Tässä luvussa käsitellään amiinipesurilla tehtävän hiilidioksidin talteenoton toimintaperi-aatetta ja talteenottoprosessin dynamiikkaa. Lisäksi tarkastellaan amiinipesurin toimin-taympäristöä ja tavallisimpia toimintapisteitä.
2.1 Amiinipesurin toimintaperiaate
Amiinipesu on kemiallinen prosessi, joka pohjautuu aineensiirron ja termodynamiikan lakeihin (Duke et al., 2010). Amiinipesulla on mahdollista saada talteen savukaasuista olevasta hiilidioksidista jopa 90 % (Li et al., 2016a). Hiilidioksidin talteenottoprosessi amiinipesurilla voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen: esikäsittelyyn, hiilidioksidin tal-teenottoon ja hiilidioksidin puristamiseen (Li et al., 2016b). Keskeisimmät komponentit hiilidioksidin talteenotossa ovat pesukolonni, haihdutuskolonni ja näitä kolonneja yhdis-tävä lämmönvaihdin. Nämä kolme komponenttia muodostavat amiinipesurin.
Savukaasuissa oleva hiilidioksidi absorboituu pesukolonnissa amiiniliuottimen kanssa matalassa lämpötilassa. Korkeahiilidioksidisen liuottimen lämpötilaa nostetaan lämmön-vaihtimessa ja haihdutuskolonnissa. Lämmittäminen tapahtuu höyryn avulla. Höyry tuo-daan haihdutuskolonnille esimerkiksi voimalaitoksesta, jonka savukaasulinjaan amiini-pesuri on kytketty. Lämmittämisen seurauksena hiilidioksidi vapautuu amiiniliuottimesta kaasuna. Hiilidioksidi poistetaan haihdutuskolonnista ja puristetaan korkeaan painee-seen varastoitavaksi. Matalahiilidioksidinen liuotin palautetaan lämmönvaihtimen kautta takaisin pesukolonnille ja kiertoprosessi alkaa alusta. (Walters et al., 2014)
Hiilidioksidin talteenotto amiinipesurilla on melko yleisesti käytetty teknologia. Käytön yleisyyden mahdollistaa amiinipesureiden skaalaus jopa 800 MW:n voimalaitoksien yh-teyteen (Rochelle, 2009). Amiinipesureiden absorboivana aineena käytetään monoeta-noliamiinin vesiliuosta. Kehittyneemmät absorboivat aineet, esimerkiksi sekundaari- ja tertiääriamiinit, ovat osoittautuneet tehokkaammiksi kuin monoetanoliamiini. Hiilidioksi-din talteenoton korkeiden kustannusten ja energiankulutuksen vuoksi tehokkaampia ab-sorboivia aineita kehitetään jatkuvasti (Rochelle, 2016). Kuitenkin amiinipesun odotetaan olevan vallitsevin hiilidioksidin talteenottomuoto hiilivoimaloissa vuonna 2030 (Rochelle, 2009).
Amiinipesurin säädön kannalta on oleellista tietää amiinipesurin säätöpiirin tärkeimmät sisäänmeno- ja ulostuloarvot. Sisäänmenoarvoilla voidaan säätää prosessia ja saada
haluttuja ulostuloarvoja. Amiinipesurin sisäänmenoarvoja ovat savukaasun massavirta, savukaasun koostumus ja etenkin hiilidioksidipitoisuus. Lisäksi pesu- ja haihdutuskolon-neissa vallitsevia olosuhteita, kuten paineita ja lämpötiloja, saadaan säädettyä. Amiini-pesurin ulostuloarvoja ovat hiilidioksidin talteenoton prosenttiosuus, amiinipesurilta läh-tevän savukaasun hiilidioksidipitoisuus ja amiinipesurilla kuluvan energian suuruus. Op-timaalisessa amiinipesurin toiminnassa talteen otetun hiilidioksidin prosenttiosuus olisi mahdollisimman korkea ja amiinipesurilta lähtevän savukaasun hiilidioksidipitoisuus sekä amiinipesurilla kuluvan energian suuruus mahdollisimman vähäiset. Amiinipesurin energiankulutukselle voidaan asettaa maksimiarvo, jolloin se voi myös toimia sisäänme-noarvona.
Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva amiinipesurissa. Myös kuvasta voi havaita osan amii-nipesurin inputeista ja outputeista. Kuvaan ei ole erikseen nimetty pumppuja ja lämmön-vaihtimia. Ne voivat toimia säätöprosessissa toimilaitteina riippuen säätöstrategiasta.
