Excess heat utilisation in oil refineries - CCS and algae-based biofuels
Doktorsavhandling, 2016

The main objective of this thesis is to investigate two different concepts for CO2 mitigation, from a system perspective, in relation to the oil refining industry: CO2 capture and storage; and algae-based biofuels. For all these processes, process integration with an oil refinery is assumed. The oil refinery sector is a major emitter of CO2 and is responsible for 9% of the industrial emissions of CO2 worldwide. Oil refineries have large amounts of unused excess heat, which can be used to satisfy the heat demands of a CO2 capture plant, a land-based algal cultivation facility, or an algae-based biofuel process. The use of this excess heat significantly reduces the cost for CO2 capture, while an economic evaluation for algae-based biofuels has not been made. Since the amount of heat available from the oil refinery´s processes increase with decreasing temperature in the stripper reboiler, it was investigated how much heat was available at different temperatures. It was also investigated how the decreased temperature would affect the heat demand of CO2 capture processes that use MEA or ammonia as the absorbent. The findings show that it is possible to capture more CO2 using excess heat when the temperature in the stripper reboiler is decreased. For the MEA process, the lower limit of the temperature interval investigated showed the maximum CO2 capture rate, while the ammonia process benefitted from a lower temperature than the standard temperature but showed maximal CO2 capture rate above the lower limit. These results are valid only when using excess heat to satisfy the entire heat demand. At the case study refinery, the available excess heat could satisfy between 28% and 50% of the heat demand of the MEA process when treating the flue gases from all chimneys, depending on the temperature in the stripper reboiler. This utilisation of excess heat represents a way to reduce significantly the costs for CCS in an oil refinery. Land-based cultivation of algae proved to be unsuitable for the utilisation of excess heat. Since the cultivation pond is exposed to wind, rain, and cold, the heat demand fluctuates strongly over the year, making the pond an unstable recipient of the excess heat. Three types of biofuel processes based on microalgae and macroalgae were investigated with respect to integration with the oil refinery. For the algae-based biofuel processes, heat integration and material integration combined to increase the efficiency of the system. When two different build margin technologies (with different CO2 emission factors) are employed for electricity production, macroalgae-based biofuel production appears to be the more robust process from the perspective of CO2 due to the lower electricity demands of the algal cultivation and harvesting phases.

carbon capture and storage (CCS)

algae biofuels

carbon dioxide

techno-economic

renewable diesel

CO2 emissions

oil refining industry

process integration

post-combustion

GHG emissions

Virtual Development Laboratory (VDL)
Opponent: Professor Truls Gundersen, Department of Energy and Process Engineering, Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet, Norway

Författare

Viktor Andersson

Chalmers, Energi och miljö, Energiteknik

Techno-economic analysis of excess heat driven post-combustion CCS at an oil refinery

International Journal of Greenhouse Gas Control,; Vol. 45(2016)p. 130-138

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Industrial excess heat driven post-combustion CCS: The effect of stripper temperature level

International Journal of Greenhouse Gas Control,; Vol. 21(2014)p. 1-10

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Algae-based biofuel production as part of an industrial cluster

Biomass and Bioenergy,; Vol. 71(2014)p. 113-124

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Andersson, V., Heyne, S., Berntsson,T. Comparison of three algae-based biofuel routes and the possibilities for process integration with an oil refinery

Andersson, V., Normann, F., Franck, P-Å., Berntsson, T. Efficient utilization of industrial excess heat for absorption-based CO2 capture

Dagens oljeraffinaderiindustri är till väldigt stor del baserad på fossil råolja som ger ett nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären via rökgaser både vid produktion och vid användning. Raffinering av råolja till olika användbara produkter står för 9 % av industrisektorns globala växthusgasutsläpp. Den här avhandlingen handlar om två olika sätt att minska växthusgasutsläppen: koldioxidinfångning och biobränslen baserade på alger. Det skall i så stor utsträckning som möjligt ske med det överskottsvärme som redan idag kyls bort med hjälp av kylvatten eller kalluft. Fokuset på överskottsvärme beror på att det är en viktig del i systemet i den här avhandlingen. Avhandlingen använder sig av ett systemperspektiv med utvidgad systemgräns, vilket betyder att även värme- och elproduktionens växthusgasutsläpp beräknas och räknas in i växthusgasbalanserna.

Koldioxidinfångning är en omstridd teknik, men av många ansedd som en nödvändig teknik för att få ner utsläppen i tid. Det finns flera koldioxidinfångningstekniker men två av de mest diskuterade alternativen är kemisk absorption med antingen monoetanolamin (MEA) eller ammoniak. Dessa två alternativ har undersökts i ett systemperspektiv. Kemisk absorption är en mycket värmeintensiv process, men raffinaderiet har som tidigare nämnts tillgång till överskottsvärme. Fallstudieresultaten i den här avhandlingen pekar på att det går att fånga mer koldioxid genom att sänka temperaturen i återkokaren i stripper-kolonnen jämfört med standardtemperatur för processen. Visserligen höjs det specifika värmet, i kJ/kgCO2, men det finns också mer värme tillgängligt vid lägre temperaturer.  Under förutsättningarna använda i den här avhandlingen är det också en ekonomisk vinst att använda överskottsvärme jämfört med att producera värmet i en panna.

Algbaserade produkter röner allt större intresse från framförallt den petrokemiska industrin och raffinaderier. Som råvara för biobränsleproduktion har både mikro- och makroalger undersökts via tre olika processvägar. Fallstudien visar att för mikroalger så är det ett stort forskningsbehov på effektiva odlings- och skördemetoder. Makroalger är i nuläget ett mer robust alternativ, med större minskningar av växthusgasutsläpp över hela cykeln från odling till färdigt biobränsle. Fallstudieresultaten visar också att samlokalisering med ett oljeraffinaderi inte bara ger tillgång till värme, men också till insatsvaror som exempelvis vätgas som tillverkas på ett effektivt sätt. Dessutom kan bioraffinaderiet dra nytta av infrastrukturen som redan finns på raffinaderiet för att distribuera sina produkter.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Kemiska processer

Annan naturresursteknik

Bioprocessteknik

Bioenergi

Energisystem

Miljöbioteknik

Styrkeområden

Energi

ISBN

978-91-7597-452-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4133

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Virtual Development Laboratory (VDL)

Opponent: Professor Truls Gundersen, Department of Energy and Process Engineering, Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet, Norway