During the last two centuries the concentration of carbon dioxide in atmosphere increased approximately from 275 to 400 ppm. This higher concentration has already produced effects on climate, accordingly to indications of most of climatic models, this trend will dramatically change the global temperature in the next decades. The control of the anthropogenic greenhouse gas emissions is one of the most important challenges for the next years. Energy production from fossil fuel is responsible of a great part of the greenhouse emissions. In the last ten years, has been much effort on finding a long term solution to this problem, mostly based on innovative and clean power technologies. Even if renewable sources of energy could cover part of the energy demand, the world is likely to remain fossil fuel dependent. In order to reduce green-house gas emissions while continuing to use these fuel to satisfy a significant fraction of our energy demand, different technologies to capture CO2 are under investigation. One way to reduce CO2 emissions in atmosphere from fossil fuels is Carbon Capture and Storage (CCS). In this field, in the latest years different innovative technologies for near-zero emissions plants have been investigated. Carbon capture processes in a coal or natural gas power plants, falls in one of the following three main categories: Pre-combustion where CO2 separation occurs from synthesis gas, downstream a water gas shift reactor, Oxy-combustion where the energy conversion process is modified (typically by using oxygen as comburent agent) and CO2 separation from flue gases (post-combustion). A new advanced technology, based on the selective membranes could be applied in all the three different categories. In this thesis a detailed model for the simulation of the membrane reactor was developed, then used for the investigation of selective membranes in coal and natural gas feeding power plants. There are several categories of membranes; in this thesis, three of those has been assessed, selective to H2, O2 and CO2. The first one used in pre-combustion systems, due to its positive effect on reforming and water gas shift reactions. By extracting hydrogen from the reacting syngas stream, the charge conversion is favored leading to significant efficiency advantages. Oxygen membranes could be used in pre-combustion and Oxy combustion plants, in substitution of the ASU (Air Separation Unit), for the production of a stream of pure oxygen. CO2 membrane could be a good alternative to chemical solvents in post combustion power plant, reducing the efficiency penalty and environmental issues related to amines.

Negli ultimi due secoli la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera è aumentata da 275 a 400 ppm. Questa maggiore concentrazione ha già avuto effetti sul clima, da cui la necessità di un controllo delle emissioni di gas serra provenienti dalle centrali a fonte fossile. Negli ultimi dieci anni, considerevoli sforzi sono stati spesi per trovare una soluzione a lungo termine a questo problema. Anche se le fonti di energia rinnovabile potrebbero coprire parte del fabbisogno energetico, il mondo è destinato a rimanere ancora per lungo tempo dipendente dai combustibili fossili. Al fine di ridurre le emissioni di gas serra diverse tecnologie di cattura della CO2 sono attualmente sotto studio. Queste vengono suddivise in tecniche pre-combustione, ossi-combustione e post-combustione. Pre-combustione dove la separazione della CO2 avviene a valle di un reattore di water gas shift, ossi-combustione dove la separazione della CO2 avviene tramite l’impiego di ossigeno, postcombustione dove la separazione della CO2 avviene nei gas combusti. Una delle nuove tecnologie in questo campo si basa sull’impiego delle membrane selettive per la separazione di diverse specie chimiche. In questa tesi viene sviluppato un modello dettagliato per la simulazione delle membrane, successivamente impiegato per simulare impianti a carbone o a gas naturale per la produzione di energia elettrica. Vi sono diverse tipologie di membrane; in questa tesi vengono prese in esame quelle selettive all’H2, O2 e CO2. La prima utilizzata in sistemi pre-combustione, le seconde negli impianti ad ossi-combustione (sostituendo l’ASU), le ultime in sostituzione dei solventi chimici nelle centrali a gas naturale.

High fidelity 1D model for selective membrane simulation in CCS power plants

TURI, DAVIDE MARIA

Abstract

During the last two centuries the concentration of carbon dioxide in atmosphere increased approximately from 275 to 400 ppm. This higher concentration has already produced effects on climate, accordingly to indications of most of climatic models, this trend will dramatically change the global temperature in the next decades. The control of the anthropogenic greenhouse gas emissions is one of the most important challenges for the next years. Energy production from fossil fuel is responsible of a great part of the greenhouse emissions. In the last ten years, has been much effort on finding a long term solution to this problem, mostly based on innovative and clean power technologies. Even if renewable sources of energy could cover part of the energy demand, the world is likely to remain fossil fuel dependent. In order to reduce green-house gas emissions while continuing to use these fuel to satisfy a significant fraction of our energy demand, different technologies to capture CO2 are under investigation. One way to reduce CO2 emissions in atmosphere from fossil fuels is Carbon Capture and Storage (CCS). In this field, in the latest years different innovative technologies for near-zero emissions plants have been investigated. Carbon capture processes in a coal or natural gas power plants, falls in one of the following three main categories: Pre-combustion where CO2 separation occurs from synthesis gas, downstream a water gas shift reactor, Oxy-combustion where the energy conversion process is modified (typically by using oxygen as comburent agent) and CO2 separation from flue gases (post-combustion). A new advanced technology, based on the selective membranes could be applied in all the three different categories. In this thesis a detailed model for the simulation of the membrane reactor was developed, then used for the investigation of selective membranes in coal and natural gas feeding power plants. There are several categories of membranes; in this thesis, three of those has been assessed, selective to H2, O2 and CO2. The first one used in pre-combustion systems, due to its positive effect on reforming and water gas shift reactions. By extracting hydrogen from the reacting syngas stream, the charge conversion is favored leading to significant efficiency advantages. Oxygen membranes could be used in pre-combustion and Oxy combustion plants, in substitution of the ASU (Air Separation Unit), for the production of a stream of pure oxygen. CO2 membrane could be a good alternative to chemical solvents in post combustion power plant, reducing the efficiency penalty and environmental issues related to amines.
BOTTANI, CARLO ENRICO
CAMPANARI, STEFANO
24-feb-2016
Negli ultimi due secoli la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera è aumentata da 275 a 400 ppm. Questa maggiore concentrazione ha già avuto effetti sul clima, da cui la necessità di un controllo delle emissioni di gas serra provenienti dalle centrali a fonte fossile. Negli ultimi dieci anni, considerevoli sforzi sono stati spesi per trovare una soluzione a lungo termine a questo problema. Anche se le fonti di energia rinnovabile potrebbero coprire parte del fabbisogno energetico, il mondo è destinato a rimanere ancora per lungo tempo dipendente dai combustibili fossili. Al fine di ridurre le emissioni di gas serra diverse tecnologie di cattura della CO2 sono attualmente sotto studio. Queste vengono suddivise in tecniche pre-combustione, ossi-combustione e post-combustione. Pre-combustione dove la separazione della CO2 avviene a valle di un reattore di water gas shift, ossi-combustione dove la separazione della CO2 avviene tramite l’impiego di ossigeno, postcombustione dove la separazione della CO2 avviene nei gas combusti. Una delle nuove tecnologie in questo campo si basa sull’impiego delle membrane selettive per la separazione di diverse specie chimiche. In questa tesi viene sviluppato un modello dettagliato per la simulazione delle membrane, successivamente impiegato per simulare impianti a carbone o a gas naturale per la produzione di energia elettrica. Vi sono diverse tipologie di membrane; in questa tesi vengono prese in esame quelle selettive all’H2, O2 e CO2. La prima utilizzata in sistemi pre-combustione, le seconde negli impianti ad ossi-combustione (sostituendo l’ASU), le ultime in sostituzione dei solventi chimici nelle centrali a gas naturale.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/117752