The thermodynamic properties of CO2-mixtures are essential for the design and operation of CO2 Capture and Storage (CCS) systems. A better understanding of the thermodynamic properties of CO2 mixtures could provide a scientific basis to define a proper guideline of CO2 purity and impure components for the CCS processes according to technical, safety and environmental requirements. However the available accurate experimental data cannot cover the whole operation conditions of CCS processes. In order to overcome the shortage of experimental data, theoretical estimation and modelling are used as a supplemental approach.   In this thesis, the available experimental data on the thermodynamic properties of CO2 mixtures were first collected, and their applicability and gaps for theoretical model verification and calibration were also determined according to the required thermodynamic properties and operation conditions of CCS. Then in order to provide recommendations concerning calculation methods for engineering design of CCS, totally eight equations of state (EOS) were evaluated for the calculations about vapour liquid equilibrium (VLE) and density of CO2-mixtures, including N2, O2, SO2, Ar, H2S and CH4.   With the identified equations of state, the preliminary assessment of impurity impacts was further conducted regarding the thermodynamic properties of CO2-mixtures and different processes involved in CCS system. Results show that the increment of the mole fraction of non-condensable gases would make purification, compression and condensation more difficult. Comparatively N2 can be separated more easily from the CO2-mixtures than O2 and Ar. And a lower CO2 recovery rate is expected for the physical separation of CO2/N2 under the same separation conditions. In addition, the evaluations about the acceptable concentration of non-condensable impurities show that the transport conditions in vessels are more sensitive to the non-condensable impurities and it requires very low concentration of non-condensable impurities in order to avoid two-phase problems.   Meanwhile, the performances of evaporative gas turbine integrated with different CO2 capture technologies were investigated from both technical and economical aspects. It is concluded that the evaporative gas turbine (EvGT) cycle with chemical absorption capture has a smaller penalty on electrical efficiency, while a lower CO2 capture ratio than the EvGT cycle with O2/CO2 recycle combustion capture. Therefore, although EvGT + chemical absorption has a higher annual cost, it has a lower cost of electricity because of its higher efficiency. However considering its lower CO2 capture ratio, EvGT + chemical absorption has a higher cost to avoid 1 ton CO2. In addition the efficiency of EvGT + chemical absorption can be increased by optimizing Water/Air ratio, increasing the operating pressure of stripper and adding a flue gas condenser condensing out the excessive water. / QC 20100819

Yes / Evaluation of economic aspects is one of the main milestones that affect taking rapid actions in dealing with GHGs mitigation; in particular, avoiding CO2 emissions from large source points, such as power plants. In the present study, three kinds of capturing solutions for coal power plants as the most common source of electricity generation have been studied from technical and economic standpoints. Aspen HYSYS (ver.11) has been used to simulate the overall processes, calculate the battery limit, and assess required equipment. The Taylor scoring method has been utilized to calculate the costliness indexes, assessing the capital and investment costs of a 230 MW power plant using anthracite coal with and without post-combustion, pre-combustion, and oxy-fuel combustion CO2 capture technologies. Comparing the costs and the levelized cost of electricity, it was found that pre-combustion is more costly, to the extent that the total investment for it is approximately 1.6 times higher than the oxy-fuel process. Finally, post-combustion, in terms of maturity and cost-effectiveness, seems to be more attractive, since the capital cost and indirect costs are less. Most importantly, this can be applied to the existing plants without major disruption to the current operation of the plants.

