Hollow Fiber Membrane Contactors for CO₂ Capture: Modeling and Up-Scaling to CO₂ Capture for an 800 MW_e Coal Power Station

Contacteurs à membrane à fibres creuses pour la capture de CO₂ : modélisation et mise à l’échelle de la capture du CO₂ d’une centrale électrique au charbon de 800 MWe

¹ TNO, Leeghwaterstraat 46, 2628 CA Delft – The Netherlands
² E-ON New Build & Technology Ltd, Ratcliffe on Soar Nottingham, NG11 0EE – United Kingdom
³ IFP Energies nouvelles, rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize – France
e-mail: erin.kimball@tno.nl

^* Corresponding author

Abstract

A techno-economic analysis was completed to compare the use of Hollow Fiber Membrane Modules (HFMM) with the more conventional structured packing columns as the absorber in amine-based CO₂ capture systems for power plants. In order to simulate the operation of industrial scale HFMM systems, a two-dimensional model was developed and validated based on results of a laboratory scale HFMM. After successful experiments and validation of the model, a pilot scale HFMM was constructed and simulated with the same model. The results of the simulations, from both sizes of HFMM, were used to assess the feasibility of further up-scaling to a HFMM system to capture the CO₂ from an 800 MW_e power plant. The system requirements – membrane fiber length, total contact surface area, and module volume – were determined from simulations and used for an economic comparison with structured packing columns. Results showed that a significant cost reduction of at least 50% is required to make HFMM competitive with structured packing columns. Several factors for the design of industrial scale HFMM require further investigation, such as the optimal aspect ratio (module length/diameter), membrane lifetime, and casing material and shape, in addition to the need to reduce the overall cost. However, HFMM were also shown to have the advantages of having a higher contact surface area per unit volume and modular scale-up, key factors for applications requiring limited footprints or flexibility in configuration.

Résumé

Une analyse technico-économique a été effectuée pour comparer les modules de membrane à fibres creuses (HFMM, Hollow Fiber Membrane Modules) avec les colonnes à garnissage structuré, plus conventionnelles, pour une utilisation comme absorbeur dans les systèmes de capture de CO₂ à base d’amine pour centrale électrique. Afin de simuler le fonctionnement d’un système HFMM de taille industrielle, un modèle bidimensionnel a été développé et validé en se basant sur les données issues d’un HFMM de laboratoire. Après diverses expériences réussies et une validation du modèle, un HFMM à l’échelle du pilote a été construit et simulé avec le même modèle. Les résultats des simulations, pour les deux tailles de HFMM, ont été utilisés pour évaluer la faisabilité d’une mise à l’échelle vers un système HFMM à même de capturer le CO₂ d’une centrale électrique de 800 MWe. Les exigences du système – longueur totale de la membrane, surface totale de contact et volume du module – ont été déterminées à partir des simulations et utilisées pour établir une comparaison économique avec les colonnes à garnissage structuré. Les résultats indiquent qu’une réduction significative des coûts d’au moins 50% est nécessaire pour rendre les HFMM compétitifs par rapport aux colonnes à garnissage structuré. Des études approfondies restent nécessaires pour optimiser plusieurs paramètres de conception des HFMM de taille industrielle, tels que le rapport d’aspect (longueur/diamètre du module), la durée de vie de la membrane, le matériau et la forme du module, tout en abaissant le coût global. Cependant, les HFMM présentent l’avantage d’une surface de contact par unité de volume et d’une capacité de mise à l’échelle du module plus importantes, ces paramètres étant clés pour les applications nécessitant une empreinte limitée ou une configuration flexible.