Den stora oron för de ökade växthusutsläppen och klimatförändringas effekter har uppmuntrat utvecklingen av åtgärder för att motverka de negativa konsekvenserna. En av de tekniker som har uppmärksammats under de senaste decennierna är kolavskiljningstekniken. Men nuförtiden är kolavskiljning en teknik som är relaterad till höga kostnader där både kapital- och driftskostnaderna är höga. Därför utfördes i detta projekt ett försök att minska kostnaden genom att ersätta den absorptionspackade kolonnen med ett nytt kompakt system. I detta fall atomiserade det kompakta systemet lösningsmedlet till droppar för att öka massöverföringen av koldioxidabsorptionen. Syftet med detta projekt var att utföra en jämförande teknisk-ekonomisk utvärdering av den konventionella kemiska absorptionsprocessen med packade kolonner mot en process med ett kompakt system. En processmodell för den konventionella processen etablerades i Aspen Plus. Dessutom manipulerades den berikade lösningen i samma processmodell för att simulera den förbättrade absorptionen på grund av atomatiseringen av lösningsmedlet. Det resulterade i att implementeringen av det kompakta systemet kunde generera tekniska förbättringar som ett minskat användande av lösningsmedel och en lägre återkokningsbelastning i regenereringskolonnen. Det var dock ingen betydande minskning av den totala fångstkostnaden. I det här fallet var de främsta bidragande faktorerna till fångstkostnaden var kompressorkostnaden och det höga elpriset. Känslighetsanalysen visade dock i huvudsak att fångstkostnaden skulle kunna sänkas när elpriset är lägre. Man kan dra slutsatsen att kompakta system är en lovande teknik som skulle kunna bidra till utvecklingen av kolavskiljningstekniken. Framtida undersökningar av processdesignen krävs dock för att sänka fångstkostnaden ännu mer. / The great concern regarding the increased greenhouse emissions and the effects of the climate change has encouraged the development of solution in order to counteract the negative consequences. One of the technologies that has gained attention during the last decades has been the carbon capture technology. However, nowadays the carbon capture has been a technology that has been related to high capture costs where both capital and operational costs usually has been high. Therefore, in this project, an attempt was realized to reduce the capture cost by replacing the absorption packed column with a novel compact system. In this case, the compact system atomized the solvent into droplets in order to enhance the mass transfer of the carbon dioxide absorption. The aim of this project was to perform a comparative techno-economical evaluation of the conventional chemical absorption process with packed columns to a process with a compact system. A process model for the conventional process was established in Aspen Plus. Furthermore, the rich loading was varied in the same process model in order to simulate the enhanced absorption due to the atomization of the solvent. It resulted that the implementation of the compact system could generate technical benefits such as a reduced solvent utilization and a lower reboiler duty in the stripper column. However, there was no significant reduction regarding the total capture cost. In this case, the main contributors to the capture cost were the compressor cost and the high electricity price. Nevertheless, the sensitivity analysis showed principally that the capture cost could be reduced if the power required in the flue gas compressor can be reduced. It could be concluded that the compact system is a promising technology that could contribute to a further development of the carbon capture technology. However, future investigations regarding the process design are required in order reduce the capture cost even more.

Utveckling av en innovativ teknologi för koldioxidavskiljning med användning av aerosoldroppar av en kaliumkarbonatlösning. Laboratorieexperiment för att studera koldioxidabsorptionsprocessen under olika driftsförhållanden (temperatur, K2CO3- och CO2-koncentration, mängd genererad aerosol) / Development of an innovative technology for carbon capture using aerosol droplets of a potassium carbonate solution. Laboratory experiments to study CO2 absorption process with various operating conditions (temperature, K2CO3 and CO2 concentration, amount of aerosol generated)

Att koldioxidutsläppen neutraliseras är avgörande för att begränsa klimatförändringarna. Bioenergi i kombination med separation och lagring av koldioxid (BECCS) är en Teknik som kan generera negativa utsläpp. Det största hindret för dess storskaliga genomförande är de höga energikraven för processen. Detta projekt syftar till att kvantifiera energistraffen för lean solvent flash och modifikationer för multitrycksstrippning för att förbättra prestandan av koldioxidavskiljning (CC) i en kraftvärmeverksanläggning för förbränning av biomassa.  En jämviktsmodell utvecklades och validerades för att simulera en fullskalig CC genom kemisk absorption i Aspen Plus med kaliumkarbonat som lösningsmedel. Båda layoutändringarna resulterar i energipåföljder på 18-21 % för en kraftvärmeverk, medan energistraffet för baslinjeprocessen är 5 %. För ett kraftverk går straffen från 32 till 62 %. Detta visar hur en förbättring av processen kan minska kostnaderna för CCS, särskilt om värme anses vara en värdefull produkt. CCS i kraftvärmeverk har en mycket lägre energipåverkan än i kraftverk där värme inte återvinns. / Bio-energy with carbon capture and storage (BECCS) is a technology that can generate negative emissions. Hence it is recognized as a solution for becoming carbon neutral, which is essential for climate change mitigation. The main obstacle for its large scale implementation is the high energy requirements of the process. This thesis aims at quantifying the energy penalties for lean solvent flash and multi-pressure stripper layout modifications to improve the performance of carbon capture (CC) by means of absorption with a liquid solvent in a biomass-fired CHP plant. The work focuses on K2CO3 based solvents operated in a mixed temperature swing/pressure swing cycle witch is deemed advantageous for heat recovery.  An equilibrium model was developed and validated to simulate a full-scale CC by chemical absorption in Aspen Plus using potassium carbonate as solvent. Both layout modifications result in energy penalties of 18-21 % for a CHP plant, while the energy penalty for the baseline process is 28 %. For a power plant, the penalties go from 32 % to 62 % for the lean solvent flash and the multi-pressure stripper respectively. This shows how improving the process can reduce the costs of CCS, especially if heat is considered a valuable product. CCS in CHP plants has a much lower energy impact than in power plants where heat is not recovered.

