, the power industry is the largest emitter of CO2, justifying a particular focus on reducing the emissions fromthis source. At present, adsorption technologies for CO2 capture are not yet used on a commercial scale, and there is a lack of adequate information concerning their effects on energy units. IPSEpro software was used for modeling a reference thermal-steam cycle power unit with an 833MWe load, and CO2 separation fromthe flue gas unit (which is based on adsorptionmethods). This study analyzed PTSA (Temperature Pressure Swing Adsorption) technology, which represents a combination of two separation technologies – PSA (Pressure Swing Adsorption) and TSA (Temperature Swing Adsorption). After the development of the systems of the power unit, the carbon dioxide capture unit and other technological installations were integrated into the thermal-steam cycle of the power unit. Integration in this case relied on the optimal arrangement of all the equipment necessary to carry out the task of reducing emissions of carbon dioxide in the steam cycle of the power unit. The data obtained from the model’s calculations allowed for accurate analysis of the impact of the separation of CO2. It was also possible to evaluate other devices needed for the implementation of the process of CO2 capture and preparation for transport in liquid form, considering the unit load and the cycle efficiency. The analysis made it possible to estimate the carbon dioxide amount not emitted into the atmosphere, a key factor in measuring the impact of power plants on the environment

Simulation analysis of work of PTSA adsorption unit for carbon dioxide separation from flue gas

W prezentowanej pracy została przedstawiona technologia separacji dwutlenku węgla ze spalin kotłowych wykorzystująca proces adsorpcji bazujący na zdolności sorbentu do selektywnego pochłaniania składników mieszanin gazowych. Technologia ta, zwana postcombustion, jest połączeniem metody adsorpcji zmiennociśnieniowej i zmiennotemperaturowej (metoda PTSA) i stanowi elastyczną technikę, mogącą znaleźć zastosowanie w istniejących już blokach energetycznych. Jednostka PTSA do wychwytu CO2 została opracowana jako model matematyczny przy wykorzystaniu oprogramowania IPSE-pro firmy SimTech, który to model umożliwił przeprowadzenie symulacji numerycznych. Celem wykonanych obliczeń symulacyjnych było określenie warunków pracy układu PTSA, w szczególności określono wpływ temperatury i ciśnienia spalin na proces adsorpcji, wpływ ciśnienia desorpcji na zapotrzebowanie na sorbent, a także wpływ parametrów czynnika grzejnego na proces desorpcji oraz ustalono optymalne parametry pracy układu separacji.This paper presents one of the post-combustion methods of capturing carbon dioxide. The basics of adsorption process are shown, and the adsorption model PTSA is presented. The PTSA model is a combination of two different methods of separation: Pressure Swing Adsorption (PSA) and Temperature Swing Adsorption (TSA). The standard library from IPSE-pro software does not include a model for the separation unit, therefore is why a mathematical model was developed and imported to the IPSE-pro. Carried out simulations are designed to analyze the work conditions of the PTSA. This study focuses on three effects: the temperature and gas pressure effect on the process of adsorption, desorption pressure effect on the demand for sorbent and the parameters of a heating medium effect on the desorption process. Justified values of parameters of the separation units are defined. Experimental work is conducted by using synthetic 5A zeolite. The adsorption process in the PTSA system is operated with temperature and pressure corresponding to the temperature and pressure of the flue gas, which is introduced to capture units. In the first stage of the simulation, tests are conducted. The tests are to determine the parameters of flue gas, which allows reducing requirements on the sorbent and reducing the energy required to regenerate the sorbent. After the adsorption process, sorbent along with adsorbed CO2 is subjected to the regeneration process, in which carbon dioxide is released from the surface and pores of the sorbent. Regeneration of the sorbent allows restoring the original sorption properties of the sorbent and thus it can be used in subsequent cycles. The temperature, in which the desorption process takes place has a significant meaning and the heat source can be derived from a steam turbine. The next stage of this study is to examine the effect of pressure and temperature of the heating steam on the demand for the sorbent and desorption heat. Extraction steam is used to carry out the regeneration of sorbent

Fuzzy logic approach in the analysis of heat transfer in a porous sorbent bed of the adsorption chiller

Thermal conductivity in the boundary layer of heat exchange surface is the crucial parameter of adsorption process efficiency which occurs in the adsorption bed. In order to improve heat transfer conditions in the adsorption chiller, novel constructions of adsorption beds are currently investigated. The porous structure of the sorbent layer causes low thermal conductivity in the adsorption bed. One of the methods to improve heat transfer conditions is a modification of porous media bed structure with glue which is characterized with higher thermal conductivity. The optimum parameters of sorbents and glues to build the novel coated construction, in terms of improving the chiller Coefficient of Performance (COP) were defined in (Grabowska et al. 2018a). The paper implements fuzzy logic approach for predicting thermal conductivity of modified porous media layers. The developed model allows determination of the sorbent layer thermal conductivity based on various input parameters: arithmetic average of particle distribution d, density ρ and thermal diffusivity k. The data from empirical research was used to build up the model by fuzzy logic methods