Useassa tässä työssä tutkittavassa säätöstrategiassa (Lawal et al., 2010; Panahi & Sko-gestad, 2011; Fashami et al., 2012) kuvan 1 oikeaan alareunaan merkityllä lämmönvaih-timella (engl. reboiler) on merkittävä rooli. Tälle lämmönvaihtimelle tulee voimalaitoksen kattilalta höyryä. Höyry kiertää lämmönvaihtimen sisällä putkipakassa ja putkipakkaa ympäröi amiiniliuos. Amiinipesurin energiankulutusta voidaan rajoittaa muun muassa asettamalla tälle lämmönvaihtimen kautta siirtyvälle lämmölle jokin yläraja. Muilla läm-mönvaihtimilla ei säädön kannalta ole niin suurta merkitystä, vaikka amiinipesurin toimin-nan kannalta amiiniliuoksien kiertoa yhdistävällä ristikkäislämmönvaihtimella merkitystä
Kuva 1. Kaaviokuva amiinipesurista. Savukaasun koostumus ja talteen otettavan hiilidioksidin tavoitemäärä vaihtelee riippuen tutkimuksesta. Muokattu lähteestä (Pa-nahi & Skogestad, 2011).
onkin. Vähähiilidioksidista ja hiilidioksidipitoista amiiniliuosta usein yhdistetään ristikkäis-lämmönvaihtimella, jossa vähähiilidioksidisesta amiiniliuoksesta siirtyy lämpöä hiilidiok-sidipitoiseen amiiniliuokseen.
2.2 Amiinipesurin dynamiikka
Prosessin dynaamisella mallinnuksella voidaan tutustua prosessin dynamiikkaan. Pro-sessin dynamiikan tunteminen on tärkeää säädön suunnittelun takia. Prosessien dynaa-minen mallinnus auttaa tuntemaan myös prosessin käyttäytymistä sen toimintaympäris-tössä sekä mahdollisesti optimoimaan prosessin reagointia tilanteissa, joissa prosessiin kohdistuu häiriöitä. Tärkeitä dynamiikan tutkimustapoja amiinipesurin toiminnan kannalta ovat esimerkiksi voimalaitoksen käynnistyksen tai sammutuksen tai kuorman vaihtelui-den simulointi. (Fashami et al., 2012)
Amiinipesurin dynamiikkaa voidaan kuvailla tehtyjen simulointien perusteella. Esimer-kiksi tilanne, jossa kattilalta tarvitaan enemmän tehoja, aiheuttaa savukaasun ran kasvu pesukolonnin läpi. Jos amiinipesuri on säädetty hyvin, savukaasun massavir-ran kasvu kasvattaa amiiniliuoksen kiertonopeutta ja näin ollen savukaasusta saadaan taas tavoiteltu määrä hiilidioksidia talteen. Amiiniliuoksen kiertonopeuden kasvattaminen kasvattaa hetkellisesti myös amiinipesurilla kuluvan energian määrää, sillä esimerkiksi amiiniliuoksen lämmittämiseen ja pumppaamiseen kuluu enemmän energiaa, kun amii-niliuoksen massavirta on suurempi. (Panahi & Skogestad, 2012)
Toinen esimerkki dynamiikan analysoinnista on kattilalta tulevan höyryn määrän rajoitta-minen johonkin maksimiarvoonsa. Höyrystä siirtyvä lämpö vaikuttaa amiiniliuoksen läm-pötilaan. Jos höyryn määrää rajoitetaan, amiiniliuoksen lämpötila laskee, mikä aiheuttaa myös kolonnien lämpötilan laskua. Haihdutuskolonnin lämpötilan lasku heikentää hiilidi-oksidin talteenottoa ja hiilidihiilidi-oksidin talteenoton prosenttiosuus pienenee. Toisaalta en-simmäisen esimerkin perusteella savukaasun massavirran kasvattaminen kasvattaa tar-vittavan höyryn määrää. Jos höyryn määrää ei rajoiteta, amiiniliuoksen kiertonopeuden kasvattaminen kasvattaa myös aina kattilalta tulevan höyryn määrää ja samalla kasvat-taa energiankulutusta. Savukaasun massavirran pienentäminen aiheutkasvat-taa päinvastaisen vasteen. (Panahi & Skogestad, 2012)
2.3 Amiinipesurin toimintaympäristö
Amiinipesurilla puhdistetaan savukaasuja poistamalla hiilidioksidia. Hiilidioksidipitoisia savukaasuja syntyy polttoprosesseissa. Tämän työn kannalta kiinnostavimmat polttopro-sessit ovat dynamiikaltaan nopeita. Kaasuturbiinivoimalaitokset ovat esimerkki nopeasti
reagoivista voimalaitoksista. Amiinipesuri voidaan asentaa voimalaitoksen savukaasu-linjaan jälkikäteen. Amiinipesurille tuleva savukaasu täytyy olla puhdistettu rikki- ja typ-piyhdisteistä, sillä nämä yhdisteet voivat reagoida amiinipesurin liuottimen kanssa ja ha-jottaa amiinipesurin. (Liang et al., 2016a)
Tässä työssä tarkastellaan amiinipesurin toimintaa voimalaitosympäristössä, kaasutur-biinivoimalaitoksen yhteydessä. Kaasuturbiinivoimalaitoksia säädellään usein säävaih-televan sähköntuotannon mukaan. Kaasuturbiinivoimalaitoksella tuotettavan energian määrää kasvatetaan, kun säävaihtelevan energian määrä pienenee, ja päinvastoin. Sää-vaihteleva sähköntuotanto asettaa reunaehdot sille, että kaasuturbiinivoimalaitoksien sähköntuotannon täytyy kyetä tekemään suuriakin kuormanmuutoksia nopeasti.