BECCS (Bioenergy Carbon Capture and Storage) is an important part of measures to achieve zero net emissions globally by 2050, as the technology can create carbon sinks. However, the technology is very energy-intensive and expensive, and affects the existing systems at implementation. The purpose of this study is to investigate the possibility of implementing BECCS at Karlstad Energy's biofuel-fired CHP-plant, Heden 3. The goal is, by simulation in CHEMCAD, to generate energy consumption key figures for two different separation technologies (MEA-MonoEthanolAmine and HPC-HotPotassiumCarbonate) with 90 % separation rate in three different operating cases. In addition, the systemic impact on Heden 3 will be determined by analyzing three different scenarios. In the first scenario fuel consumption is kept unchanged and steam to the carbon capture system is extracted before the turbine. In the second scenario fuel supply increases to meet the district heating needs of the existing system and steam to the carbon capture system is extracted before the turbine. In the third scenario fuel supply is kept unchanged and steam is extracted from the turbine. In addition, the study investigates various transport options for storage of carbon dioxide and finally calculate the total carbon sink Karlstad Energy can contribute to. The results show that production of electricity is reduced by 65-87 % after implementation of MEA and 151-238 % for HPC in the first scenario. Without heat utilization in the carbon capture system, heat production is reduced by 66-86 % with MEA and 54-76% for HPC. In the second scenario, a fuel supply increase by 134 % is required to meet the needs, which corresponds to more than twice the boiler capacity and results in a reduced production of electricity by 247 %. In the third scenario, production of electricity is reduced by 104 % at maximum load with HPC. The HPC system has high-quality heat to utilize, probably enough to meet the district heating needs without increasing the boiler power. But heat optimization opportunities need to be further explored in order to be able to express something to a greater extent. The MEA process does not offer the same opportunities for heat utilization. As the CHP-plant have heat as the main product, HPC would be a more suitable alternative despite the high load on the electricity production. The performance of the carbon dioxide plant seems to vary between different operating cases and it can be concluded that the variation is related to the flue gas composition rather than being load dependent. Transport of carbon dioxide by train has the lowest carbon dioxide emissions and requires the least number of cargoes for transport from Karlstad to storage in Norway. However, this is not relevant at present because of the lack of rail connection to the plant. Total carbon sink is approximately 127 000 tonnes per year if the boiler capacity is assumed to be unchanged. / BECCS (Bioenergy Carbon Capture and Storage) är en viktig del av åtgärder i målet om att nå nollnetto utsläpp år 2050 globalt, då tekniken kan skapa kolsänkor. Tekniken är dock mycket energikrävande och dyr, och påverkar de befintliga systemen vid implementering. Syftet med den här studien är att undersöka möjligheten att implementera BECCS på Karlstad Energis biobränsleeldade kraftvärmeverk, Heden 3. Målet är att, genom simulering i CHEMCAD, ta fram förbrukningsnyckeltal för två olika avskiljningstekniker (MEA-MonoEtanolAmin och HPC-HotPotassiumCarbonate) med 90 % avskiljningsgrad vid tre olika driftfall. Dessutom ska systempåverkan på Heden 3 fastställas genom analys av tre olika scenarier. I första scenariot hålls bränsleförbrukningen oförändrad och ånga till koldioxidavskiljningssystemet tappas av innan turbinen. I det andra scenariot ökar bränsletillförseln för att tillgodose fjärrvärmebehovet i det befintliga systemet och ånga till koldioxidavskiljningssystemet tappas av innan turbinen. I det tredje scenariot hålls bränsletillförseln oförändrad och ånga extraheras från turbinen. Därtill undersöks i studien olika transportmöjligheter till lagringsplats av koldioxiden och slutligen beräknas den totala kolsänkan Karlstad Energi kan bidra med. Resultaten visar att elproduktionen i det första scenariot reduceras med 65-87 % för MEA och för HPC 151-238 %. Utan värmeutnyttjande från koldioxidavskiljningssystemen reduceras värmeproduktionen med 66-86 % med MEA och 54-76 % med HPC. I det andra scenariot krävs att bränsletillförseln ökar med 134 % för att tillgodose behoven vilket motsvarar mer än dubbla panneffekten och innebär en reducerad elproduktion på 247 %. I det tredje scenariot reduceras elproduktionen med 104 % vid maximal last med HPC.  I HPC-systemet finns högvärdig värme att utnyttja, sannolikt tillräckligt mycket för att kunna uppfylla fjärrvärmebehovet utan att öka panneffekten. Men värmeoptimeringsmöjligheter behöver undersökas ytterligare för att kunna uttrycka något i större omfattning. I MEA-processen finns inte samma möjligheter till värmeutnyttjande. Eftersom kraftvärmeverket har värme som främsta produkt skulle således HPC vara ett lämpligare alternativ trots den höga belastningen på elproduktionen. Koldioxidanläggningens prestanda förefaller variera mellan olika driftfall och med en enklare undersökning kunde slutsatsen dras att variationen har ett samband med rökgassammansättningen snarare än att det är ett lastberoende. Transport av koldioxid med tåg har lägst koldioxidutsläpp och kräver minst antal laster för transport från Karlstad till lagring i Norge. Detta är dock inte aktuellt i dagsläget på grund av avsaknaden av räls in till verket. Den totala kolsänkan är cirka 127 000 ton per år om pannan antas köras oförändrat.