Temperature swing adsorption processes for CO2 capture from power plants in integrated steel mills

This dissertation aims at assessing the potential of employing temperature swing adsorption processes to perform carbon capture from the flue gas of the power plants integrated into steel mills. In order to provide a more comprehensive overview of the application, two different types of power production plants are considered, namely a subcritical steam cycle and a combined cycle. Two gas-solid reactor technologies are investigated and compared for the operation of adsorption-regeneration cycles: circulating fluidized beds and fixed beds. As regards the former, a completely original model is developed and implemented into a new simulation tool, whereas for the latter an already validated model made available at Separation Processes Laboratory (ETH, Zurich) is employed. The results highlight appealing features and remarkable technical issues for both technologies: on the one hand circulating fluidized beds could be synonym of low energy consumptions and compact plant layouts, but major issues concerning heat exchange from the vessel to an external fluid and the handling of the solid sorbent place restrictive constraints on the achievement of notable performances; on the other hand fixed beds seem to suit better the course of a TSA process, though the implementation of a real size carbon capture plant appears unrealistic, owing to the enormous number of vessel required to process sizable flow rates.

Il presente lavoro di tesi è finalizzato alla valutazione della possibilità di impiegare processi Temperature Swing Adsorption per effettuare il sequestro di CO2 dai fumi di centrali per produzione di potenza asservite ad acciaierie integrate. Al fine di offrire una panoramica più ampia su questa applicazione, vengono analizzate due diverse tipologie di impianti di produzione di potenza: un ciclo a vapore subcritico e un ciclo combinato. Lo studio si incentra sull’analisi e il paragone tra due tecnologie di reattore per processi gas-solido: sistemi a letti fluidi circolanti e sistemi a letti fissi. Per i primi, un nuovo metodo di modellizzazione è sviluppato e tradotto in un codice di calcolo, mentre per i secondi viene utilizzato un modello già convalidato reso disponibile dal Separation Process Laboratory (ETH, Zurigo). I risultati evidenziano per entrambe le tecnologie la presenza di caratteristiche interessanti così come di problematiche rilevanti: da un lato i letti fluidi circolanti sono potenzialmente sinonimo di bassi consumi energetici e ridotte dimensioni di impianto, ma il raggiungimento di prestazioni di rilievo è pregiudicato dai limiti riscontrati nello scambio termico tra il reattore e un fluido termovettore esterno e da complicazioni legate alla movimentazione dei solidi; d’altra parte, i letti fissi sembrano essere una soluzione più conforme alle dinamiche dei cicli TSA, ma la realizzazione di un impianto in scala reale per la cattura di anidride carbonica appare del tutto irrealistica, per via dell’enorme numero di reattori necessari per processare ingenti portate di gas.