[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI. / [CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI. / [EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications. / I want to thanks the Universitat Politecnica de Valencia for his predoctoral contract (FPI-2019-S2-20-555), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigacion y Desarrollo (PAID). / Spohr Fernandes, C. (2023). Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193292

[ES] En los últimos años, la preocupación mundial con el aumento de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero ha motivado a las industrias del transporte y la energía a moverse hacia el desarrollo de tecnologías sostenibles con bajas o nulas emisiones de contaminantes de plantas de generación de potencia. Con este escenario, la oxicombustión surge como uno de los métodos más prometedores para mitigar la huella ambiental de plantas de generación de potencia, al erradicar sus emisiones contaminantes del tubo de escape, además de permitir la captura de dióxido de carbono (CO2) de sus gases producidos en la combustión. De esta manera, el oxígeno puro (O2) se diluye con el gas de escape recirculado para que reaccione con el combustible en el proceso de combustión y, de este modo, la corriente de gases de escape, compuesta principalmente por CO2 y vapor de agua, puede ser sometida a etapas elementales de enfriamiento y presurización para capturar CO2 de alta pureza a temperatura ambiente. Dado este contexto, en esta tesis, se desarrolla un modelo de sistema autosostenible a oxicombustión con captura de carbono para un motor policilíndrico de encendido por compresión (MEC) de 2,2 litros turboalimentado y de inyección directa como demostración de viabilidad de este concepto propuesto, considerando su aplicación potencial para el desarrollo de plantas de potencia de altas prestaciones con cero emisiones. En tales circunstancias, se emplea una membrana conductora mixta iónica-electrónica para generar O2 a partir del aire local. Para ello, se recupera la energía residual de los gases de escape mediante un ciclo Brayton adaptado con el fin de proporcionar las condiciones adecuadas para el correcto funcionamiento de la membrana en términos de temperatura y relación de presión alimentación-permeado. Asimismo, se diseña un sistema de captura de carbono (CC) local, compuesto esencialmente por dos compresores alternativos, tres unidades de refrigeración con separación de líquidos (flashes) y un tanque de almacenamiento de CO2, teniendo en cuenta las temperaturas de salida de los flashes y la presión de funcionamiento de la última etapa de purificación del CO2. En primer lugar, se diseña el modelo del sistema de oxicombustión con el motor y sus componentes auxiliares (intercambiadores de calor y turbocompresores) y, a continuación, el sistema es evaluado bajo condiciones de oxicombustión para la curva de plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm en ausencia del CC, contrastando sus resultados con el comportamiento del MEC convencional de referencia. En segundo lugar, se amplía el mapa de funcionamiento de carga del motor de oxicombustión hasta los límites de estabilidad del sistema modificando el dosado oxígeno-combustible y la temperatura de los gases de escape para tres regímenes del motor. Por último, se diseña el CC y se lo acopla a la unidad de generación de O2, reciclando el agua y el exceso de O2 del CC de nuevo a la admisión del motor. A este respecto, un barrido es llevado a cabo sobre el inicio de la inyección y el flujo másico de agua recirculada para encontrar el punto de funcionamiento óptimo a 3500 rpm con respeto a la compensación entre las prestaciones del motor y la potencia de refrigeración adicional. A continuación, se mejora y adapta el modelo del sistema completo de oxicombustión con captura de carbono para una aplicación realista a escala de laboratorio y una prueba de concepto experimental, siguiendo la misma filosofía de compensación. Aunque el diseño final del motor de oxicombustión con captura de carbono presenta un ligero empeoramiento de prestaciones comparado con el MEC convencional de referencia a 3500 rpm, este nuevo concepto propuesto puede seguir siendo competitivo desde el punto de vista de la eficiencia energética como tecnología emergente que puede contribuir a la concepción de plantas de generación de potencia con emisiones cero a escala industrial comercial. / [CA] En els darrers anys, la preocupació mundial amb l'augment de les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle ha motivat les indústries del transport i l'energia a moure's cap al desenvolupament de tecnologies sostenibles amb baixes o nul·les emissions de contaminants de plantes de generació de potència. Amb aquest escenari, l'oxicombustió sorgeix com un dels mètodes més prometedors per mitigar l'empremta ambiental de plantes de generació de potència, en eradicar les emissions contaminants del tub d'escapament, a més de permetre la captura de diòxid de carboni (CO2) dels seus gasos produïts a la combustió. D'aquesta manera, l'oxigen pur (O2) es dilueix amb el gas d'escapament recirculat perquè reaccioni amb el combustible en el procés de combustió i així el corrent de gasos d'escapament, compost principalment per CO2 i vapor d'aigua , pot ser sotmesa a etapes elementals de refredament i pressurització per capturar CO2 d'alta puresa a temperatura ambient. Atès aquest context, en aquesta tesi, es desenvolupa un model de sistema autosostenible a oxicombustió amb captura de carboni per a un motor policilíndric d'encesa per compressió (MEC) de 2,2 litres turboalimentat i d'injecció directa com a demostració de viabilitat d'aquest concepte proposat , considerant la seva aplicació potencial per al desenvolupament de plantes de potència d'altes prestacions amb zero emissions. En aquestes circumstàncies, es