CO2 chemical absorption with potassium lysinate applied to natural gas combined cycles : thermodynamic model & techno-economic assessment

Chemical absorption with solvents represents a mature and well-established solution among the available Carbon Capture and Storage (CCS) technologies for the decarbonisation of the Energy industry; however, it offers some margin of improvement due to the nonnegligible energy duty required for solvent regeneration, associated environmental impacts, equipment cost, corrosion and solvent degradation issues. This work aims at the evaluation of potassium salts solutions of lysine (LYSK) as a potential alternative solvent to conventional amines for natural gas combined cycle (NGCC) flue-gas treatment. LYSK could be more environmental-friendly, showing reduced thermal and oxidative degradation, fast kinetics and, eventually, lower duty required for solvent regeneration after absorption. In order to provide a preliminary techno-economic assessment, a suitable thermodynamic model of the CO2-LYSK-H2O system is required for equipment sizing and energy performance evaluation. Therefore, the Electrolyte Non Random Two-Liquid model (Elec-NRTL) has been calibrated in Aspen Plus®; the adjustable interaction parameters of the Thermodynamic Model were regressed against experimental data to simulate Vapor-Liquid Equilibria, in addition to density and viscosity of the liquid solvent. The VLE model, and the thermophysical properties have supported the initial design of the process and consequent sizing and pricing of the capture unit, together with the evaluation of energy performance indicators. A preliminary estimate of the cost of CO2 avoided completes the techno-economic assessment. The developed activity represents a novel contribution to the literature; moreover, the results have been compared with a state-of-the-art process based on Chemical Absorption with monoethanolamine (MEA) solution applied to the same NGCC used as a reference for the present study.

L'assorbimento chimico tramite solventi liquidi rappresenta una soluzione matura e consolidata tra le tecnologie CCS (Cattura e stoccaggio della CO2) disponibili per la decarbonizzazione nel settore energetico; tuttavia, vi è un certo margine di miglioramento a causa del non trascurabile dispendio energetico richiesto per la rigenerazione del solvente, degli impatti ambientali associati, del costo delle attrezzature, della corrosione e dei problemi di degradazione connessi con il sovente utilizzato. Questo lavoro mira alla valutazione delle soluzioni di lisinato di potassio (LYSK) come potenziale solvente alternativo alle ammine convenzionali per il trattamento dei fumi di gas naturale a ciclo combinato (NGCC). Questo solvente potrebbe garantire migliori prestazioni da un punto di vista di impatto ambientale, essendo suscettibile ad una minor degradazione termica e ossidativa; inoltre è caratterizzato da una notevole cinetica di reazione e da un ridotto quantitativo di energia richiesta per la rigenerazione dopo l'assorbimento. Al fine di fornire una preliminare valutazione tecnico-economica, è necessario un modello termodinamico adeguato in grado di simulare correttamente il sistema composto da CO2-LYSK-H2O per il dimensionamento delle apparecchiature e la valutazione delle prestazioni energetiche. Pertanto, il modello Electrolyte Non Random Two-liquid (Elec-NRTL) è stato calibrato in Aspen Plus®; i parametri di interazione regolabili del modello termodinamico sono stati regrediti utilizzando dati sperimentali per simulare l'equilibrio di fase vapore-liquido, oltre alla densità e alla viscosità del solvente. Il modello VLE e le proprietà termofisiche hanno supportato la progettazione iniziale del processo e il conseguente dimensionamento e prezzo dell'unità di cattura, insieme alla valutazione degli indicatori di prestazione energetica. Una stima preliminare del costo dell’energia elettrica e della CO2 evitata completa la valutazione tecnico-economica. L'attività sviluppata rappresenta un nuovo contributo alla letteratura; inoltre, i risultati sono stati confrontati con un processo all'avanguardia basato sull'assorbimento chimico con soluzione di etanolammina (MEA) applicata allo stesso NGCC utilizzato come riferimento per il presente studio.