In the ever more urgent context of climate change, the power generation sector needs to develop new efficient technologies to reduce the emissions of greenhouse gases. A very interesting solution is the Allam cycle, a natural gas fed supercritical-CO2 cycle with near zero greenhouse gases emissions, developed in 2011. This thesis focuses on the assessment of the performances achievable using biomass as feedstock. Since biomass cannot be directly used in the Allam cycle combustor, the system must include a gasification process and a syngas treatment/cleaning line. The integrated plant is called BIG-ALLAM (Biomass Integrated Gasification Allam cycle) and it features negative CO2 emissions, being a BECCS (Bio-Energy with Carbon Capture and Storage) system. In this thesis, the overall system is designed and simulated with Aspen Plus; its overall efficiency, including the gasification island, the Allam cycle and the Heat Recovery Steam Cycle (HRSC), is optimized using a numerical optimization algorithm and an energy targeting methodology. Different plant configurations, with an increasing level of integration between the Allam cycle and the gasification process, were analysed with the aim of enhancing the efficiency. The results show that the BIG-ALLAM system is very promising in terms of achievable efficiency figures. Indeed, the optimized base configuration (with minimum integration between the Allam cycle and the gasification process) can achieve a net electric efficiency of around 47,30%. The net electric efficiency increases to 48,74% if the heat integration options between the Allam cycle and the gasification process are exploited and optimized. The comparison of the obtained results with those of other BECCS technologies confirms that the achievable efficiency figures are outstanding.
All’interno del sempre più urgente scenario dei cambiamenti climatici, il settore della generazione di potenza deve sviluppare nuove ed efficienti tecnologie per ridurre le emissioni di gas serra. Una soluzione molto interessante è il ciclo Allam, un ciclo a CO2 supercritica alimentato con gas naturale con emissioni (quasi) nulle di gas serra, brevettato nel 2011. In questa tesi si vogliono valutare le performance raggiungibili usando biomassa come materia prima. Poiché la biomassa non può essere direttamente usata nel combustore del ciclo Allam, il sistema deve includere un processo di gassificazione ed una linea di trattamento/pulizia del syngas. L’impianto integrato è chiamato BIG-ALLAM (Biomass Integrated Gasification Allam cycle) ed è caratterizzato da emissioni negative di CO2, essendo un sistema BECCS (Bio-Energy with Carbon Capture and Storage). In questa tesi l’intero sistema è modellato e simulato con Aspen Plus; la sua efficienza globale, comprendendo l’isola di gassificazione, il ciclo Allam ed il ciclo di vapore a recupero (HRSC), è ottimizzata usando un algoritmo di ottimizzazione numerica e la metodologia dell’energy targeting. Diverse configurazioni dell’impianto (con un livello crescente di integrazione tra il ciclo Allam ed il processo di gassificazione) sono state analizzate con l’obiettivo di incrementare l’efficienza. I risultati dimostrano che il sistema BIG-ALLAM è molto promettente per i valori di efficienza raggiungibili. Infatti, il caso base (con la minima integrazione tra il ciclo Allam ed il processo di gassificazione) può raggiungere un’efficienza elettrica netta del 47,30%, quando ottimizzato. L’efficienza elettrica netta sale a 48,74% quando le opzioni di integrazione termica tra il ciclo Allam ed il processo di gassificazione sono sfruttate ed ottimizzate. Il confronto con i risultati ottenuti da altre tecnologie BECCS conferma che i valori di efficienza raggiungibili sono straordinari.
Technical design and thermodynamic optimization of a novel biomass fired supercritical-CO2 power cycle
URCIUOLI, VITTORIO
2018/2019
Abstract
In the ever more urgent context of climate change, the power generation sector needs to develop new efficient technologies to reduce the emissions of greenhouse gases. A very interesting solution is the Allam cycle, a natural gas fed supercritical-CO2 cycle with near zero greenhouse gases emissions, developed in 2011. This thesis focuses on the assessment of the performances achievable using biomass as feedstock. Since biomass cannot be directly used in the Allam cycle combustor, the system must include a gasification process and a syngas treatment/cleaning line. The integrated plant is called BIG-ALLAM (Biomass Integrated Gasification Allam cycle) and it features negative CO2 emissions, being a BECCS (Bio-Energy with Carbon Capture and Storage) system. In this thesis, the overall system is designed and simulated with Aspen Plus; its overall efficiency, including the gasification island, the Allam cycle and the Heat Recovery Steam Cycle (HRSC), is optimized using a numerical optimization algorithm and an energy targeting methodology. Different plant configurations, with an increasing level of integration between the Allam cycle and the gasification process, were analysed with the aim of enhancing the efficiency. The results show that the BIG-ALLAM system is very promising in terms of achievable efficiency figures. Indeed, the optimized base configuration (with minimum integration between the Allam cycle and the gasification process) can achieve a net electric efficiency of around 47,30%. The net electric efficiency increases to 48,74% if the heat integration options between the Allam cycle and the gasification process are exploited and optimized. The comparison of the obtained results with those of other BECCS technologies confirms that the achievable efficiency figures are outstanding.File | Dimensione | Formato | |
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