Performance evaluation of mixed-salt technology for CO2 capture from post-combustion USC power plant

The aim of this work is to evaluate the performance of the Mixed-salt technology for post-combustion CO2 capture, which exploits ammonia and potassium salts. To investigate the energetic impact of the system on the Ultra Super Critical power plant, the SPECCA index [MJel/kgCO2] (Specific Primary Energy Consumption for CO2 Avoided) was computed. This provides information on the amount of energy that is necessary to capture the CO2 coming out within flue gases. Two plant’s configurations were considered, which exploit different ammonia water wash solutions. The first is less energy-intensive than the second one. Its drawback is related to the ammonia wasted, that otherwise could be recycled in the capture section. Instead, the second provides for the use of a water wash technology with a regeneration column. This leads to a higher thermal demand which results in an additional electric power loss of the turbine. The advantage of this solution derives from the recycle of ammonia in the capture section. Thus, the costs related to the ammonia treatment and makeup are reduced. For both the solutions the resulting values of SPECCA are promising. Specifically, the first solution has a SPECCA of 1,725 MJel/kgCO2; while the second, as predictable, presents a higher value of SPECCA, 2,02 MJel/kgCO2. The calculation of these values was carried out by a two-levels parametric analysis. Based on the studies conducted by the Department of Energy of the Politecnico di Milano, the parameters which influence most the system were identified. They were varied to investigate the trends of the variables that affect the SPECCA. The plant was reproduced by the Aspen Plus software, which was integrated with the Extended UNIQUAC thermodynamic model developed by DTU. This work is based on more than 200 hours of simulations.

L’obbiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di valutare le prestazioni di un impianto di cattura di anidride carbonica in post-combustione, che sfrutta ammoniaca e sali di potassio. Per poter valutare l’impatto energetico di questo sistema sull’impianto di potenza Ultra Super Critico a cui viene applicato, si è calcolato l’indice SPECCA [MJel/kgCO2] (Specific Primary Energy Consumption for CO2 Avoided). Questo fornisce informazioni sull’energia necessaria per catturare la CO2 contenuta nei gas di scarico dell’impianto. Si sono considerate due soluzioni impiantistiche, le quali utilizzano due tipologie differenti di lavaggio di ammoniaca. La prima ha un minore impatto energetico, ma ha lo svantaggio di non riciclare all’interno della sezione di cattura l’ammoniaca lavata. La seconda, invece, prevede l’utilizzo di una tecnologia di lavaggio che sfrutta una colonna di rigenerazione. Ciò implica una maggiore domanda termica da parte del sistema, che si traduce in una perdita ulteriore di potenza elettrica della turbina. Il vantaggio di questa seconda soluzione deriva dal riutilizzo dell’ammoniaca lavata nella sezione di lavaggio in testa all’assorbitore. I costi legati, quindi, al trattamento dell’ammoniaca e al reintegro di quest’ultima nella sezione di cattura, saranno ridotti. I valori di SPECCA risultanti dall’analisi sono ridotti. Nello specifico, la prima soluzione presenza uno SPECCA di 1,725 MJel/kgCO2 e la seconda invece, come prevedibile, ha un valore dello SPECCA di poco più alto, 2,02 MJel/kgCO2. Per il calcolo di questi valori si è effettuata un’analisi parametrica di due livelli. Sulla base degli studi effettuati prima dell’inizio di questo lavoro dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, si sono identificati i parametri più influenti all’interno dell’impianto e si sono fatti variare per identificare i trend delle variabili incidenti sullo SPECCA. Le simulazioni effettuate sono state riprodotte tramite il software Aspen Plus, integrato con il modello termodinamico Extended UNIQUAC, sviluppato dalla DTU. Questo lavoro si basa su più di 200 ore di simulazioni.