fa servir una membrana conductora mixta iònica-electrònica per generar O2 a partir de l'aire local. Per això, es recupera l'energia residual dels gasos d'escapament mitjançant un cicle Brayton adaptat per tal de proporcionar les condicions adequades per al funcionament correcte de la membrana en termes de temperatura i relació de pressió alimentació-permeat. Així mateix, es dissenya un sistema de captura de carboni (CC) local, compost essencialment per dos compressors alternatius, tres unitats de refrigeració amb separació de líquids (flaixos) i un tanc d'emmagatzematge de CO2, tenint en compte les temperatures de sortida dels flaixos i la pressió de funcionament de l'última etapa de purificació del CO2. En primer lloc, es dissenya el model del sistema d'oxicombustió amb el motor i els seus components auxiliars (intercanviadors de calor i turbocompressors) i, a continuació, el sistema és avaluat sota condicions d'oxicombustió per a la corba de plena càrrega del motor des de 1250 rpm fins a 3500 rpm en absència del CC, contrastant els resultats amb el comportament del MEC convencional de referència. En segon lloc, s'amplia el mapa de funcionament de càrrega del motor d'oxicombustió fins als límits d'estabilitat del sistema modificant el dosatge oxigen-combustible i la temperatura dels gasos d'escapament per a tres règims del motor. Finalment, es dissenya el CC i l'acobla a la unitat de generació d'O2, reciclant l'aigua i l'excés d'O2 del CC de nou a l'admissió del motor. Quant a això, un escombrat és dut a terme sobre l'inici de la injecció i el flux màssic d'aigua recirculada per trobar el punt de funcionament òptim a 3500 rpm respecte a la compensació entre les prestacions del motor i la potència de refrigeració addicional. A continuació, es millora i s'adapta el model del sistema complet d'oxicombustió amb captura de carboni per a una aplicació realista a escala de laboratori i una prova de concepte experimental, seguint la mateixa filosofia de compensació. Tot i que el disseny final del motor d'oxicombustió amb captura de carboni presenta un lleuger empitjorament de prestacions comparat amb el MEC convencional de referència a 3500 rpm, aquest nou concepte proposat pot continuar sent competitiu des del punt de vista de l'eficiència energètica com a tecnologia emergent que pot contribuir a la concepció de plantes de generació de potència amb emissions zero a escala industrial comercial. / [EN] In recent years, a worldwide concern with respect to an increase in anthropogenic greenhouse gas emissions has pushed transport and energy industries towards the development of sustainable technologies with low or zero pollutant emissions from powerplants. Within this scenarios, oxy-fuel combustion arises as one of the most promising methods to mitigate the environmental footprint of powerplants, by eradicating their pollutant tailpipe emissions, in addition to enabling carbon dioxide (CO2) capture from their flue gas. In this case, pure oxygen (O2) is diluted with recirculated exhaust gas to react with fuel for the combustion process and, thereby, the exhaust stream, mainly composed of CO2 and water vapor, may be subjected to elementary cooling and pressurizing steps for capturing high-purity CO2 at ambient temperature. Therefore, in this thesis, a self-sustaining oxy-fuel carbon-capture layout model is developed for a 2.2 liter turbocharged and direct-injection multicylinder compression ignition engine (CIE) as a feasibility demonstration of this proposed concept considering its potential application for development of zero-emission high-duty powerplants. In such circumstances, a mixed ionicelectronic conducting membrane is employed to generate O2 from air in-situ. For this purpose, exhaust gas wasted energy is recovered via a tailored Brayton cycle in order to provide suitable conditions for proper membrane operation in terms of temperature and feed-permeate pressure ratio. Also, an in-situ carbon capture system (CC), composed essentially of two reciprocating compressors, three cooling units with liquid separation (flashes) and a CO2 storage tank, is designed taking into account the flash out temperatures and operating pressure of the last CO2 purification step. Firstly, the oxy-fuel layout model with engine and its auxiliary components (heat exchangers and turbochargers) is designed and then assessed under oxyfuel combustion conditions for the engine full-load curve from 1250 rpm to 3500 rpm in the absence of the CC, contrasting its outputs against the baseline conventional multi-cylinder CIE behavior. Secondly, the oxy-fuel powerplant load operation map is extended until system stability limits by modifying oxygen-fuel ratio and exhaust gas temperature for three engine speeds. Finally, the CC is designed and then coupled to the O2 generation unit, recycling water and excess of O2 from CC back to engine intake. In this regard, start of injection and recirculated water mass flow are swept in order to find out optimum operating point concerning the trade-off between powerplant performance and additional cooling power at 3500 rpm. Thereafter, the complete oxy-fuel carbon-capture layout model is enhanced and adapted for realistic application at laboratory scale and experimental proof of concept, following same trade-off philosophy. Although the final oxyfuel carbon-capture engine layout presents slight deterioration in performance if compared to the baseline conventional multi-cylinder CIE at 3500 rpm, this proposed novel concept may be still energy-efficient competitive as an emerging technology which might contribute for conception of zero-emission powerplant on commercial industrial scale. / Farias Da Silva, VH. (2024). Study of oxy-fuel combustion-based power plants with in-situ O2 production and carbon capture [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207281