Kuvassa 2 on esimerkki kaasuturbiinivoimalaitoksen tehonvaihtelusta tuulivoimatuotan-non mukaan. Kuvasta voidaan huomata, että kaasuturbiinivoimalaitokselta kuluu vain noin puoli tuntia 25 MW:n tehon saavuttamiseksi.
Voimalaitoksen toiminta ja kuormanmuutokset vaikuttavat myös amiinipesurin toimin-taan. Merkittävimmät vaikuttavat tekijät ovat voimalaitoksen savukaasun massavirta, voi-malaitoksen tehon vaihtelu ja voimalaitokselta saatavan energian suuruus. Myös savu-kaasun koostumuksella on merkitystä, mutta se on jätetty useissa tutkimuksissa tarkas-telematta (Fashami et al., 2012). Yleisesti voidaan todeta, että mitä hiilidioksidipitoisem-paa savukaasua amiinipesurille tuodaan, sitä tehokkaammin hiilidioksidia myös saadaan talteen (Lawal et al., 2010).
Pesukolonnissa lämpötila on noin 40–60 ºC astetta ja paine lähellä ilmanpainetta. Haih-dutuskolonnissa lämpötila on noin 120 ºC astetta ja paine kaksinkertainen verrattuna pesukolonnin lämpötilaan. Pesukolonniin tulevan savukaasun hiilidioksidipitoisuus on noin 5–12 %. Hiilidioksidipitoisessa absorboivassa aineessa on 0,4–0,5 mol hiilidioksidia
Kuva 2. Kaasuturbiinivoimalaitoksen tehonvaihtelu tuulivoimatuotannon mu-kaan. GT Plant on kaasuturbiinivoimalaitos ja WT Plant tuulivoimatuotanto. Perus-tuu lähteeseen (Tsoutsanis & Meskin, 2019).
yhtä amiinimolekyyliä kohti (Fashami et al., 2012). Haihdutuskolonnista poistuvan pai-neistetun hiilidioksidikaasun paine on 100–150 bar. (Duke et al., 2010)
Yleisimmin absorboivana aineena käytetään monoetanoliamiinin vesiliuosta, jonka pitoi-suus on noin 15–20 m-%. Monoetanoliamiini on hyvin reaktiivinen hiilidioksidin kanssa ja lisäksi sitä on halpaa ja helppo tuottaa (Liang et al., 2016b). Monoetanoliamiini hajoaa korkeassa yli 120 ºC asteen lämpötilassa hapettavassa ympäristössä, joten amiinipe-surin lämpötilat on pidettävä tarpeeksi alhaisina. (Duke et al., 2010) Monoetanoliamiinilla on muitakin haasteita kuin hajoaminen. Monoetanoliamiinilla regeneroinnin energianku-lutus on suuri ja hiilidioksidin absorboimiskyky on matala verrattuna muihin absorboiviin aineisiin. (Liang et al., 2016b)
Monoetanoliamiinilla toimivan amiinipesurin merkittävimmät haasteet liittyvät amiinipe-surin energiankulutukseen ja absorboivan aineen kiertoprosessiin. Uusia amiinipesuri-vaihtoehtoja tutkittaessa käydään läpi useita eri vaiheita, jotka monimutkaistavat amiini-pesurien absorboivien aineiden kehitystä. Absorboivien aineiden kehitys vaatii laborato-riotutkimuksia, prosessin simulointia ja pilottikokeita. Uusien absorboivien aineiden tulisi olla hyviä muun muassa absorptioliukoisuudeltaan ja muulta kinematiikaltaan. (Liang et al., 2016a)